Crochet de Lie

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Crochet de Lie
Exercice 1 [ 00775 ] [Correction]
Soient A,B∈ Mn(R) vérifiant AB −BA =A.
(a) Calculer AkB−BAkpour k∈N.
(b) À quelle condition la matrice Akest-elle vecteur propre de l’endomorphisme
M7→ MB −BM de Mn(R) ?
(c) En déduire que la matrice Aest nilpotente.
Exercice 2 [ 02719 ] [Correction]
Soient fet gdeux endomorphismes d’un C-espace vectoriel Ede dimension finie n≥1
tels que
f◦g−g◦f=f
(a) Montrer que fest nilpotent.
(b) On suppose fn−1,0. Montrer qu’il existe une base ede Eet λ∈Ctels que :
Matef=
0 1 (0)
......
...1
(0) 0
et
Mateg=diag(λ, λ +1, . . . , λ +n−1)
Exercice 3 [ 02441 ] [Correction]
Soient Eun C-espace vectoriel de dimension finie non nulle, u,vdans L(E) et a,bdans
C. On suppose
u◦v−v◦u=au +bv
(a) On étudie le cas a=b=0.
Montrer que uet vont un vecteur propre en commun.
(b) On étudie le cas a,0, b=0.
Montrer que uest non inversible.
Calculer un◦v−v◦unet montrer que uest nilpotent.
Conclure que uet vont un vecteur propre en commun.
(c) On étudie le cas a,b,0.
Montrer que uet vont un vecteur propre en commun.
Exercice 4 [ 02868 ] [Correction]
Soient Eun C-espace vectoriel de dimension finie non nulle, (a,b)∈C2,fet gdans L(E)
tels que
f◦g−g◦f=a f +bg
Montrer que fet gont un vecteur propre commun.
Exercice 5 [ 02395 ] [Correction]
Soit Eun espace vectoriel complexe de dimension finie non nulle. Soient uet vdes
endomorphismes de E; on pose [u;v]=uv −vu.
(a) On suppose [u;v]=0. Montrer que uet vsont cotrigonalisables.
(b) On suppose [u;v]=λuavec λ∈C∗. Montrer que uest nilpotent et que uet vsont
cotrigonalisables.
(c) On suppose l’existence de complexes αet βtels que [u;v]=αu+βv. Montrer que u
et vsont cotrigonalisables.
Exercice 6 [ 00829 ] [Correction]
Soient fet gdeux endomorphismes d’un K-espace vectoriel Etels que f◦g−g◦f=I.
(a) Montrer que, pour tout entier n≥1, on a fn◦g−g◦fn=n f n−1.
(b) En dimension finie non nulle, montrer qu’il n’existe pas deux endomorphismes fet
gtels que f◦g−g◦f=I.
(c) Montrer que dans E=K[X] les endomorphismes fet gdéfinis par f(P)=P0et
g(P)=XP conviennent.
Exercice 7 [ 00828 ] [Correction]
Soient Eun espace vectoriel réel de dimension finie, fet gdeux endomorphismes de E
vérifiant
f◦g−g◦f=f
(a) Calculer
fn◦g−g◦fn
(b) Soit Pun polynôme. Montrer que si P(f)=0 alors f◦P0(f)=0.
(c) En déduire que fest un endomorphisme nilpotent.
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Exercice 8 [ 03031 ] [Correction]
Soit A∈ Mn(C). On considère l’endomorphisme Tde Mn(C) défini par
T(M)=AM −MA
(a) On suppose que la matrice Aest nilpotente.
Montrer que l’endomorphisme Test aussi nilpotent.
(b) Réciproque ?
Exercice 9 [ 03374 ] [Correction]
Soient A,B,C∈ Mn(R) vérifiant
AB −BA =C
On suppose en outre que Ccommute avec les matrices Aet B.
(a) On suppose que Aet diagonalisable. Montrer que la matrice Cest nulle.
(b) On suppose que la matrice Cest diagonalisable. Montrer à nouveau de que la matrice
Cest nulle.
Exercice 10 [ 04105 ] [Correction]
On fixe A∈ Mp(R) et on considère ∆:M∈ Mp(R)7→ AM −MA.
(a) Prouver que ∆est un endomorphisme de Mp(R) et que :
∀n∈N∗,∀(M,N)∈ Mp(R)2,∆n(MN)=
n
X
k=0 n
k!∆k(M)∆n−k(N)
(b) On suppose que B= ∆(H) commute avec A. Montrer :
∆2(H)=0 et ∆n+1(Hn)=0
Vérifier ∆n(Hn)=n!Bn.
(c) Soit k.kune norme sur Mp(R). Montrer que kBnk1/n−→
n→+∞0.
