crochet de Lie et projecteurs

Crochet de Lie et projections vectorielles

Dans tout le problème :
– {n} est un entier naturel non nul.
– {\mathcal M_n(\mathbb K)} est l’ensemble des matrices carrées d’ordre {n} à coefficients dans {\mathbb K}.
On notera {A=(a_{i,j})} pour exprimer que {A} est une matrice dont le coefficient situé à l’intersection de la ligne {i} et de la colonne {j} est {a_{i,j}}. On pourra également noter {a_{i,j}=[A]_{i,j}}.
– {E} est un espace vectoriel sur {\mathbb K} ({\mathbb R} ou {\mathbb C}) de dimension finie {n}.
– {\mathcal L(E)} désigne l’ensemble des endomorphismes de {E}.
Pour tous éléments {f,g} de {\mathcal L(E)}, on note {[f,g]=f\circ g-g\circ f}.
– {\mathcal P_E} désigne l’ensemble des projecteurs (projections vectorielles) de {E}.

Première partie

On rappelle que si {A=(a_{i,j})} est un élément de {\mathcal M_n(\mathbb K)}, la « trace de {A} » est {\operatorname{tr}(A)=\sum\limits_{i=1}^n a_{ii}}.

1. Montrer que si {A} et {B} sont dans {\mathcal M_n(\mathbb K)}, alors {\operatorname{tr}(AB)=\operatorname{tr}(BA)}.
2. Montrer que si {A} et {B} sont semblables dans {\mathcal M_n(\mathbb K)}, alors {\operatorname{tr}(A)=\operatorname{tr}(B)}.
3. Justifier comment et pourquoi on peut définir la trace d’un endomorphisme de {E}.
4. Montrer si {p} est dans {\mathcal P_E}, alors {\operatorname{tr}(p)} est égale au rang de {p}.

Deuxième partie

1. Rappeler pourquoi il est possible de définir la trace d’un endomorphisme de {E}.
2. Rappeler pourquoi la trace d’un projecteur est égale à son rang.
3. Soient {p} dans {\mathcal P_E}, et {f} dans {\mathcal L(E)} tels que {[p,f]=\alpha p}, avec {\alpha\ne0}.
Montrer que {p} est l’application nulle.
4. Sur l’ensemble {\mathcal P_E}, on pose {p\mathcal Rq\Longleftrightarrow p\circ q=q\circ p=p}.
Montrer que {\mathcal R} est une relation d’ordre sur {\mathcal P_E} (c’est-à-dire qu’elle est réflexive, transitive et antisymétrique).

5. Dans cette question, on suppose que {E=\mathbb K^4}. On pose :
{A=\frac13\left(\begin{array}{rrrr}2&1&-2&0\\[4pt]0&3&0&0\\[4pt]-1&1&1&0\\[4pt]0&0&0&0\end{array}\right).}Soit {p} dans {\mathcal L(E)}, de matrice {A} dans la base canonique.

5. (a) Montrer que {p} est un projecteur de {E}.
Préciser une base {(\varepsilon')} de l’image de {p}, et une base {(\varepsilon'')} du noyau de {p}.
On note alors {(\varepsilon)} la base de {E} obtenue par juxtaposition de {(\varepsilon')} et de {(\varepsilon'')}.
5. (b) Caractériser par leur matrice dans {(\varepsilon)} les {f} de {\mathcal L(E)} tels que {[p,f]=0}.
Interpréter le résultat obtenu en termes de stabilité.
5. (c) Caractériser par leur matrice dans {(\varepsilon)} les projecteurs {q} de {E} tels que {p\mathcal Rq}.
6. Soit {p} un élément quelconque de {\mathcal P_E}, et soit {f} un élément de {\mathcal L(E)}.
Montrer que {[p,f]=0} si et seulement si {\operatorname{Im}p} et {\operatorname{Ker}p} sont stables par {f}.

7. Soient {p,q} deux projecteurs de {E} tels que {[p,q]=0}.

7. (a) Montrer que {p\circ q} et {p+q-p\circ q} sont dans {\mathcal P_E}.
7. (b) Montrer que, au sens de la relation d’ordre {\mathcal R} sur {\mathcal P_E} :
– Le projecteur {p\circ q} est le plus grand des minorants de {p} et {q}.
– Le projecteur {p+q-p\circ q} est le plus petit des majorants de {p} et {q}.

Troisième partie

Dans cette partie, on se donne {f,g} dans {\mathcal L(E)} tels que {[f,g]=\alpha f+\beta g}, avec {\alpha,\beta} dans {\mathbb K}.

1. Dans cette question, on suppose {\alpha\ne0} et {\beta=0}. Ainsi {[f,g]=\alpha f}, avec {\alpha\ne0}.

1. (a) Montrer que pour tout {k} de {\mathbb N} on a : {[f^k,g]=\alpha kf^k}.
1. (b) On suppose que {f^m\ne0}, avec {m\geq0}.
Montrer alors que les applications {\operatorname{Id}_E,f,f^2,\ldots,f^m} sont libres dans {\mathcal L(E)}.
1. (c) Déduire de ce qui précède que l’endomorphisme {f} est nilpotent.

2. Dans cette question, on suppose que {f,g} sont deux éléments distincts de {\mathcal P_E}.
On suppose également que {\alpha} n’est ni égal à {0}, ni égal à {1}.

2. (a) Montrer que {2\alpha g\circ f+\beta(1+\alpha)g=\alpha(1-\alpha)f}.
2. (b) En déduire {\operatorname{Im}f\subset\operatorname{Im}g}, puis {g\circ f=f}.
2. (c) On suppose {f\ne0}. Montrer que {\alpha=-1}, {\beta=1} et {\operatorname{Im}f=\operatorname{Im}g}.
2. (d) Réciproquement, montrer que si {p,q} sont deux projecteurs tels que {\left\{\begin{array}{l}\operatorname{Im}q\subset\operatorname{Im}p\\[4pt]q\circ p=p\end{array}\right.}, alors on a l’égalité {[p,q]=q-p}.
2. (e) On reprend les notations de la question I.4.
Caractériser par leur matrice dans {(\varepsilon)} les {q} de {\mathcal P_E} tels que {[p,q]=q-p}.

3. Dans cette question, on suppose que {f,g} sont distincts de {\mathcal P_E}, avec {f\ne0}.
On suppose également que {\alpha} n’est ni égal à {0}, ni égal à {-1}.

3. (a) Montrer que : {\operatorname{Ker}g\subset\operatorname{Ker}f}, {f\circ g=f}, {\alpha+\beta=0}, {\alpha=1}, {\operatorname{Ker}f\subset\operatorname{Ker}g}.
3. (b) Réciproquement, montrer que si {p,q} sont deux projecteurs tels que {\left\{\begin{array}{l}\operatorname{Ker}p\subset\operatorname{Ker}q\\[4pt]p\circ q=p\end{array}\right.}, alors on a l’égalité {[p,q]=p-q}.
3. (c) On reprend les notations de la question I.4.
Caractériser par leur matrice dans {(\varepsilon)} les {q} de {\mathcal P_E} tels que {[p,q]=p-q}.