Dans tout le problème, {E} est un espace vectoriel sur {\mathbb K} ({\mathbb R} ou {\mathbb C}).
Première partie
1. Soit {p} un projecteur de {E} et {u} un endomorphisme de {E}.
Montrer que {p} et {u} commutent si et seulement si {\ker p} et {\operatorname{Im}p} sont stables par {u}.
2. Soit {q} un projecteur de {E} et {F} un sous-espace vectoriel de {E}.
Montrer que {F} est stable par {q} si et seulement si {F=(F\cap\ker q)\oplus(F\cap\operatorname{Im}q)}.
3. Déduire de ce qui précède que deux projecteurs {p,q} commutent si et seulement si : {\begin{array}{rcl}E&=&(\ker p\cap\ker q)\oplus(\ker p\cap\operatorname{Im}q)\\[4pt]&&\oplus(\operatorname{Im}p\cap\ker q)\oplus(\operatorname{Im}p\cap\operatorname{Im}q).\end{array}}
Dans cette partie (sauf question 8), {p} et {q} sont deux projecteurs de {E} qui commutent.
On note : {\begin{array}{ll}E_1=\ker p\cap\ker q,&E_2=\ker p\cap\operatorname{Im}q,\\[4pt]E_3=\operatorname{Im}p\cap\ker q,&E_4=\operatorname{Im}p\cap\operatorname{Im}q.\end{array}}Pour {k\in\{1,2,3,4\}}, on note {\pi_k} la projection de {E} sur {E_k} parallèlement à {\bigoplus\limits_{j\ne k}E_j}.
On notera {x=x_1+x_2+x_3+x_4} la décomposition d’un vecteur {x} de {E} suivant {E=E_1\oplus E_2\oplus E_3\oplus E_4}.
1. (a) Calculer {p(x)}, {q(x)}, {p\circ q(x)} en fonction de {x_1,x_2,x_3,x_4}.
4. En déduire que : {\begin{array}{l}\forall(\alpha,\beta,\gamma,\delta)\in\mathbb K^4,\ \forall n\in\mathbb N,\\[4pt](\alpha\pi_1+\beta\pi_2+\gamma\pi_3+\delta\pi_4)^n\\[4pt]\quad=\alpha^n\pi_1+\beta^n\pi_2+\gamma^n\pi_3+\delta^n\pi_4.\end{array}}
7. (b) Déterminer dans ce cas tous les projecteurs de {E} qui sont combinaisons linéaires de {\operatorname{Id}_E,p,q}, et {p\circ q} (on en trouve {16}).