(d) En déduire que la matrice Best nilpotente.
Exercice 11 [ 04107 ] [Correction]
Soient Eun C-espace vectoriel de dimension finie non nulle, uet vdeux endomorphismes
de E.
(a) On suppose dans cette question et dans la suivante que u◦v−v◦u=u.
Montrer que ker(u) est stable par v.
(b) Montrer que ker(u),{0}.
Indice : On pourra raisonner par l’absurde et utiliser la trace.
En déduire que uet vont un vecteur propre commun.
(c) On suppose maintenant que u◦v−v◦u∈Vect (u,v)
Montrer qu’il existe une base de Edans laquelle les matrices de uet vsont
triangulaires supérieures.
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Corrections
Exercice 1 : [énoncé]
(a) Une récurrence facile donne AkB−BAk=kAk.
(b) Akest vecteur propre de l’endomorphisme considéré si, et seulement si, Ak,0.
(c) L’endomorphisme M7→ MB −BM opère en dimension finie, il ne peut donc avoir
qu’un nombre fini de valeurs propres et donc il existe k∈Nvérifiant Ak=0.
Exercice 2 : [énoncé]
(a) On vérifie fk◦g−g◦fk=k f k.
Si pour tout k∈N,fk,0 alors l’endomorphisme h7→ h◦g−g◦hadmet une
infinité de valeurs propres.
Ceci étant impossible en dimension finie, on peut affirmer que fest nilpotent.
(b) fn=0 (car dim E=n) et fn−1,0. Pour x<ker fn−1et e0=(fn−1(x),..., f(x),x),
on montre classiquement que e0est une base de Edans laquelle la matrice de fest
telle que voulue.
f(g(fn−1(x)) =0 donc g(fn−1(x)) =λfn−1(x) pour un certain λ∈R
Aussi fk(g(fn−1−k(x))) =(λ+k)fn−1(x) et donc la matrice de gdans e0et triangulaire
supérieure avec sur la diagonale λ, λ +1, . . . , λ +n−1. Ainsi
Sp(g)={λ, . . . , λ +n−1}
Soit yvecteur propre associé à la valeur propre λ+n−1.
Si y∈ker fn−1alors puisque ker fn−1est stable par g,λ+n−1 est valeur propre de
l’endomorphisme induit par gsur ker fn−1. Cela n’étant par le cas y<ker fn−1. On
vérifie alors facilement que la famille e=(fn−1(y),..., f(y),y) résout notre
problème.
Exercice 3 : [énoncé]
(a) Puisque u◦v=v◦ules sous-espaces propres de usont stables par v. Puisque Eest
un C-espace vectoriel, uadmet une valeur propre et le sous-espace propre associé est
stable par v. L’endomorphisme induit par vsur celui-ci admet une valeur propre et
ceci assure l’existence d’un vecteur propre commun à uet v.
(b) u◦v−v◦u=au.
Si uest inversible alors u◦v◦u−1−v=aIdEet donc tr(u◦v◦u−1)−tr v=adim E.
Or tr(u◦v◦u−1)=tr vce qui entraîne une absurdité.
On en déduit que uest non inversible.
Par récurrence sur n∈N, on obtient
un◦v−v◦un=naun
L’endomorphisme ϕ:w7→ w◦v−v◦wn’admet qu’un nombre fini de valeurs
propres car opère en dimension finie. Si un’est pas nilpotent alors pour tout n∈N,
na est valeur propre de ϕ. C’est absurde et donc uest nilpotent.
Enfin, soit x∈ker u. On a u(v(x)) =v(u(x)) +au(x)=0 donc v(x)∈ker u.
Par suite ker u,{0}est stable vet un vecteur propre de l’endomorphisme induit est
vecteur propre commun à uet v.
(c) u◦v−v◦u=au +bv.
Si a=0 il suffit de transposer l’étude précédente.
Si a,0, considérons w=au +bv.
On a
(au +bv)◦v−v◦(au +bv)=a(u◦v−v◦u)=a(au +bv)
Par l’étude qui précède, au +bv et vont un vecteur propre en commun puis uet vont
un vecteur propre en commun.
Exercice 4 : [énoncé]
Cas a=b=0
Les endomorphismes fet gcommutent donc les sous-espaces propres de l’un sont stables
pour l’autre. Puisque le corps de base est C, l’endomorphisme fadmet au moins une
valeur propre λ. L’espace Eλ(f),{0}est stable par gdonc on peut introduire
l’endomorphisme induit par gsur Eλ(f) et ce dernier admet aussi au moins une valeur
propre. Un vecteur propre associé à cette valeur propre de gest aussi un vecteur propre de
fcar élément non nul de Eλ(f). Ainsi fet gont un vecteur propre commun.
