LYCÉE CHAPTAL – PT* – 2016/2017 COMPLÉMENTS DALGÈBRE LINÉAIRE
Compléments d’algèbre linéaire
ENTRAÎNEMENT 1
Exercice 1 —
Résoudre, en fonction du para-
mètre
mC
, le système d’équations linéaires sui-
vant :
xy+z=m
x+m y z=1
xyz=1
Indication — Du pivot, rien que du pivot !
Correction —
Notons
S
l’ensemble des solutions. On dis-
tingue deux cas :
si m6=1, S=m+1
2,0, m1
2;
si m=1, S={(y,y,1)|yR}.
Exercice 2 — Résoudre dans M2(R):
X2+X=Aavec A=1 1
1 1
Indication —
On pourra poser
X
=
a b
c d
et résoudre un
système d’équations
non
linéaires. Soustraire la première
équation et la dernière puis factoriser.
Correction —
En factorisant l’équation obtenue par
da
,
on trouve
d
=
a
. En réinjectant, on trouve alors quatre solu-
tions : A/2I2,A,AI2et A/2.
Exercice 3 — Soit A=
1 1 1
0 1 1
0 0 1
.
Calculer Anpour nN.
Indication —
La formule du binôme peut-elle s’appliquer ?
Correction — nN,An= 1nn(n+1)
2
0 1 n
0 0 1 !.
Exercice 4 —
1.
Déterminer la dimension et les équations carté-
siennes du sous-espace
F
de
R4
engendré par
(0,2,1,1)et (2,1,1,0).
2. Trouver un supplémentaire de F.
Indication —
2. Choisir deux vecteurs non colinéaires dans
R4\Fpuis montrer que les espaces sont supplémentaires.
Correction — On a clairement dim(F) = 2. De plus,
u= (x,y,z,t)Fx+2y+4t=0
x2z2t=0
Enfin, on peut poser
G
=
Vect
((1
,
0
,
0
,
0)
,
(0
,
1
,
0
,
0)) et mon-
trer à l’aide du déterminant que R4=FG.
Exercice 5 — Soit H={PRn[X]|P(1) = 0}.
1.
Montrer que
H
est un espace vectoriel et en déter-
miner une base.
2.
Montrer que
H
est un hyperplan de
Rn
[
X
]de trois
façons différentes.
Indications —
1.
On peut revenir à la définition d’un sev (à savoir faire)
ou déterminer directement une famille génératrice de
H
.
On trouve dim(H) = n.
2.
On peut déterminer la dimension de
H
, ou montrer que
Vect
(1)est supplémentaire à
H
ou enfin voir que
H
est le
noyau d’une certaine forme linéaire (hors programme).
Exercice 6 —
Soient
E
un
K
-espace vectoriel de di-
mension finie et f L (E).
1. On suppose que E=Ker fIm f.
Démontrer que Im f=Im f2.
2. La réciproque est-elle vraie ?
Correction —
1. On a toujours Im f2Im f.
Si
yIm f
,
y
=
f
(
x
)avec
xE
. Il existe par ailleurs
(x1,x2)Ker(f)×Im(f)tel que x=x1+x2. D’où :
f(x) = f(x1+x2) = f(x2)et x2=f(z2)
=f(f(z2)) Im f2
Ainsi Im fIm f2.
2. Im f
=
Im f2E
=
Ker f
+
Im f
et en dimension finie,
la somme est directe (théorème du rang).
Exercice 7 —
Soit
E
un
K
-espace vectoriel de dimen-
sion finie et f L (E)vérifiant f3=idE.
1. Montrer que Im(fidE)Ker(f2+f+idE).
2.
En déduire que
Im
(
fidE
)et
Ker
(
fidE
)sont
supplémentaires dans E.
Indication — 2. On travaille en dimension finie...
Correction —
1.
Soit
yIm
(
fidE
). Comme
y
=
f
(
x
)
x
avec
xE
,
on a f2(y) + f(y) + y=f3(x)x=0E.
2.
En appliquant le théorème du rang à
g
=
fidE
,ona:
dim(Im(fidE)) + dim(Ker(fidE)) = dim(E)
De plus, si xIm(fidE)Ker(fidE):
f2(x) + f(x) + x=0Eet f(x)x=0E
Ainsi, il vient 3x=0Epuis x=0E.
–1–
MICKAËL PROST http://www.mickaelprost.fr
♣♣ Exercice 8 —
Soit
φ
l’application définie sur
R
[
X
]
par φ(P) = (X2+1)P00 +4P02P.
1. Montrer que φ L (R[X]).
2.
Exprimer
deg
(
φ
(
P
)) en fonction de
φ
(
P
)puis en dé-
duire que, pour tout
nN
,
φ
induit par restriction
un endomorphisme de Rn[X].
3. Déterminer le noyau de φ.
4.
Trouver l’ensemble des polynômes
P
vérifiant
φ(P) = X.
Indications —
2.
On pourra distinguer les cas
n6
=2 et
n
=2 en posant
P=aX 2+bX +c.
