Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Une caractérisation de la nilpotence

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On commence par trigonaliser A dans Mn(C)M_{n}({\mathbb{C}}). Alors A ~
(λ10λ2∗⋮⋮⋱00⋯λn){\begin{pmatrix} \lambda_{1} & && &\\ 0 & \lambda_{2}& *&& \\ \vdots & \vdots &\ddots \\ 0 & 0 & \cdots & \lambda_{n}\\ \end{pmatrix} }avec (λi)i∈[ ⁣[1,n] ⁣]) (supposeˊes)∈(C∗)N(\lambda_{i})_{i\in [\![1,n]\!]}) \text{ (supposées)} \in {(\mathbb{C}^{*})^{\mathbb{N}}} les valeurs propres comptés avec multiplicitées : (mi)i∈[ ⁣[1,n] ⁣]∈(N∗)N.(m_{i})_{i\in [\![1,n]\!]} \in (\mathbb{N^{*}})^{\mathbb{N}}. Ainsi, d’après l’énoncé, ∀k∈[ ⁣[1,n] ⁣],∑i=0nλik.mi=0⇒\forall k \in [\![1,n]\!], \sum_{i=0}^{n} \lambda_i^k.m_i=0 \Rightarrow
(λ1λ2⋯λnλ12λ22⋯λn2⋮⋮⋱⋮λ1nλ2n⋯λnn)⏟Λ.(m1m2⋮mn)=(00⋮0)\underbrace{ {\begin{pmatrix} \lambda_{1} & \lambda_{2} & \cdots & \lambda_{n}\\ \lambda_{1}^{2}& \lambda_{2}^{2} &\cdots & \lambda_{n}^{2}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\ \lambda_{1}^{n} & \lambda_{2}^{n}& \cdots & \lambda_{n}^{n}\\ \end{pmatrix} } }_{\Lambda}.{\begin{pmatrix} m_{1}\\m_{2}\\ \vdots \\m_{n} \end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}0\\0\\ \vdots\\0 \end{pmatrix}}

Donc, (mi)i∈[ ⁣[1,n] ⁣]∈ker⁡(Λ)(m_{i})_{i \in [\![1,n]\!]} \in \ker(\Lambda). Or, det⁡(Λ)=∏i=0nλi\det(\Lambda)=\prod_{i=0}^{n} \lambda_{i}.V(λ1,λ2,...,λn)⏟Vandermonde=λ1.λ2.… .λn∏1≤i<j≤n(λj−λi)\underbrace{V(\lambda_1 ,\lambda_2 ,...,\lambda_n)}_{Vandermonde} = \lambda_{1}.\lambda_{2}. \dots .\lambda_{n}\prod_{1\le i< j \le n}(\lambda_{j}-\lambda{i}). Or, par hypothèse, ∀(i,j)∈N2,i≠j⇒λi≠λj et ∀i∈N∗,λi≠0\forall (i,j) \in \mathbb{N}^{2}, i\neq j \Rightarrow \lambda_{i} \neq \lambda_{j} \text{ et } \forall i \in \mathbb{N^{*}}, \lambda_{i} \neq 0. Donc det⁡(Λ)≠0\det(\Lambda) \neq 0. Alors, (mi)i∈[ ⁣[1,n] ⁣]=0Mn,1(C)(m_i)_{i\in [\![1,n]\!]}=0_{M_{n,1}(\mathbb{C})} ce qui est absurde. Donc, au moins l’un des λi\lambda_i est nul. Puis on itère le procédé sur les n-1 valeurs propres restantes jusqu’a trouver : ∀i∈N∗,λi=0. Donc, χA(X)=Xn. Alors, par le theˊoreˋme de Cayley-Hamilton, An=0Mn(C) : A est nilpotente.\forall i \in \mathbb{N^{*}}, \lambda_{i}=0 \text{. Donc, } \chi_{A}(X)=X^{n} \text{. Alors, par le théorème de Cayley-Hamilton, } A^{n} =0_{M_{n}(\mathbb{C})} \text{ : A est nilpotente.}

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