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Exercice corrigé : Suite des noyaux itérés (type Mines-Ponts)

Appliquer le théorème du rang à une restrictionExploiter une suite d'entiers croissante et majoréeMontrer une décomposition en somme directeRaisonner par l'absurde à l'aide d'invariants dimensionnels

Soit $E$ un $\mathbb{K}$-espace vectoriel de dimension $n \geq 1$ et $u \in \mathcal{L}(E)$. Pour $k \in \mathbb{N}$, on note $u^k$ la composée de $u$ par elle-même $k$ fois ($u^0 = \mathrm{id}_E$), $N_k = \operatorname{Ker} u^k$, $I_k = \operatorname{Im} u^k$ et $d_k = \dim N_k$.

  1. Montrer que $N_k \subset N_{k+1}$ et $I_{k+1} \subset I_k$ pour tout $k \in \mathbb{N}$.
  2. Soit $k \in \mathbb{N}$. Montrer que $u(I_k) = I_{k+1}$, puis, en appliquant le théorème du rang à la restriction de $u$ à $I_k$, que $$d_{k+1} - d_k = \dim(\operatorname{Ker} u \cap I_k).$$
  3. En déduire que la suite $(d_{k+1} - d_k)_{k \in \mathbb{N}}$ est décroissante.
  4. Montrer qu'il existe $p \in \{0, \dots, n\}$ tel que $d_{p+1} = d_p$, puis que $N_k = N_p$ et $I_k = I_p$ pour tout $k \geq p$.
  5. Montrer que $E = N_p \oplus I_p$.
  6. a) On suppose qu'il existe $m \in \mathbb{N}$ tel que $u^m = 0$. Montrer que $u^n = 0$. b) Existe-t-il $u \in \mathcal{L}(\mathbb{R}^5)$ tel que $\dim \operatorname{Ker} u = 1$ et $\dim \operatorname{Ker} u^2 = 3$ ?
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