Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Linear algebraReviewed

Sp(A)=Sp(B)=Sp(AB)={1}⇒ASp(A)=Sp(B)=Sp(AB)=\{1\}\Rightarrow A et BB cotrigonalarisables ?

by FiniteField·
40
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  4. 51–70Advanced / graduateAvancé / master
  5. 71–90Expert / specializedExpert / spécialisé
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Français

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Soient A,B∈Mn(C)A,B\in \mathcal{M}_{n}(\mathbb{C}) telles que Sp(A)=Sp(B)=Sp(AB)={1}\mathrm{Sp}(A)=\mathrm{Sp}(B)=\mathrm{Sp}(AB)=\{1\}. Est-ce que AA et BB sont nécessairement trigonalisables dans une même base ?

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Solutions

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Non. La condition est insuffisante dès la dimension 33, alors qu’elle suffit en dimension 22.

Rappelons d’abord que Sp(A)={1}\mathrm{Sp}(A)=\{1\} équivaut à dire que AA est unipotente, c’est-à-dire que A−InA-I_n est nilpotente. La question est donc : si AA, BB et ABAB sont unipotentes, la paire (A,B)(A,B) est-elle cotrigonalisable ?

Un contre-exemple en dimension 3

Posons
A=(110011001),B=(100110−1−11).A=\begin{pmatrix}1&1&0\\0&1&1\\0&0&1\end{pmatrix},\qquad B=\begin{pmatrix}1&0&0\\1&1&0\\-1&-1&1\end{pmatrix}.

Les trois matrices sont unipotentes. La matrice A−I3=E12+E23A-I_3=E_{12}+E_{23} est nilpotente d’indice 33. Pour BB, on pose N=B−I3N=B-I_3 et l’on calcule
N=(000100−1−10),N2=(000000−100),N3=0.N=\begin{pmatrix}0&0&0\\1&0&0\\-1&-1&0\end{pmatrix},\qquad N^{2}=\begin{pmatrix}0&0&0\\0&0&0\\-1&0&0\end{pmatrix},\qquad N^{3}=0 .Enfin le produit vaut
AB=(210001−1−11),C:=AB−I3=(1100−11−1−10),AB=\begin{pmatrix}2&1&0\\0&0&1\\-1&-1&1\end{pmatrix},\qquad C:=AB-I_3=\begin{pmatrix}1&1&0\\0&-1&1\\-1&-1&0\end{pmatrix},et l’on vérifie
C2=(101−10−1−10−1),C3=0.C^{2}=\begin{pmatrix}1&0&1\\-1&0&-1\\-1&0&-1\end{pmatrix},\qquad C^{3}=0 .Donc Sp(A)=Sp(B)=Sp(AB)={1}\mathrm{Sp}(A)=\mathrm{Sp}(B)=\mathrm{Sp}(AB)=\{1\}.

Il n’y a pas de vecteur propre commun. Comme Sp(A)={1}\mathrm{Sp}(A)=\{1\}, les vecteurs propres de AA sont exactement les éléments non nuls de ker⁡(A−I3)\ker(A-I_3), et
ker⁡(A−I3)={v:v2=v3=0}=C e1.\ker(A-I_3)=\{v : v_2=v_3=0\}=\mathbb{C}\,e_1 .De même, ker⁡(B−I3)\ker(B-I_3) est donné par les équations v1=0v_1=0 et −v1−v2=0-v_1-v_2=0, soit
ker⁡(B−I3)=C e3.\ker(B-I_3)=\mathbb{C}\,e_3 .Ces deux droites sont distinctes : AA et BB n’ont aucun vecteur propre commun.

Conclusion. Si AA et BB étaient trigonalisables dans une même base (f1,f2,f3)(f_1,f_2,f_3), le vecteur f1f_1 serait propre pour les deux. C’est impossible, donc AA et BB ne sont pas cotrigonalisables. ■\blacksquare

En dimension 2, la réponse est positive

Soient A=I2+NA=I_2+N et B=I2+MB=I_2+M unipotentes, avec N,MN,M nilpotentes donc de rang ⩽1\leqslant 1 et de carré nul. Comme det⁡(AB)=1\det(AB)=1, dire que ABAB est unipotente revient à dire que tr⁡(AB)=2\operatorname{tr}(AB)=2, c’est-à-dire
tr⁡(AB)=tr⁡(I2+N+M+NM)=2+tr⁡(NM)=2 ⟺ tr⁡(NM)=0.\operatorname{tr}(AB)=\operatorname{tr}(I_2+N+M+NM)=2+\operatorname{tr}(NM)=2\ \Longleftrightarrow\ \operatorname{tr}(NM)=0 .Écartons les cas triviaux N=0N=0 ou M=0M=0, et écrivons N=uvTN=uv^{\mathsf T} avec vTu=0v^{\mathsf T}u=0, M=xyTM=xy^{\mathsf T} avec yTx=0y^{\mathsf T}x=0. Alors
tr⁡(NM)=tr⁡(uvTxyT)=(vTx)(yTu)=0.\operatorname{tr}(NM)=\operatorname{tr}\bigl(uv^{\mathsf T}xy^{\mathsf T}\bigr)=(v^{\mathsf T}x)(y^{\mathsf T}u)=0 .Si vTx=0v^{\mathsf T}x=0, alors xx appartient à la droite ker⁡vT\ker v^{\mathsf T}, qui contient déjà uu : donc x∈Cux\in\mathbb{C}u, et Au=uAu=u, Bu=u+x(yTu)∈CuBu=u+x(y^{\mathsf T}u)\in\mathbb{C}u. Le vecteur uu engendre une droite stable par AA et BB. Si yTu=0y^{\mathsf T}u=0, on échange les rôles. Dans les deux cas la droite obtenue fournit le premier vecteur d’une base de cotrigonalisation, la dimension restante valant 11. □\square

Remarques
  • Ce qui manque : le théorème de Kolchin. Si tout élément du semi-groupe engendré par AA et BB est unipotent, alors la famille est cotrigonalisable. L’hypothèse de l’exercice ne porte que sur trois mots, ce qui est trop faible. Dans le contre-exemple, on vérifie que A2B=(211−1−12−1−11)A^{2}B=\begin{pmatrix}2&1&1\\-1&-1&2\\-1&-1&1\end{pmatrix} est de trace 2≠32\neq 3 : elle n’est pas unipotente, conformément à Kolchin.
  • Critère exact. Le théorème de McCoy caractérise la cotrigonalisabilité d’une paire : AA et BB sont trigonalisables dans une même base si et seulement si p(A,B) (AB−BA)p(A,B)\,(AB-BA) est nilpotente pour tout polynôme pp en deux indéterminées non commutatives. Un seul mot ne suffit jamais.
  • Un cas favorable. Si l’une des deux matrices vérifie rg⁡(A−In)⩽1\operatorname{rg}(A-I_n)\leqslant 1, la conclusion redevient vraie en toute dimension : les hyperplans ker⁡(A−In)\ker(A-I_n) et ker⁡(B−In)\ker(B-I_n) sont alors de codimension 11 et ⩽n−1\leqslant n-1, et un argument de dimension fournit un vecteur propre commun, puis on récurre sur le quotient. C’est ce qui explique que les perturbations de rang 11 ne produisent pas de contre-exemple.
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