Pb2 KaramEss
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Un devoir libre
Problème
I - Dualité dans espace vectoriel de dimendsion finie 8. Montrer que si B1 = (e1 , e2 , ..., en ) et B2 = (e01 , e02 , ..., e0n ) sont deux bases fixées de
Soit E un K-espace vectoriel de dimension finie n > 1 et B = (e1 , e2 , ..., en ) une base fixée de E , P = PB1 −→B2 et Q = PB∗1 −→B∗2 alors Q = t P −1 .
E On pourra utiliser 3
Xn
Pour x ∈ E, x = xi ei (Écriture unique ) II - Endomorphisme cyclique de E
i=1
Pour i ∈ [[1, n]] , fixé on définie la forme linéaire e∗i : E −→ K
n
X Soit un K-espace vectoriel de dimension finie n > 1
x 7−→ xi avec x = xj ej Soit f un endomorphisme cyclique de E c’est à dire il existe e de E tel que Bf,e =
j=1 (e, f (e), f 2 (e), ..., f n−1 (e)) est une base de E
1. Vérifier que ∀i, j ∈ [[1, n]] , e∗i (ej ) = δi,j (Symbol de Kronecker ) n−1
X
2. En déduire que B∗ = e∗1 , e∗2 , ..., e∗n est base de E ∗ = L (E, K) 9. Montrer qu’il existe (a0 , a1 , ...an−1 ) unique de Kn tel que f n (e) = ak f k (e) et que
B∗ est la base des formes linéaires coordonnées dans la base B .Elle est unique k=0
0 0 ... 0 a0
On l’appelle aussi la base de E ∗ duale de la base B de E
1 0 0 a1
3. Pour (x, ϕ) ∈ E × E ∗ ,vérifier que
.. ..
∗
e1 (x)
ϕ(e1 )
0
M atBf,e (f ) = 1 . . a2
.
e∗ (x) ϕ(e2 ) .. .. ..
2 . . 0 an−2
[x]B = .. et [ϕ]B∗ = ..
0 ... 0 1 an−1
. .
∗ n−1
en (x) ϕ(en ) X
4. Inversement soit L = (ϕ1 , ϕ2 , ..., ϕn ) est une base de E ∗ dite la matrice compagnon du polynôme unitaire P = X n − ak X k et qu’on note C(P )
k=0
(a) Montrer que ψ : E −→ Kn est isomorphise de K- n−1
x 7−→ (ϕ1 (x), ϕ2 (x), ..., ϕn (x))
X
10. Montrer que P (f ) = f n − ak f k = 0.Indication travailler sur Bf,e
espaces vectoriel k=0
(b) Déduire qu’il existe une unique base F = (v1 , v2 , ..., vn ) tel que F∗ = L 11. Montrer que ∀Q ∈ K[X], Q(f ) = 0 ⇐⇒ P divise Q
F s’appelle la base de E antéduale de la base L de E ∗
12. Déduire que
5. Pour F un sous espace de E de dimenssion p ∈ [[1, n]]
Montrer que F ∗ = ϕ ∈ E ∗ /∀x ∈ F, ϕ(x) = 0 est est sous-espace vectoriel de E ∗
(a) P est l’unique polynôme unitaire de degré minimal annulateur de f
de dimension n − p On note alors P = πf,e
6. Pour G un sous espace de E ∗ de dimenssion p ∈ [[1, n]]
(b) K[f ] = Q(f )/Q ∈ K[X] est un K- espace vectoriel dont une base est
Montrer que G∗ = ϕ ∈ E ∗ /∀x ∈ F, ϕ(x) = 0 est est sous-espace vectoriel de E ∗
id, f, f 2 , ..., f n−1
de dimension n − p
13. Montrer que si A1 , A2 sont deux représentations matricielles d’un endomorphisme g de E
7. Ici seulement E = R3 et B = (e1 , e2 , e3 ) sa base canonique.
respectivements dans deux bases B1 , B2 , alors det(A1 − XIn ) = det(A2 − XIn )
(a) Montrer que B0 = (e1 + e2 , e2 + e3 , e1 + e3 est une base de E Indication :A1 et A2 sont semblables
(b) Trouver la base de E ∗ duale de la base B de E Cette valeur commune ne dépend alors que de f ,on l’appelle le polynôme caracteristique de g
(c) Donner la base de E ∗ duale de la base B0 de E qu’on note χg
14. Montrer que le plynôme caractéristique de f est (b) Montrer qu’il existe un unique polynôme unitaire de degré minimal supérieur ou égal à 1
−X 0 ... 0 a0 annulateur de f qu’on note πf
1 −X 0 a1 πf s’appelle le le polynôme minimal de de f
.. .. (c) Montrer que d = deg(πf ) > 1 et que ∀Q ∈ K[X], Q(f ) = 0 ⇐⇒
χf = det(C(P ) − XIn ) = 0 1 . . a2 =
.. πf divise Q
.. ..
. . . −X an−2
(d) Montrer que K[f ] = Q(f )/Q ∈ K[X] est un K- espace vectoriel dont une base
0 ... 0 1 (an−1 − X) est id, f, f 2 , ..., f d−1
(−1)n πf,e
En particulier on a dans cas χf (f ) = 0 20. Le but est montrer qu’il existe e ∈ E tel que πf = πf,e par étapes.
