Lycée Louis-Le-Grand, Paris 2014/2015
MPSI 4 – Mathématiques
A. Troesch
Algèbre 7 – Applications linéaires
Exercice 1
Soit u∈ L(E). On note u2=uu. Montrer que : Ker u= Ker u2Im uKer u={0}.
Exercice 2 – Soit E,Fet Gtrois espaces vectoriels sur R. Soit f∈ L(E, F )et g∈ L(F, G). Montrer :
1. Ker(gf) = f1(Ker(g)) ;
2. Ker(gf)Ker(f);
3. Im(gf) = g(Im(f)) ;
4. Im(gf)Im(g);
5. Ker(gf) = Ker(f)Ker(g)Im(f) = {0};
6. Im(gf) = Im(g)Ker(g) + Im(f) = F.
Exercice 3 – Soit E=R[X]l’espace vectoriel des polynômes sur R. On note fet gles applications de Edans Edéfinies
par : f(P) = P;g(P) = XP.
1. Montrer que fet gsont linéaires et étudier leur injectivité et surjectivité.
2. Montrer que pour tout nstrictement positif, on a : fgngnf=ngn1.
Exercice 4 – Soit A,B,Cet Bquatre espaces vectoriels sur K=Rou C, et soit f,g,f,get hdes applications
linéaires telles que ci-dessous :
A
B
C
B
h
gf
g
f
On suppose en outre que :
(i) hf=fet gh=g,
(ii) fet fsont injectives, get gsont surjectives,
(iii) Im(f) = Ker(g)et Im(f) = Ker(g).
Montrer que hest un isomorphisme.
Exercice 5
1. Soit Eun espace vectoriel sur Rou C, et fun endomorphisme de E. Montrer que si pour tout xEles vecteurs
xet f(x)sont colinéaires, alors fest une homothétie.
2. Soit f∈ L(E)tel que pour tout u∈ L(E),uf=fu. Montrer que fest une homothétie (avec l’axiome du
choix).
Exercice 6 – Soit f:C[X]C[X]l’application définie par f(P) = P(X+ 1) P(X).
1. Montrer que fest un endomorphisme de C[X].
2. Déterminer le noyau de f.
3. Étudier la surjectivité et l’injectivité de f.
4. Montrer qu’il existe une base (e0,...,ei,...)de C[X]telle que pour tout i > 0on ait f(ei) = ei1.
Exercice 7 – Soit Eun K-espace vectoriel, et fun endomorphisme de E. Démontrer que :
Im f+ Ker f=EIm f= Im(ff)
Im fKer f={0} ⇐Ker f= Ker(ff).
Exercice 8 – Soit Eun R-espace vectoriel.
1. Soit f∈ L(E)vérifiant f5=f. Montrer que E= Im fKer f.
2. Plus généralement, soit Pun polynôme tel que P(0) = 0 et P(0) 6= 0. Soit f∈ L(E)tel que P(f) = 0. Montrer
que E= Im fKer f.
Exercice 9
1
Edésigne un espace vectoriel sur le corps Cdes nombres complexes.
IdEdésigne l’identité de E,Θl’endomorphisme nul.
On désigne par Tle polynôme de C[X]défini par : T(X) = 3X3X2X1,
et par fun endomorphisme de Esatisfaisant à la relation : T(f) = Θ.
1. Montrer que 1est la seule racine réelle de T. Soient αet ¯αles deux autres racines non réelles et conjuguées. Calculer
α+ ¯αet α¯α
2. On désigne par ϕl’application qui, à tout polynôme Pde C[X]associe le reste de la division euclidienne de Ppar
T.
(a) Montrer que ϕest un endomorphisme de C[X].
(b) L’endomorphisme ϕest-il injectif ? Est-il surjectif ?
3. On note L1,L2,L3les polynômes définis par :
L1(X) = (X1)(Xα), L2(X) = (X1)(X¯α), L3(X) = (Xα)(X¯α).
(a) Montrer que (L1, L2, L3)est une base de C2[X].
(b) Déterminer, pour tout nNun triplet (an, bn, cn)de complexes tel que
fn=anL1(f) + bnL2(f) + cnL3(f).
(c) Justifier la convergence des suites (an),(bn)et (cn)vers des réels respectifs a,b,c.
4. On pose h=aL1(f) + bL2(f) + cL3(f). Montrer que hest un projecteur.
Exercice 10 – Soit Eun espace vectoriel sur R, et pet qdeux projecteurs. Montrer que p=qsi et seulement si
Im p= Im qet pq=qp.
Exercice 11 – Soit Eun espace vectoriel sur R, et pet qdeux projecteurs de E. Montrer que p+qest un projecteur si
et seulement si pq=qp= 0.