Cas a=0 et b,0
Par récurrence, on obtient f◦gn−gn◦f=nbgnpour tout n∈N.
L’application u∈ L(E)7→ f◦u−u◦fest un endomorphisme de L(E) or dim L(E)<+∞
donc cet endomorphisme n’admet qu’un nombre fini de valeur propre. Cependant, pour
chaque n∈Ntel que gn,˜ 0, le scalaire nb est valeur propre de cet endomorphisme, on en
déduit qu’il existe n∈Ntel que gn=˜ 0 et en particulier ker g,{0}.
On vérifie aisément que ker gest stable par fet un vecteur propre de l’endomorphisme
induit par fsur ker gest alors vecteur propre commun à fet g.
Cas b=0 et a,0
Semblable
Cas a,0 et b,0
On a
f◦(a f +bg)−(a f +bg)◦f=b(f◦g−g◦f)=b(a f +bg)
Par l’étude qui précède, fet a f +bg admettent un vecteur propre commun et celui-ci est
alors vecteur propre commun à fet g.
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Exercice 5 : [énoncé]
(a) uadmet une valeur propre λet le sous-espace propre associé est stable par v. Cela
assure que uet vont un vecteur propre en commun e1. On complète celui-ci en une
base (e1,e2,...,en). Les matrices de uet vdans cette base sont de la forme
A= λ∗
0A0!et B= µ∗ 0B0!. Considérons les endomorphismes u0et v0de
E0=Vect(e2,...,en) représentés par A0et B0dans (e2,...,en). AB =BA donne
A0B0=B0A0et donc [u0;v0]=0. Cela permet d’itérer la méthode jusqu’à obtention
d’une base de cotrigonalisation.
(b) Par récurrence, on vérifie [uk;v]=kλuk. L’endomorphisme w7→ [w;v] de L(E) ne
peut avoir une infinité de valeurs propres donc il existe k∈N∗tel que uk=0.
L’endomorphisme uest nilpotent donc ker u,{0}ce qui permet d’affirmer que uet v
ont un vecteur propre commun. On peut alors reprendre la démarche de la question
a) sachant qu’ici A0B0−B0A0=λA0.
(c) Si α=0, l’étude qui précède peut se reprendre pour conclure. Si α,0, on introduit
w=αu+βvet on vérifie [w;v]=αw. Ainsi wet vsont cotrigonalisables puis uet v
aussi cas u=1
α(w−βv).
Exercice 6 : [énoncé]
(a) Il suffit de procéder par récurrence en exploitant
fn+1◦g−g◦fn+1=f◦(n f n+g◦fn)+(I−f◦g)◦fn.
(b) Par linéarité P(f)◦g−g◦P(f)=P0(f).
Ainsi si Pannule falors P0aussi. Ceci est impossible en dimension finie car le
polynôme minimal d’un endomorphisme annule celui-ci et est de degré minimal.
Notons qu’un argument de calcul de trace est de loin plus rapide et plus simple !
(c) f◦g(P)=(XP)0=XP0+Pet g◦f(P)=XP0donc ( f◦g−g◦f)(P)=P.
Exercice 7 : [énoncé]
(a) Par récurrence
fn◦g−g◦fn=n f n
(b) Par linéarité
P(f)◦g−g◦P(f)=f◦P0(f)
Par suite, si P(f)=0, alors f◦P0(f)=0.
(c) Soit πle polynôme minimal de l’endomorphisme f.
πannule fdonc Xπ0aussi. Par minimalité de π,π|Xπ0. Pour des raisons de degré et
de coefficients dominants, απ =Xπ0avec α=deg π. On en déduit π=Xαet donc f
est nilpotent.
Exercice 8 : [énoncé]
(a) Soit λune valeur propre de l’endomorphisme T.
Il existe une matrice Mnon nulle vérifiant T(M)=λM.
On a alors MA =(A+λIn)M.
Par une récurrence facile, MAp=(A+λIn)pM.
Or pour un certain p∈N∗,Ap=Ondonc (A+λIn)pM=On.
Cependant la matrice Mn’est pas nulle donc la matrice (A+λIn)pn’est pas
inversible puis la matrice A+λInne l’est pas non plus. Ainsi λest valeur propre de A
et donc λ=0 car 0 est la seule valeur propre d’une matrice nilpotente.
On en déduit Sp T⊂{0}puis Sp T={0}car le corps de base Cassure l’existence
d’au moins une valeur propre.
