PCSI 2 Préparation des Khôlles 2013-2014
Chapitre 17 : Applications linéaires
Exercice type 1
Montrer que f:
R
3
R
3
x
y
z
−
x+y+z
yz
x+ 2z
est linéaire, déterminer ker (f)et Im (f).
Déterminer f(F)F=x, y, z ,x+ 2z= 0

Solution
: Méthode de base :Soient u=
x
y
z
,v=
x
y
z
deux vecteurs de R
3
et αR
2
f(αu +v) = f
αx +x
αy +y
αz +z
=
(αx +x
) + (αy +y
) + (αz +z
)
(αy +y
)(αz +z
)
(αx +x
) + 2 (αz +z
)
=
α(x+y+z) + (x
+y
+z
)
α(yz) + (y
z
)
α(x+ 2z) + (x
+ 2z
)
=αf (u) + f(v)
ainsi fest linéaire.
Méthode avec les matrices : On pose M=
1 1 1
0 1 1
1 0 2
,ainsi f
x
y
z
=M
x
y
z
=MX X=
x
y
z
. Si
X
=
x
y
z
,alors M(λX +X
) = λMX +MX
ce qui prouve la linéarité.
Déterminons ker f.
u=
x
y
z
ker (f)
x+y+z
yz
x+ 2z
=
0
0
0
x+y+z= 0
yz= 0
x+ 2z= 0
x=2z
y=z
donc ker (f) =
x
y
z
, x =2z, y =z
= Vect
2
1
1
est une droite vectorielle.
Déterminons Im f. On a
v=
a
b
c
Im (f)⇔ ∃u=
x
y
z
, v =f(u)
x+y+z=a
yz=b
x+ 2z=c
x=ab2z
y=z+b
0 = b+ca
ainsi va un antécédant si et seulement si b+ca= 0. On peut donc affirmer que Im (f) =
a
b
c
, b +ca= 0
=
Vect
1
1
0
,
1
0
1
est un plan.
Pour finir, Fest un bien un sous-espace vectoriel de R
3
car F= Vect
2
0
1
,
0
1
0
.
Ainsi f(F) = Vect
f
2
0
1
, f
0
1
0
= Vect
1
1
0
,
1
1
0
= Vect
1
1
0
est une droite.
—1/8—
G H
PCSI 2 Préparation des Khôlles 2013-2014
Exercice type 2
Soit A=11
11et f:
M
2
(R)→ M
2
(R)
M−AM . Montrer que f L (M
2
(R)) déterminer ker f,Im f. Déterminer
f
2
,que pensez-vous du résultat ?

Solution
: Soient (M, N )∈ M
2
(R)
2
et λRalors f(λM +N) = A(λM +N) = λAM +AN =λf (M) + f(N).
Ainsi fest bien linéaire et est à valeurs dans M
2
(R)donc f L (M
2
(R)).
Si M=a b
c d ,on a AM =ac b d
ac b d. Ainsi Mker fac= 0
bd= 0 M=a b
a b =
a1 0
1 0 +b0 1
0 1 . On a donc
ker f= Vect  1 0
1 0 ,0 1
0 1 
Pour Im f, N =α β
γ δ Im f⇒ ∃M=a b
c d tel que AM +ac b d
ac b d=α β
γ δ . On obtient le
système
ac=α
bd=β
ac=γ
bd=δ
a=α+c
b=β+d
α=γ
β=δ
Il admet des solutions si et seulement si α=γet β=δdonc si et seulement si N=α β
α β =α1 0
1 0 +
β0 1
0 1 . On a donc Im f= Vect  1 0
1 0 ,0 1
0 1 = ker fCeci est immédiat car Im fker f(voir exo type
suivant).
Exercice type 3
Soit Eun Kev,et (f, g)∈ L(E)
2
, montrer que : gf= 0 Im(f)ker(g).

Solution
: On travaille par double implication.
=: Hypothèse : gf= 0. On désire prouver que Im fker g.
Soit yIm f. Par définition de l’espace image, xEtel que y=f(x). Puisque gf= 0, on a g(f(x)) =
0, soit
f(x) = yker g. Ainsi yIm f=yker g. Ceci prouve bien que Im fker g.
=: Hypothèse : Im fker g. Soit xEalors f(x)Im fd’où f(x)ker g, ainsi g(f(x)) =
0. On a donc xE,
g(f(x)) =
0, ce qui signifie que gf= 0.
Exercice type 4
Edésigne ici un R-espace vectoriel, et fun endomorphisme de Evérifiant l’égalité : f
2
2f3I= 0,f
2
=ffet
Idésigne l’application identité de E(I=Id
E
). On note get hles éléments de L(E)définie par g=f3Iet h=f+I.
Déterminer ghet hg. Montrer que ker gker h=E. Montrer que fest un automorphisme et calculer f
1
.