4.
Sauriez-vous trouver une solution particulière ? les
solutions de l’équation homogène ?
Correction —
2. Soit P=
n
X
k=0
akXkavec an6=0. Le terme « dominant »
de
φ
(
P
)est
[n(n1)2]anXn
si celui-ci est non nul.
si n6=2 alors n(n1)6=2 et deg(P) = deg(φ(P)).
si
deg
(
P
) = 2 alors
P
=
aX 2
+
bX
+
c
conduit à
φ(P) = 2(4ab)X+2(a+2bc).
En conclusion, pour tout PRn[X],φ(P)Rn[X].
3.
D’après ce qui précède, si
deg
(
P
)
6
=2,
φ
(
P
) =
˜
0
im-
plique
P
=
˜
0
. Dans le cas où
n
=2, on obtient
b
=4
a
et c=9a, soit P=a(X2+4X+9).
Ainsi, Ker(φ) = Vect(X2+4X+9).
4.
En cherchant une solution de degré 1, on trouve
P=X/21.
On a alors S=X/21+a(X2+4X+9),aR.
♣♣ Exercice 9 — ENSAM
Soit
f
un endomorphisme d’un
K
-ev de dimension finie.
On pose, pour tout
kN
,
Nk
=
Ker
(
fk
)et
Ik
=
Im
(
fk
).
1.
Montrer que, pour tout
kN
,
NkNk+1
et que si
Nk=Nk+1, alors Nk+1=Nk+2.
2.
Montrer qu’il existe un entier naturel
i
tel que
Ni=Ni+1, puis que E=NiIi.
3. Montrer que frestreinte à Ker(fi)est nilpotente.
4.
Montrer que
f
restreinte à
Im
(
fi
)est un automor-
phisme de Im(fi).
Indication —
2. Étudier la monotonie de la suite de terme
général un=dim(Ker(fn)). Comparer alors N2iet Ni.
Correction —
2.
D’après ce qui précède,
(un)nN
est une suite d’en-
tiers naturels décroissante, elle est donc stationnaire.
Il existe ainsi
iN
tel que pour tout
j¾i
,
dim
(
Ker
(
fj
)) =
dim
(
Ker
(
fi
)). Comme par ailleurs,
NjNi, on a bien Nj=Nipour tout j¾i.
Soit
yNiIi
. Alors
fi
(
y
) = 0
E
et
y
=
fi
(
x
)
pour un certain
xE
. Ainsi,
xN2i
=
Ni
, donc
y
=
fi
(
x
) = 0
E
. Ainsi,
NiIi
=
{
0
E}
. Le théorème du
rang permet alors de conclure.
♣♣♣ Exercice 10 — GROUPE CACHAN
On pose
E
=
C
(
R+,R
)et on considère l’application
ψ
qui à toute fonction
f
de
E
associe la fonction
g
définie
par :
xR+,g(x) = Zx
0
2t f (t)dt
1.
Montrer que
E
est un espace vectoriel de dimension
infinie.
2. Prouver que ψest un endomorphisme de E.
3. Étudier l’injectivité et la surjectivité de ψ.
Conclure.
4.
Déterminer pour tout
λR
le sous-espace vectoriel
Ker(ψλidE).
Indications —
1. Exhiber la bonne famille !
2. Toute fonction dérivable est continue...
3. Dériver et bien réfléchir.
4. On résoudra une certaine équation différentielle.
Correction —
1. E
est clairement un espace vectoriel et (
x7→ xn
)
nN
est
une famille libre de
E
qui contient une infinité de vec-
teurs, c’est donc un espace de dimension infinie.
2.
La linéarité découle de celle de l’intégrale ;
ψ
est par
ailleurs à valeurs dans
E
car
g
est bien continue sur
R+
en tant que primitive de x7→ 2x f (x).
3. •
Soit
fKer
(
ψ
).
g
étant l’application nulle,
g0
l’est
également, ce qui s’écrit :
xR+, 2x f (x) = 0
Cela conduit à
f
(
x
) = 0 pour
x>
0 et par
continuité
de f,fest bien nulle sur R+. Bref, ψest injective.
L’application
ψ
ne peut être surjective : si elle l’était,
pour toute fonction continue
gE
, il existerait
fE
telle que
g
=
ψ
(
f
). Mais donc
g
serait dérivable. Or
certaines fonctions continues ne sont pas dérivables
(la racine carrée par exemple). Absurde !
ψ
est donc un exemple d’application linéaire qui est
injective sans être surjective.
4.
Soit
fKer
(
ψλidE
). Cela implique 2
x f
(
x
) =
λf0
(
x
).
Pour
λ6
=0, on obtient
f
(
x
) =
Aexpx2
A
est un
réel quelconque.
Réciproquement, toute fonction de cette forme vérifie
bien Zx
0
2t f (t)dt=λf(x)(à vérifier). Ainsi,
pour λ6=0, Ker(ψλidE) = Vect x7→ exp x2;
par ailleurs, comme déjà vu, Ker(ψ) = {0E}.
–2–
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