Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Linear algebraReviewed

Une caractérisation de la nilpotence

by Cypress·
35
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This score reflects both the level of the required concepts and the difficulty of the solution.Ce score tient compte à la fois du niveau des notions nécessaires et de la difficulté de la résolution.

  1. 110First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 1125Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 2650Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 5170Advanced / graduateAvancé / master
  5. 7190Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91100Research levelNiveau recherche
These levels are approximate guides.Ces niveaux sont des repères approximatifs.
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Soit AMn(C)A \in M_{n}(\mathbb{C}) telle que pour tout 1kn1\leq k\leq n,
Tr(Ak)=0.\mathrm{Tr}(A^{k})=0.Montrer que AA est nilpotente.

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Solution by Cypress

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On commence par trigonaliser A dans Mn(C)M_{n}({\mathbb{C}}). Alors A ~
(λ10λ200λn){\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
(λ1λ2λnλ12λ22λn2λ1nλ2nλnn)Λ.(m1m2mn)=(000)\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..λn1i<jn(λjλi)\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,ijλiλj et iN,λi0\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 : iN,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.}

Solution by beignet62

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On se propose une méthode exotique passant par les fractions rationnelles.

Premieˋre partie : Montrons que, pour tout kN, Tr(Ak)=0.\boxed{\text{Première partie : Montrons que, pour tout } k\in\mathbb{N}^*,\ \operatorname{Tr}(A^k)=0.}

Notons
uk=Tr(Ak).u_k=\operatorname{Tr}(A^k).

Par le théorème de Cayley-Hamilton, il existe
c0,,cn1Rc_0,\ldots,c_{n-1}\in\mathbb{R}tels que
An+cn1An1++c0In=0.A^n+c_{n-1}A^{n-1}+\cdots+c_0I_n=0.

En multipliant cette égalité par AkA^k, puis en prenant la trace, on obtient
uk+n+cn1uk+n1++c0uk=0.u_{k+n}+c_{n-1}u_{k+n-1}+\cdots+c_0u_k=0.

Ainsi, la suite (uk)(u_k) vérifie une équation de récurrence linéaire.

Or, par hypothèse,
u1==un=0.u_1=\cdots=u_n=0.

Une simple récurrence montre alors que
k1,uk=0.\boxed{\forall k\geq 1,\quad u_k=0.}

Deuxieˋme partie : Utilisation d’une fraction rationnelle\boxed{\text{Deuxième partie : Utilisation d'une fraction rationnelle}}

On note
λ1,,λn\lambda_1,\ldots,\lambda_nles valeurs propres de AA, comptées avec multiplicité.

Supposons, par l’absurde, que AA ne soit pas nilpotente. Alors l’une de ses valeurs propres est non nulle.

On choisit i0i_0 tel que
λi0=max1inλi.|\lambda_{i_0}|=\max_{1\leq i\leq n}|\lambda_i|.

On considère alors la série entière
F(X)=k=1+ukXk,F(X)=\sum_{k=1}^{+\infty}u_kX^k,pour
X<1λi0.|X|<\frac{1}{|\lambda_{i_0}|}.

D’une part, puisque
uk=0k1,u_k=0\qquad\forall k\geq1,on a
F(X)=0.\boxed{F(X)=0.}

D’autre part, les valeurs propres de AkA^k étant
λ1k,,λnk,\lambda_1^k,\ldots,\lambda_n^k,on a
uk=Tr(Ak)=i=1nλik.u_k=\operatorname{Tr}(A^k) =\sum_{i=1}^n\lambda_i^k.

Ainsi,
F(X)=k=1+(i=1nλik)Xk.F(X) =\sum_{k=1}^{+\infty} \left(\sum_{i=1}^n\lambda_i^k\right)X^k.

Comme la série converge absolument pour
X<1λi0,|X|<\frac{1}{|\lambda_{i_0}|},on peut permuter les deux sommes :
F(X)=i=1nk=1+(λiX)k.F(X) =\sum_{i=1}^n\sum_{k=1}^{+\infty}(\lambda_iX)^k.

On reconnaît alors une somme géométrique :
F(X)=i=1nλiX1λiX.F(X) =\sum_{i=1}^n \frac{\lambda_iX}{1-\lambda_iX}.

On obtient donc une fraction rationnelle qui possède un pôle en
X=1λi0,X=\frac{1}{\lambda_{i_0}},puisque λi00\lambda_{i_0}\neq0.

On a ainsi obtenu simultanément
F(X)=0F(X)=0et une expression rationnelle possédant au moins un pôle.

C’est une absurdité.

Par conséquent,
A est nilpotente.\boxed{A\text{ est nilpotente}.}

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