Exercice 12 – Soit Eun espace vectoriel sur R,pun projecteur de E, et f∈ L(E). Montrer que pf=fpsi et
seulement si Ker(p)et Im(p)sont stables par f.
Exercice 13 Soit Eun R-espace vectoriel.
1. Soit f∈ L(E), et gun projecteur de E. Montrer que : Ker(fg) = Ker(g)(Ker fIm g).
2. Soit fun projecteur de E, et g∈ L(E). Montrer que : Im(fg) = Im(f)(Ker f+ Im g).
3. Soit gun projecteur, alors id gest un projecteur et Ker g= Im(id g), et Im(g) = Ker(id g).
4. Soit fet gdeux projecteurs de E. Montrer que fgest un projecteur si et seulement si :
Im(f)(Ker(f) + Im(g)) Im(g)(Ker fKer g).
Exercice 14
Soit Eun espace vectoriel réel. Soient :
pet qdeux éléments de L(E)non nuls et tels que p+q= id,
aet bdeux réels distincts et non nuls
fun élément de L(E)tel que f=ap +bq et f2=a2p+b2q.
1. (a) En considérant (fa·id) et (fb·id), montrer que pq=qp= 0.
(b) Montrer que pet qsont des projecteurs de E.
2. Exprimer pour tout nN,fnen fonction de n,a,b,pet q.
3. Montrer que fest un isomorphisme, et exprimer fnen fonction de n,p,q,aet b.
4. Montrer que Ker(faid) Ker(fbid) = E.
Exercice 15 – Soit Eun Kespace vectoriel de dimension finie non nulle n, et E1et F1deux sous-espaces vectoriels de
Etels que E=E1+F1.
1. Montrer l’existence d’un sous-espace vectoriel E2inclus dans F1et d’un sous-espace vectoriel F2inclus dans E1tels
que
E=E1E2et E=F1F2.
2. Soit sla symétrie vectorielle par rapport à E1de direction E2, et sla symétrie par rapport à F1de direction F2.
Démontrer que ss=ss.
2
3. Démontrer que ssest une symétrie vectorielle dont on précisera les éléments caractéristiques.
Exercice 16 – Soit Eun espace vectoriel de dimension finie, et soit f∈ L(E)·Montrer qu’il existe un automorphisme g
et un projecteur ptels que f=gp.
Exercice 17 – Soit Eun espace de dimension finie, fun endomorphisme de Ede rang r. Montrer que fest la somme
de rendomorphismes de Ede rang 1.
Exercice 18 Soit Eet Fdeux espaces vectoriels de dimension finie. Soient u∈ L(E, F )et v∈ L(F, E)tels que
uvu=uet vuv=v. Montrer que E= Im vKer u, et que :
rg(u) = rg(v) = rg(vu) = rg(uv).
Exercice 19 Soit E0,...,Endes espaces vectoriels sur R, de dimension finie, et pour tout i[[1, n]],fi:Ei1Ei
une application linéaire. On suppose que :
{0} − E0
f1
E1
f2
· · · fn
En→ {0},
est exacte, ce qui signifie que f1est injective, fnest surjective, et pour tout i[[1, n 1]],Im fi= Ker fi+1. Montrer que :
n
X
k=0
(1)kdim Ek= 0.
Exercice 20 – Soit Eun espace vectoriel sur R, de dimension finie, et fet gdeux endomorphismes dans L(E). On
suppose que
E= Im(f) + Im(g) = Ker(f) + Ker(g).
Montrer que ces deux sommes sont directes.
Exercice 21 Soit Eun espace vectoriel de dimension finie, et f,gdans L(E).
1. Montrer que rg(f+g)6rg(f) + rg(g).
2. On suppose que fg= 0 et que f+gest inversible. Montrer que
rg(f) + rg(g) = dim(E).
Exercice 22 Soit Eun K-ev de dimension finie n,nN. Soit uet vdes endomorphismes de E.
1. Démontrer que :
(a) rg(uv) = rg vdim(Im vKer u)
(b) rg(uv) = rg udim E+ dim(Im v+ Ker u).
2. En déduire que :
rg u+ rg vdim E6rg(uv)6inf(rg u, rg v).
Exercice 23 – Étudier la liberté dans C0(R,R)de la famille (f0,...,fn),nN, où pour tout kN,fkest la fonction
x7→ ekx2.
Exercice 24 – Soit Eun espace de dimension 3, et f∈ L(E)tel que f6= 0 et ff= 0. Montrer que le rang de fest 1.
