[http://mp.cpgedupuydelome.fr] édité le 24 septembre 2016 Enoncés 1
Isomorphisme induit
Exercice 1 [ 02909 ] [Correction]
Soient Eun espace vectoriel, F1et F2deux sous-espaces vectoriels de E.
(a) Montrer que si F1et F2ont un supplémentaire commun alors ils sont isomorphes.
(b) Montrer que la réciproque est fausse.
Exercice 2 [ 00199 ] [Correction]
Soit f∈ L(E) tel que f2=0 avec Eun K-espace vectoriel de dimension finie
Montrer que
g∈ L(E),fg+gf=IdEIm f=ker f
Exercice 3 [ 00503 ] [Correction]
[Factorisation par un endomorphisme] Soient Eun K-espace vectoriel de dimension finie
et f,g∈ L(E).
Montrer
Im gIm f⇒ ∃h∈ L(E),g=fh
Exercice 4 [ 00202 ] [Correction]
[Factorisation par un endomorphisme] Soient Eun K-espace vectoriel de dimension finie
et f,g∈ L(E). Montrer
ker fker g⇒ ∃h∈ L(E),g=hf
Exercice 5 [ 00185 ] [Correction]
Soient Eun K-espace vectoriel de dimension finie et u,v∈ L(E).
Résoudre l’équation uf=vd’inconnue f∈ L(E).
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Corrections
Exercice 1 : [énoncé]
(a) Supposons que Hest un supplémentaire commun à F1et F2.
Considérons la projection psur F1parallèlement à H. Par le théorème du rang, p
induit par restriction un isomorphisme de tout supplémentaire de noyau vers l’image
de p. On en déduit que F1et F2sont isomorphes.
(b) En dimension finie, la réciproque est vraie car l’isomorphisme entraîne l’égalité des
dimensions des espaces et on peut alors montrer l’existence d’un supplémentaire
commun (voir l’exercice d’identifiant 181)
C’est en dimension infinie que nous allons construire un contre-exemple.
Posons E=K[X] et prenons F1=E,F2=X.E. Les espaces F1et F2sont
isomorphes via l’application P(X)7→ XP(X). Ils ne possèdent pas de
supplémentaires communs car seul {0}est supplémentaire de F1et cet espace n’est
pas supplémentaire de F2.
Exercice 2 : [énoncé]
Notons que Im fker fcar on suppose f2=0.
(=) Si xker falors x=(fg)(x)+0Im fdonc Im f=ker f.
(=) Soient Fun supplémentaire de Im f=ker fdans E. Par le théorème du rang
dim F=ndim ker f=dim Im f
L’application h=f|F:FIm fest un isomorphisme car elle est linéaire entre deux
espaces de dimensions finies égales et injective car ker h=Fker f={0E}.
Soit g∈ L(E) déterminé par
g|Im f=h1et g|F=0
On a
xIm f,(fg+gf)(x)=(fg)(x)=(fh1)(x)=x
car f2=0.
et
xF,(fg+gf)(x)=(gf)(x)=h1(f(x)) =x
car g|F=0.
On en déduit fg+gf=IdE.
Exercice 3 : [énoncé]
(=) ok
(=) Supposons Im gIm f. Soit Hun supplémentaire de ker fdans E.fréalise un
isomorphisme ϕde Hvers Im f.
Posons h=ϕ1g. L’application hest bien définie car gest à valeurs dans Im gIm fet
ϕ1est définie sur Im f. De plus, hest linéaire par composition et
fh=fϕ1g
Puisque ϕ1prend ses valeurs dans H,fϕ1=ϕϕ1=IdIm fpuis
fh=IdIm fg=g
Exercice 4 : [énoncé]
(=) ok
(=) Supposons ker fker g. Soit Hun supplémentaire de ker fdans E.fréalise un
isomorphisme de Hvers Im fnoté fH. Soient Kun supplémentaire de Im fdans Eet
h∈ L(E) déterminé par
hIm f=gf1
Het hK=0
(ou n’importe quelle autre application linéaire).
Pour tout xker f,
g(x)=0=(hf)(x)
et pour tout xH,
(hf)(x)=h(fH(x)) =g(f1
H(fH(x))) =g(x)
Les applications get hfcoïncidant sur deux sous-espaces vectoriels supplémentaires,
elles sont égales.
Exercice 5 : [énoncé]
Si Im v1Im u, il n’y a pas de solution.
Supposons Im vIm u. Soit Hun supplémentaire de ker udans E.u|Hréalise un
isomorphisme de Hvers Im u. Tout f∈ L(E) s’écrit de manière unique f=f1+f2avec
f1=pHfet f2=pker uf.
uf=vuf1=vu|Hf1=vf1=(u|H)1v.
Les solutions de l’équation sont les f=(u|H)1v+f2avec f2∈ L(E,ker u) quelconque.
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