Le polynôme caractéristique de Tétant scindé dans C[X] et de degré n2, on a
χT=(−1)n2Xn2puis Tn2=˜ 0 car le polynôme caractéristique est annulateur en vertu
du théorème de Cayley Hamilton.
Finalement, l’endomorphisme Test nilpotent.
(b) Pour g=IdEon a T=˜ 0.
Ainsi l’endomorphisme Test nilpotent alors que gne l’est pas.
La réciproque est fausse.
Exercice 9 : [énoncé]
(a) Par récurrence, on obtient
∀n∈N∗,AnB−BAn=nAn−1C
On en déduit
∀P∈K[X],P(A)B−BP(A)=P0(A)C
Si la matrice Aest diagonalisable, elle annule un polynôme scindé à racine simple P
et donc
P0(A)C=0
Puisque les racines de Psont simples, les valeurs propres de Ane sont pas racine de
P0et une diagonalisation de Apermet d’affirmer
det P0(A),0
Puisque la matrice P0(A) est inversible, l’identité P0(A)C=0 donne C=0.
(b) Supposons Cdiagonalisable.
Notons a,b,cles endomorphismes de Rncanoniquement associés aux matrices
A,B,C.
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Soit λune valeur propre de C. Le sous-espace propre Eλ(c) est stables par les
endomorphismes aet bcar la matrice Ccommute avec Aet B. Notons aλet bλles
endomorphismes induits associés. On a
aλ◦bλ−bλ◦aλ=λIdEλ(c)
En considérant la trace, on obtient
λdim Eλ(c)=0
On en déduit que seule 0 est valeur propre de Cet donc la matrice diagonalisable C
est nulle.
Exercice 10 : [énoncé]
(a) ∆est évidemment linéaire de Mp(R) dans lui-même.
En exploitant
∆(BC)=ABC −BCA =(AB −BA)C+B(AC −CA)= ∆(B)C+B∆(C)
on montre la relation
∆n(MN)=
n
X
k=0 n
k!∆k(M)∆n−k(N)
en raisonnant par récurrence comme pour établir la formule de Leibniz.
(b) AB =BA donne directement ∆(B)=0 et donc ∆2(H)=0.
La relation ∆n+1(Hn)=0 s’obtient alors en raisonnant par récurrence et en observant
que les termes sommés sont nuls dans la relation
∆n+1(Hn)= ∆n+1(HHn−1)=
n+1
X
k=0 n+1
k!∆k(H)∆n+1−k(Hn−1)
L’identité ∆n(Hn)=n!Bns’obtient aussi par récurrence et un calcul assez analogue.
(c) Considérons une norme sous-multiplicative (par équivalence des normes en
dimension finie, cela ne change rien au problème). On a
kBnk=1
n!k∆n(Hn)k
L’application linéaire ∆étant continue, on peut introduire k≥0 vérifiant
∀M∈ Mp(R),k∆(M)k≤kkMk
On a alors
kBnk≤1
n!knkHnk≤1 n!(kkHk)n
puis
kBnk1/n≤1
(n!)1/n(kkHk)−→
n→+∞0 car n!∼√2πnn
en
(d) On peut plonger le problème dans le cadre complexe. Soit λune valeur propre
complexe de Bet Mune matrice de Mp(C) dont toutes les colonnes sont vecteurs
propres de Bassociés à la valeur propre λ. On a
BM =λMet donc BnM=λnMpuis kBnMk1/n=|λ|kMk1/n. Or
kBnMk1/n≤kBnk1/nkMk1/n−→
n→+∞0
et on peut donc conclure λ=0.
Puisque 0 est la seule valeur propre complexe de B, celle-ci est nilpotente (cf.
théorème de Cayley-Hamilton).
Exercice 11 : [énoncé]
(a) Soit x∈ker u. On a u(x)=0Eet donc
u(v(x)) =u(x)+v(u(x)) =0E
Ainsi v(x)∈ker u.
(b) Si par l’absurde, l’endomorphisme uest inversible, on peut écrire
u◦v◦u−1=v+IdE
En passant à la trace, on obtient
tr(v)=tr(v)+dim E
Ceci est absurde. On en déduit ker(u),{0}.
ker(u) est stable vet non réduit à {0}. L’endomorphisme complexe induit par vsur cet
espace de dimension finie admet donc une valeur propre λ. Si xest un vecteur propre
associé, c’est un vecteur propre commun à uet vcar
u(x)=0Eet v(x)=λ.x
(c) La conclusion qui précède vaut aussi pour une identité du type u◦v−v◦u=au avec
a,0.
Dans le cas où a=0, la propriété est encore vraie en raisonnant cette fois-ci avec un
sous-espace propre de u(stable par vcar on est en situation où uet vcommutent).
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