III - Théorème de Cayley-Hmilton (a) Si πf = P α A tel que P est irréductible unitaire avec P ∧ A = 1 et α ∈ N∗ .
i. Montrer que E = ker(P α (f )) ⊕ ker(A(f ))
Soit un K-espace vectoriel de dimension finie n > 1 ii. Jutifier que ker(P α (f )) 6= 0E et ∀x ∈ ker(P α (f ))\ 0E , πf,x /P α
Soit f un endomorphisme de E quelconque
iii. En supposant par absurde que ∀x ∈ ker(P α (f ))\ 0E , πf,a /P α−1 ,dé-
Le but est de montrer que χf (f ) = 0 ce qui déja vrai quand f est cyclique !
duire que P α−1 A est un annulateur de f sur E
On suppose alors que f est non cyclique . Soit a ∈ E non nul
iv. Conclure qu’il existe a ∈ ker(P α (f ))\ 0E tel que πf,a = P α
On pose Ef,a = V ectK f k (a) k∈N
(b) Soient a, b ∈ E\ 0E /πf,a ∧ πf,b = 1
15. Montrer que est le plus petit sous-espace vectoriel de E contenant a est stable par f
Ef,a est dit un sous espace monogène de E associé à f i. Montrer que a + b 6= 0
ii. Monter que πf,a+b /πf,a πf,b
16. Montrer qu’il existe m ∈ N∗ tel que Bf,a = (a, f (a), ..., f m−1 (a)) est une base de Ef,a
iii. Montrer que πf,a /πf,a+b
17. Soit g : Ef,a −→ Ef,a l’endomorphisme de induit par f sur Ef,a
Indication :On pourra montrer que πf,a /πf,b πf,a+b
x 7−→ g(x) = f (x)
iv. Déduire que πf,a+b = πf,a πf,b
Donner la forme de la matrice de g dans Bf,a .
Quelle est la nature de g ? la valeur de χg (g) ? v. Conclure qu’il existe e ∈ E tel que πf = πf,e
Indication :On considère la décomposition de de πf en facteurs irréductibles dans
18. On complète la base Bf,a = (a, f (a), ..., f m−1 (a)) = (e1 , ..., em ) de Ef,a en une r
base B = (e1 , ..., em , em+1 , ..., en ) de E
Y
K[x], πf = Piαi et on raisonne par récurrence finie
A = C(P ) ∈ Mm (K), D ∈ Mn−m (K)
i=1
A C (c) Soit e ∈ E tel que πf = πf,e et on suppose que Ef,e 6= E
(a) Vérifier que M atB (f ) = avec
O D Le but est d’exiber un supplémentaire de Ef,e dans E qui soit f -sable (pour déclencher
O = On−m,m , C ∈ Mm,n−m (K)
Que représente A ? une récurrence après...)
(b) Déduire que χg divise χf et que χf (f )(a) = 0E B{, = (e, f (e), f 2 (e), ..., f m−1 (e)) = (e1 , ..., em ) de Ef,e qu’on
complète en une base B = (e1 , ..., em , em+1 , ..., en ) de E et B∗ =
(c) Conclure que χf (f ) = 0 (e∗1 , ..., e∗m , e∗m+1 , ..., e∗n ) la base duale de E ∗ duale de la base B de E
∗
G = e∗m ◦ Q(f )/Q ∈ K[x] = V ectK e∗m ◦ f k /k ∈ N
IV - Réduction de Frobinus d’un endomorphisme de E
Soit un K-espace vectoriel de dimension finie n > 1 On considère \
∗
G = x ∈ E/∀ϕ ∈ G , ϕ(x) = 0 = ker(ϕ)
Soit f un endomorphisme de E fixé. ϕ∈G∗
19. Le but est de définir ce que c’est le polynôme minimal de de f et le caractériser i. Montrer que G∗ est K-espace vectoriel de dimension m dont une base est
e∗m ◦ f k k∈[[0,m−1]]
(a) Montrer que f admet un annulateur non nul
ii. Déduire que G est K-espace vectoriel de dimension n − m qui est stable par f et dite réduction de Frobinus de f
que si g désigne l’endomorphisme de G induit par f on a πg /πf On montre même que les polynômes R1 = πf , R2 , ..., Rr ne dépendent que de f :ils
iii. Montrer Ef,e ⊕ G = E s’appellent les invariants de similitudes de f
r Ainsi deux matrices de Mn (K) sont semblables si est seulement si ils ont les mêmes
(d) i. Montrer qu’il existe a1 , a2 , ...., ar ∈ E/E = ⊕ Ef,ak
k=1 invariants de similitudes
et que si ∀k ∈ [[1, r − 1]] , on pose πf,ak = Rk on a Rk+1 /Rk
ii. Déduire qu’il existe une base F de E tel que
C(R1 )
C(R2 ) (O)
M atF (f ) = diag(C(P1 ), C(P2 ), ..., C(Pr )) =
..
(O) .
C(Rr )