MPSI 2 3 DL 07
Corrig´e.
Q1 Attention `a la traduction de l’hypoth`ese. Elle s’´ecrit :
∀x∈E,∃λx∈Rtel que u(x) = λx.x
L’ordre des quantificateurs est important ! La difficult´e est de montrer que λxest en fait un scalaire ind´ependant
de x. Voyons deux d´emonstrations. La premi`ere est valable en dimension finie et utilise le calcul matriciel, alors
que la deuxi`eme est valable en dimension infinie.
Consid´erons une base ede l’espace Eet notons Ala matrice de l’endomorphisme udans cette base. L’hypoth`ese
donne matriciellement :
∀X∈Mn1(R),∃λX∈Rtq AX =λX.X
En particulier pour k∈[[1,n]], en posant Xk= ((δik))1≤i≤n, il existe λk∈Rtel que AXk=λkXk. On en tire
que pour i6=k,aik = 0 et que akk =λk. Donc la matrice Adoit ˆetre diagonale A= Diag(λ1;...;λn). Mais
alors en prenant pour (k,l)∈[[1,n]]2,Xkl la matrice colonne avec un 1 aux lignes ket let des z´eros ailleurs, on
montre que λk=λl. Par cons´equent, la matrice Aest scalaire et alors l’endomorphisme uest une homoth´etie.
Pour la deuxi`eme d´emonstration, introduisons l’application
λ:E−→ R
x7→ λx
d´efinie `a partir de l’hypoth`ese. Il s’agit de montrer que cette application est constante.
Soit deux vecteurs non-nuls (x,y). Montrons que λx=λyen ´etudiant les deux cas possibles :
1. Le syst`eme (x,y) est libre. Comme
u(x+y) = λx+y.(x+y) = λx.x +λy.y
on obtient que
(λx+y−λx).x + (λx+y−λy).y = 0
et comme le syst`eme (x,y) est libre, il vient que
λx=λx+y=λy
2. Le syst`eme (x,y) est li´e. Alors il existe α∈Rtel que y=α.x (on a suppos´e que x6= 0). Alors
u(y) = λy.y = (αλy).x =u(α.x) = αu(x) = αλx.x
comme on a suppos´e que x6= 0, on en tire que α(λy−λx) = 0 et par cons´equent, puisque y6= 0, que
λx=λy.
Donc, lorsque x6= 0 et y6= 0, on a montr´e que λx=λy. D´efinissons le scalaire λqui vaut cette constante λx
qui est ind´ependante du vecteur xnon-nul. Pour le vecteur nul, on a encore u(0) = 0 = λ.0 et par cons´equent,
∀x∈E,u(x) = λ.x. Donc u=λ. id.
Q2 Il est clair que Im(T r) = R. En effet, si λ∈R, en posant Ala matrice avec a11 =λet tous les autres coefficients
nuls, on a bien Tr(A) = λ.
Alors, d’apr`es la formule du rang, on tire que dim(Ker(T r))=n2−1. En d’autres termes, Ker(T r) est un
hyperplan de l’espace des matrices Mn(R).
Q3 a) En d´ecomposant la matrice Bsur la base canonique de Mn(R), on trouve que
BEkl =
n
X
i=1
n
X
j=1
bijEij Ekl
=
n
X
i=1
n
X
j=1
bijδjk Eil
=
n
X
i=1
bikEil