EPFL
Algèbre linéaire
1ère année
2008-2009
Corrigé de la série 2
Correction exercice 1
1. Soit (Vi)iIune famille de sous-espaces vectoriels de V.
Etant donné que iI, ~
0Vi, on a ~
0∈ ∩iIVi.
Soient ~x et ~y deux éléments de iIVi. On a iI(~x Viet ~y Vi). Comme Viest
un sous-espace vectoriel de V, on a : iI, ~x +~y Vi. Par conséquent ~x+~y ∈ ∩iIVi.
Soit λFet ~x un élément de iIVi. On a : iI, ~x Vi. Comme Viest un
sous-espace vectoriel de V,ona:iI, λ~x Vi. Par conséquent, λ~x ∈ ∩iIVi.
2. L’espace vectoriel {~
0}étant un sous-espace vectoriel de V, on a que l’intersection de tous
les sous-espaces vectoriels d’un espace vectoriel Vest {~
0}.
Correction exercice 2
1. E1est un sous-espace vectoriel de R3. En effet :
(a) (0,0,0) E1.
(b) Soient (x, y, z)et (x0, y0, z0)deux éléments de E1. On a x+y+z= 0 et x0+y0+z0= 0.
Donc (x+x0)+(y+y0)+(z+z0) = 0 et (x, y, z)+(x0, y0, z0)appartient à E1.
(c) Soient λRet (x, y, z)E1. Alors la relation x+y+z= 0 implique que λx +
λy +λz = 0 donc que λ(x, y, z)appartient à E1.
2. E2n’est pas un sous-espace vectoriel de R3car (0,0,0) /E2.
3. E3est un sous-espace vectoriel de R3. Il s’agit de l’intersection des espaces vectoriels E1
et F1={(x, y, z)R3|x+yz= 0}(On laisse le soin au lecteur de montrer que F1
est un sous-espace vectoriel de R3). Cette intersection est bien un espace vectoriel d’après
l’exercice 1.
4. E4={(x, y, z)R3;x2z2= 0}c’est à dire E4={(x, y, z)R3;x=zou x=
z}. Donc (1,0,1) et (1,0,1) appartiennent à E4mais (1,0,1) + (1,0,1) = (2,0,0)
n’appartient pas à E4qui n’est, par conséquent, pas un sous-espace vectoriel de R3.
5. Les vecteurs (1,0,0) et (0,0,1) appartiennent à E5mais leur somme (1,0,1) ne lui ap-
partient pas, donc E5n’est pas un sous-espace vectoriel de R3.
Correction exercice 3
Pour montrer le sens direct, on suppose que FGest un sous-espace de Eet F6⊂ G. Cela
veut dire qu’il existe ~
fFtel que ~
f6∈ G. Soit ~g G. Puisque FGest un sous-espace
de E,~
f+~g FG. Par conséquent, soit ~
f+~g F, soit ~
f+~g G. Si ~
f+~g G, alors
(~
f+~g)+(~g) = ~
fG, contradiction. On en déduit que ~
f+~g F, d’où ~g = (~
f)+(~
f+~g)F.
Par conséquent, GF.
Réciproquement, si FG, alors FG=Gest un sous-espace de E. De même si GF.
1
Correction exercice 4
1. On a, d’une part, FGFet FHF, d’où (FG) + (FH)F. D’autre
part, FGGet FHHd’où (FG)+(FH)G+H. On en déduit que :
(FG)+(FH)F(G+H).
2. Puisque Get Hjouent des rôles symétriques, on peut supposer que GF. Soit ~x
F(G+H). Alors, ~x Fet il existe ~g Get ~
hHtels que ~x =~g +~
h. On en déduit
que ~
h=~x ~g Fcar ~x Fet ~g GF. Puisque ~x =~g +~
h~g G=FGet
~
hFHon obtient que F(G+H)(FG)+(FH).
On déduit l’égalité des deux espaces vectoriels grâce au premier point.
3. Prenons, par exemple, E=R2,F={(α, 0) R2|αR},G={(0, β)R2|βR}et
H={(λ, λ)R2|λR}.
On a FG={(0,0)}et FH={(0,0)}, d’où (FG) + (FH) = {0}. Etant donné
que G+H=Eon obtient F(G+H) = F6={0}.
Correction exercice 5
1. Montrons que U1est un sous-espace vectoriel de V. Soient f, g U1et αE. Soit
xEarbitraire. Alors (f+g)(x) = f(x) + g(x) = f(x) + g(x)=(f+g)(x). Donc
(f+g)U1. De plus, (αf)(x) = α·f(x) = α·f(x)=(αf)(x), et donc αf U1.
Alors U1est un sous-espace vectoriel. De façon similaire, nous montrons que U2est un
sous-espace vectoriel de V.
2. En considérant quelques exemples concrets, on se rend bientôt compte que la somme U1+
U2contient assez beaucoup d’éléments. Comme tout polynôme est la somme d’un polynôme
pair et d’un polynôme impair, on voit par exemple que U1+U2contient tous les polynômes.
On est donc mené à soupçonner que U1+U2=V.
Vérifions les deux inclusions. Par définition, U1+U2est un sous-ensemble, même un
sous-espace vectoriel, de V. Pour montrer que VU1+U2, prenons fV. Définissons
f1, f2EEpar f1(x) = 1
2f(x) + f(x)et f2(x) = 1
2f(x)f(x)pour tout
xE, respectivement. Alors f1(x) = 1
2f(x) + f(x)) = 1
2f(x) + f(x)) = f1(x)et
f2(x) = 1
2f(x)f(x)=1
2f(x) + f(x)=f2(x)pour xEarbitraire. Donc
f1U1et f2U2. Or, (f1+f2)(x) = 1
2f(x) + f(x) + f(x)f(x)=f(x)pour tout
xE, et alors f1+f2=f. Nous avons donc réussi à écrire n’importe quel élément fde
Vcomme une somme d’un élément de U1et d’un élément de U2. Par conséquent, nous
avons prouvé que VU1+U2.
En résumé, nous avons démontré que U1+U2=V.
3. Pour répondre à cette question, il nous faut calculer U1U2. Soit fU1U2et xE.
Alors f(x) = f(x)comme fU1et f(x) = f(x)comme fU2. Cela nous donne
que f(x) = f(x)et donc que 2f(x) = 0. Alors on a forcément f(x)=0pour tout xE
et donc f= 0. Comme 0est clairement un élément de U1U2, nous avons trouvé que
U1U2={0}. Par définition, U1et U2sont donc en somme directe.
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