Solution
: Dans L(E), on a
gh= (f3I)(f+I) = ff3If+fI3II=f
2
2f3I= 0
hg= (f+I)(f3I) = ff+If3fI3II=f
2
2f3I= 0
Montrons ensuite que ker gker h=E.
La somme est directe : Soit
xker gker h, alors
g(
x) =
0et h(
x) =
0
—2/8—
G H
PCSI 2 Préparation des Khôlles 2013-2014
Or g(
x) = f(
x)3
x=
0 =f(
x) = 3
xet h(
x) = f(
x)+
x=
0 =f(
x) =
x , d’où 3
x=
x=
x=
0.
La somme remplit l’espace : Soit
xE, on cherche à décomposer
xsous la forme
x=
a+
bavec
aker get
bker h
Or on a vu que gh= 0 et hg= 0 d’où Im hker get Im gker h. Ceci permet de construire des éléments de ker g
et ker h, en effet
g(
x) = f(
x)3
xker het h(
x) = f(
x) +
xker g
Mais
x=(f(
x) +
x)(f(
x)3
x)
4=h(
x)
4g(
x)
4
On pose donc
a=h(
x)
4ker g( car ker gest un sous-espace vectoriel qui contient h(
x)) et
b=g(
x)
4ker h.
Pour finir, on a ff2I
3=f2I
3f=Id’où fest un automorphisme et f
1
=f2I
3.
Exercice 1
Dans l’exercice type , E désigne ici un R-espace vectoriel, et fun endomorphisme de Evérifiant l’égalité :
f
2
2f3I= 0. On note get hles éléments de L(E)définie par g=f3Iet h=f+I,G= ker get H= ker h
alors, on a montré que GH=E.
1. Soit pla projection sur Gde direction Het q=Ip, justifier que f= 3pq.
2. Exprimer, pour n1,f
n
uniquement à l’aide de pet de q.

Solution
:
1. On a montré que
xE,
x=f(
x) +
x
4
  
G
+f(
x)3
x
4
  
H
,ainsi
p(
x) = f(
x) +
x
4et q(
x) = f(
x)3
x
4
d’où
xE,f(
x) = 3p(
x)q(
x)
2. Puisque pq=qp= 0, on peut appliquer le binôme. On en déduit que , n1,
f
n
=
n
k=0
n
k(3p)
k
(q)
nk
=
n
k=0
n
k3
k
(1)
nk
×p
k
q
nk
Mais si k1et nk1, on a p
k
q
nk
=p
k1
pq

=0
q
nk1
= 0. Ainsi pour 1kn1,le terme p
k
q
nk
est nul. La somme se réduit donc à
f
n
=n
03
0
(1)
n0
×p
0
q
n0
+n
n3
n
(1)
nn
×p
n
q
nn
= (1)
n
q
n
+ 3
n
p
n
car p
0
=q
0
=Id
Enfin, puisque pp=p, par récurrence si n1, p
n
=p(c’est faux si n= 0) d’où
f
n
= 3
n
p+ (1)
n
qsi n1(encore vrai si n= 0 car p+q=Id)
—3/8—
G H
PCSI 2 Préparation des Khôlles 2013-2014
Exercice type 5
Soit ϕdéfinie sur E=R
2
[X]par ϕ(P) = X
2
X+ 1P
(2X1) P+X
2
P(1). Justifier que ϕest bien un
automorphisme de E.

Solution
: Si la linéarité de ϕne posera aucun problème, a priori, rien ne permet d’affirmer que ϕ(P)est bien dans
E, en effet si deg P=n, alors X
2
X1P
et (2X1) Psont tous les deux de degré n+ 1.
Commençons par la linéarité, (P, Q)R[X]
2
,λR, on a
X
2
X+ 1(λP +Q)
(2X1) (λP +Q) + X
2
(λP +Q) (1)
=λX
2
X+ 1P
(2X1) P+X
2
P(1)+X
2
X+ 1Q
(2X1) Q+X
2
Q(1)
=λϕ (P) + ϕ(Q)
Il suffit donc de vérifier que ϕ(1) , ϕ (X)et ϕX
2
ont bien dans R
2
[X],ainsi par linéarité, on aura ϕaX
2
+bX +c
R
2
[X]. Or, en développant, on a
ϕ(1) = X
2
2X+ 1,ϕ(X) = 1 et ϕX
2
= 2X
Pour finir, on sait que B=1, X, X
2
est une base de Eet puisque f(B) = X
2
2X+ 1,1,2Xest une base de
E(échelonnée en degré si on change l’ordre), on peut affirmer que ϕest un automorphisme de E.
Exercice 2
Soit f L (E)telle que f
3
=f
2
+f, montrer que E= ker fIm f.

