Feuille no2MM2
Applications lin´eaires
Exercice 1. Cest `a la fois un C-espace vectoriel et un R-espace vectoriel.
On consid`ere les applications suivantes :
c:CC, z 7→ ¯z,
r:CC, z 7→ Re(z),
i:CC, z 7→ Im(z).
1. L’application cest-elle C-lin´eaire, est-elle R-lin´eaire ?
2. L’application cest-elle un C-automorphisme, un R-automorphisme ?
3. Montrer que ret isont des applications R-lin´eaires.
4. Calculer les noyaux et les images de ret i.
Exercice 2. Soient Eet Fdeux espaces vectoriels. On note f∈ L(E, F )
et {ai}iune famille (non vide) d’´el´ements de E.
1. D´emontrer que si (f(ai))iest libre alors (ai)iest libre.
2. D´emontrer que si (ai)iest libre et fest injective, alors (f(ai))iest
libre.
3. Les implications r´eciproques sont-elles vraies ?
4. D´emontrer que si (ai)iengendre E, alors (f(ai))iengendre Im f.
Exercice 3. Soit Eun espace vectoriel. Une application lin´eaire pde E
dans Es’appelle un projecteur si p=pp.
1. Montrer que pour tout yIm p, alors p(y) = y. On dit que yest
invariant.
2. D´emontrer que E= ker pIm p.
3. Montrer que f∈ L(E) est un projecteur si, et seulement si, tout
vecteur de Im fest invariant.
4. Soit f∈ L(E). On consid`ere g= IdEf. Montrer que les conditions
suivantes sont ´equivalentes :
(a) fest un projecteur,
(b) Im fker g,
(c) Im gker f.
Exercice 4. Eest un Respace vectoriel, Fet Gdeux sous-espaces sup-
pl´ementaires de E:E=FLG. On pose s(u) = uFuGo`u u=uF+uG
est la d´ecomposition (unique) obtenue grˆace `a E=FLG. s est la sym´etrie
par-rapport `a Fde direction G.
1
1. Montrer que sL(E),que uFs(u) = u, u Gs(u) = u,
donner Ker(s) et calculer s2.
2. R´eciproquement si fL(E) v´erifie f2=idE.On pose p=f+idE
2.
Calculer f(u) en fonction de p(u) et u. V´erifier que pest un projecteur,
calculer son noyau et son image. Montrer que fest la sym´etrie par
rapport `a F={uE|f(u) = u}de direction G={uE|f(u) =
u}.
Exercice 5. Soient Eet Fdeux espaces vectoriels de dimension finie. On
consid`ere des applications lin´eaires f∈ L(E, F ) et g∈ L(F, E) telles que :
fgf=fet gfg=g.
1. Montrer que h=gfest une application lin´eaire de Edans E. V´erifier
que hest un projecteur, i.e. h=hh.
2. Montrer que E= ker fIm g.
3. Montrer que f,get gfsont de mˆeme rang.
Exercice 6. Soit Eun espace vectoriel de dimension finie. Soit f∈ L(E).
Montrer que les propri´et´es suivantes sont ´equivalentes :
1. ker f= ker ff,
2. Im f= Im ff,
3. E= ker fIm f.
Exercice 7. Soit E=R3[X] l’espace vectoriel des polynˆomes de degr´e 3,
et f:EEd´efinie par :
f(P) = P+ (1 X)P0.
Montrer que fL(E),donner une base de Im fet de Ker(f).
Exercice 8. Soit K=Rou Cet a0, . . . , anKdeux `a deux distincts.
On consid`ere l’application ϕ:K2n+1[X]K2n+2 d´efinie par
PK2n+1[X], ϕ(P)=(P(a0), P 0(a0), . . . , P (an), P 0(an))
Montrer que ϕest un isomorphisme de K-espaces vectoriels.
Exercice 9. Soit Eun K-espace vectoriel de dimension finie.
On dit qu’une application f:EKest une forme lin´eaire sur Esi
f: (E, +, .)(K,+, .) est une application lin´eaire entre les K-espaces
vectoriels Eet K.
On dit qu’un sous-espace vectoriel Hde Eest un hyperplan si Hadmet un
suppl´ementaire de dimension 1.
2
1. Soit Hun sous-espace vectoriel de E. Montrer que Hest un hyperplan
de Esi et seulement si il existe aE,a6= 0Etel que
E=HKa
avec Ka={λa |λK}.
2. Montrer que si fest une forme lin´eaire sur E, alors soit Ker fest ´egal
`a E, soit Ker fest un hyperplan de E.
3. R´eciproquement, montrer que tout hyperplan Hde Eest le noyau
d’une forme lin´eaire de E, c’est-`a-dire il existe une forme lin´eaire fde
Etel que H= Ker f.
4. Soit fet gdeux formes lin´eaires de E. Montrer que Ker fKer gsi
et seulement si il existe λKtel que g=λf.
Exercice 10. Soit Eun K-espace vectoriel de dimension 3 et uun endo-
morphisme de Etel que uu= 0L(E).
Montrer qu’il existe une forme lin´eaire fde Eet aun vecteur de Etels que
xE, u(x) = f(x)a
Exercice 11. Soit Eun K-espace vectoriel de dimension finie n.
On appelle dual de E, l’ensemble des formes lin´eaires sur E. On le note E.
1. Montrer que Eest un K-espace vectoriel.
2. Soit (e1, . . . , en) une base de E. Montrer qu’il existe nformes lin´eaires
de E e
1, . . . , e
ntels que
i, j ∈ {1, . . . , n}, e
i(ej) = δij
avec δij = 1 si i=j, 0 si i6=j.
3. Montrer que (e
1, . . . , e
n) est une base de E.
4. En d´eduire que Eet Esont isomorphes.
Cependant, cet isomorphisme n’est pas canonique au sens o`u il d´epend
d’un choix pris au d´epart (ici, la base (e1, . . . , en)).
5. On note E∗∗ = (E)le dual de Equ’on appelle aussi bidual de E.
Montrer que Eet E∗∗ sont canoniquement isomorphes.
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