Exercice 25 – On considère Eun K-ev de dimension (p+ 1)n,net pétant des entiers non nuls, avec p>2. Soit fun
endomorphisme de E, vérifiant : f3= 0 et rg(f) = pn. Montrer que rg(f2) = n.
Exercice 26 (ENS) –Majoration de l’indice de nilpotence
Soit uun endomorphisme nilpotent de Ede dimension n. Montrer que son indice de nilpotence est au plus égal à n.
Exercice 27 Soit Eun espace vectoriel sur Rde dimension 3n, et fun endomorphisme de Etel que f3= 0.
1. En considérant gl’application linéaire de L(Im(f), E), obtenue par restriction de fàIm(f), montrer que rg(f)62n
2. Montrer que si rg(f) = 2n, alors rg(f2) = n(on pourra dans un premier temps exprimer rg(g))
3. Montrer que si rg(f) = 2n1, alors rg(f2) = n1ou rg(f2) = n2.
3
Exercice 28 Soit Eun R-ev de dimension finie, et soit u∈ L(E).
1. Montrer que la suite de sous-espaces vectoriels (Ker uk)kNest croissante pour l’inclusion, et la suite (Im uk)kN
est décroissante.
2. Montrer que s’il existe pNtel que Ker(up) = Ker(up+1), alors Ker(uk) = Ker(up)pour tout k>p. Qu’en est-il
de Im(uk)?
3. Montrer que pour une telle valeur de p,Ker(up)et Im(up)sont supplémentaires dans E.
4. Montrer que la suite (dim Ker up+1 dim Ker up)pNest décroissante. En d’autres termes, les sauts de dimension
sont de plus en plus petits.
Indication : Introduire un supplémentaire de Ker updans Ker up+1
5. On suppose que uest nilpotent et que dim(Ker u) = 1. Montrer que pour tout k6dim(E),dim(Ker(uk)) = k.
Exercice 29 (X) – Condition pour que rg(g)6rg(f)
Soit Eet Fdeux K-ev non nuls de dimension finie, fet gdans L(E, F ). Montrer que rg(g)6rg(f)si et seulement s’il
existe hGL(F)et k∈ L(E)tels que hg=fk.
Exercice 30 (X) Produit commutatif d’endomorphismes nilpotents
Soit Eun K-ev de dimension finie n, et u1,...,undes endormophismes nilpotents de E, qui commutent deux à deux.
Que vaut u1u2 · · · un?
Exercice 31 (X) – Somme de projecteurs
Soit Eun Kespace vectoriel de dimension finie n, où Kest un sous-corps de C. On se donne nendomorphismes non nuls
de E,p1,...,pn, tels que pour tout (i, j)[[1, n]]2,pipj=δi,j pi.
1. Montrer que pour tout i[[1, n]],rg(pi) = 1
2. Montrer que les sous-espaces Im(pi)sont en somme directe.
Exercice 32 (X) – Idéaux à gauche de L(E)
On rappelle qu’un idéal à gauche d’un anneau Aest un sous-groupe additif de Astable par multiplication à gauche par
un élément de A. Soit Eun espace vectoriel de dimension finie. On note, pour tout Fsous-espace de E,
g(F) = {u∈ L(E), F Ker(u)},
et si Hest une partie de L(E), on note f(H) = T
uH
Ker(u).
1. Vérifier que, pour tout sous-espace vectoriel Fde E,g(F)est un idéal à gauche de L(E)et que l’on a (fg)(F) = F.
2. Soit Iun idéal à gauche de L(E)
(a) Soit uI,v∈ L(E)tel que Ker(u)Ker(v). Montrer que vI.
(b) Si pet qsont des projecteurs appartenant à I, montrer qu’il existe un projecteur rdans Itel que Ker(r) =
Ker(p)Ker(q).
(c) Prouver qu’il existe un projecteur pappartenant à Itel que Ker(p) = f(I), puis que I=L(E)p.
(d) Étudier gf(I)et conclure.
Exercice 33 (d’après ENS) – Simplicité de L(E)
Soit Eun espace de dimension finie. Montrer que les seuls idéaux bilatères (c’est-à-dire stables par mulitplication à droite
et à gauche) de L(E)sont {0}et E. cela reste-t-il vrai en dimension infinie ?
Exercice 34 (ENS) – Racine de la dérivation
Soit E=C(R,C), et D=EEl’opérateur de dérivation. Existe-t-il Tdans L(E)tel que TT=D?
Exercice 35 (ENS) – Théorème de Maschke
Soit Eun C-espace vectoriel de dimension finie n>1,Gun sous-groupe fini de GL(E), et Fun sous-espace vectoriel de
Estable par tous les éléments de G. Montrer que Fadmet un supplémentaire stable par tous les éléments de G.
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