Solution
: La somme est directe ker fIm f=
0:Soit
y=f(
x)Im fker f, il s’agit de prouver que
y=
0.
Pour utiliser f
3
=f
2
+f, on écrit que
f
2
(
x) + f(
x) =
y+f(
y) =
y+
0car
yker f
d’où f
3
(
x) =
y , mais
f
3
(
x) = f(f(f(
x))) = f(f(
y)) = f
0=
0
Ainsi
y=
0.
La somme remplit l’espace ker f+ Im f=E:
On sait que f
3
=f
2
+f, ainsi f
2
+ff
3
= 0 =ff+Id
E
f
2
= 0.Ceci nous fournit, pour
xE, un élément
de ker f. On a donc
xE,
ff(
x) +
xf
2
(
x)=
0
d’où
x+f(
x)f
2
(
x)ker f
Mais alors
x=
x+f(
x)f
2
(
x) + f
2
(
x)f(
x)
=
x+f(
x)f
2
(
x)
  
ker f
+f(f(
x)
x)
  
Im f
est bien la somme d’un élément de ker fet d’un élément de Im f.
Exercice 3
Soit E=R
2
[X],on note F={PE,P(1) = 0}et pour αRfixé, G
α
= Vect (Xα). Pour quelles valeurs de α
a-t-on FG
α
=E. Déterminer alors l’expression de la projection sur G
α
.
—4/8—
G H
PCSI 2 Préparation des Khôlles 2013-2014

Solution
: Soit P=a+bX +cX
2
E, on a
PFa+b+c= 0 a=bcP=b(X1) + cX
2
1
Ainsi
F= Vect (X1) ,X
2
1
Montrons alors que E=FG
α
sauf pour une valeur de α(qui est α= 1,car il est évident que dans ce cas, Vect (X1)
FG
1
=
0).
Soit P=aX
2
+bX +c, on cherche donc à décomposer Pde manière unique sous la forme
P=u(Xα)
  
G
α
+v(X1) + wX
2
1
  
F
=wX
2
+ (u+v)X(αu +v+w)
Par unicité des coefficients d’un polynôme, cela s’écrit
w=a
u+v=b
αu +v+w=c
w=a
u+v=b
αu +v=ca
Le système (d’inconnues uet v)u+v=b
+v=caa pour matrice augmentée A=1 1
α1
|b
| −ca
L
2
αL
2
1 1
0 1 α
|b
| −caαb . Si α= 1, il admet toujours une unique solution. On a donc toujours une unique décom-
position. Cela prouve que E=FG
α
.
Si α= 1, on n’a pas de somme directe car G
1
= Vect (X1) FG
1
, les deux sous espaces sont supplémentaires (et
la somme F+G
1
vaut F).
Enfin, pour obtenir la composante dans G
α
on calcule uqui vaut a+b+c
1α=P(1)
1α.Si Πest la projection sur G
α
(lorsque
α= 1) on a
Π :
R
2
[X]R
2
[X]
P(X)−P(1)
1α(Xα)
Remarque : Si PF, on a bien Π (P) = 0. Si PG
α
,P(X) = λ(Xα)et Π (P) = λ(1 α)
1α(Xα) = P.
Exercice type 6
Soit E=R
3
, F =(x, y, z)R
3
, x +yz= 0et G= Vect (
a)
a= (2,1,0). Montrer que E=FG.
Déterminer l’expression de la projection sur Fparallélement à G.

Solution
: On a F= Vect
b ,
c
b=
1
0
1
et
c=
0
1
1
. Dans R
3
,si
i ,
j ,
kest la base canonique,
alors
a ,
b ,
ca trois vecteurs et
Mat
i ,
j ,
k
a ,
b ,
c=
2 1 0
1 0 1
0 1 1
C
2
C
3
2 1 0
11 1
0 0 1
C
1
+C
2
310
01 1
001
est de rang 3
Ainsi
a ,
b ,
cest une base de R
3
donc Vect (
a)Vect
b ,
c=R
3
.
—5/8—
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