PCSI2 — Exercices corrig´es d’alg`ebre lin´eaire
Exercice 1 : ´enonc´e
Eest un K-e.v. de dimension quelconque ; pet qsont deux endomorphismes de E. Nous noterons pq pour
pq, et p2pour pp. Rappel : un projecteur de Eest un endomorphisme de E p tel que p2=p.
Q1 Montrez que si pest un projecteur de E, alors ker(p) et im(p) sont suppl´ementaires.
Q2 Soit fun endomorphisme de Ev´erifiant E= ker(f)im(f). fest-il n´ecessairement un projecteur ?
Q3 Soit pun projecteur de E. Quels sont les scalaires λtels que λp soit un projecteur ?
Q4 Soit pun projecteur de E. Notons il’automorphisme identit´e de E. Existe-t-il des scalaires λtels que p+λi
soit un projecteur ?
Q5 Soit p∈ L(E). Supposons que ppest un projecteur. pest-il ecessairement un projecteur ?
Q6 Dans cette question, nous supposons que pet pq sont des projecteurs. Montrez que pqp est un projecteur.
Q7 Construisez un exemple dans lequel pet pqp sont des projecteurs, mais pas pq.
Q8 Construisez un exemple dans lequel pet pqp sont des projecteurs, mais pas qp.
Q9 Construisez un exemple dans lequel ni p, ni q, ni pqp ne sont des projecteurs, tandis que pq en est un.
Exercice 1 : corrig´e
Q2 NON : prendre f= 2i; ce n’est pas un projecteur, puisque f2= 4i6= 2i; mais ker(f) est le s.e.v. nul et
im(f) = E, donc E= ker(p)im(p).
Q3 Soit λtel que (λp)2=λp ; alors λ2p2=λp, donc λ(λ1)p=0. Si pest le projecteur nul, alors tout r´eel λ
convient ; sinon, les deux valeurs possibles de λsont 0 (qui convient puisqu’alors λp =0) et 1 (qui convient
aussi).
Q4 Nous avons (p+λi)2=p+λi p2+ 2λp +λ2i=p+λi 2λp =λ(1 λ)i. Si pest le projecteur nul,
les seules valeurs de λqui conviennent sont 0 et 1 ; si p=i, la seule valeur de λqui convient est 0. Sinon,
aucune valeur de λne convient.
Q5 NON : prendre p=i; alors p2=iest un projecteur, mais p6=p2, donc pn’est pas un projecteur.
Q6 Nous avons (pqp)(pqp) = pqppqp =pqp2qp =pqpqp = (pq)2p=pqp ; donc pqp est un projecteur.
Les exemples qui suivent sont tous construits dans R2, muni de sa base canonique (e1, e2). D´efinissons
π1∈ L(R2) par π(e1) = e1et π(e2) =
0 et π2de fa¸con sym´etrique ; π1et π1sont des projecteurs.
Q7 Prenons p=π1et d´efinissons qpar q(e1) = e2et q(e2) = e1. Alors (pq)(e1) =
0 et (pq)(e2) = e1, donc
(pq)2(e2) =
06= (pq)(e2) si bien que (pq)2n’est pas un projecteur. Mais pqp =0est un projecteur.
Q8 Prenons p=π1et d´efinissons qpar q(e1) = e2et q(e2) =
0 . pet pqp =0sont des projecteurs. Mais
(qp)(e1) = e2et (qp)(e2) =
0 , donc (qp)2(e1) =
06= (qp)(e1), si bien que qp n’est pas un projecteur.
Q9 D´efinissons ppar p(e1) = e2et p(e2) = e1, et qpar q(e1) = e2et q(e2) =
0 . Nous avons p2(e1) = e16=p(e1),
donc pn’est pas un projecteur ; de eme q2(e1) =
06=q(e1), donc qn’est pas un projecteur ; enfin
(pqp)(e2) = e1et (pqp)2(e2) =
0 , donc pqp n’est pas un projecteur. Mais (pq)(e1) = e1et (pq)(e2) =
0 ,
donc pq est un projecteur.
Exercice 2 : ´enonc´e
Deux projecteurs pet qd’un mˆeme K-e.v. Ev´erifient im(p)ker(q).
Q1 Que pouvez-vous dire de qp?
Notons r=p+qpq.
Q2 Montrez que rest un projecteur.
Q3 Montrez que ker(r) = ker(p)ker(q).
Q4 Montrez que im(p) et im(q) sont en somme directe.
Q5 Montrez que im(r) = im(p)im(q).
Exercice 2 : corrig´e
Nous noterons 0l’endomorphisme nul.
Q1 Soit xE:p(x)im(p), donc p(x)ker(q) soit q¡p(x)¢=
0 , ou encore (qp)(x) =
0 . Ceci vaut pour
tout xE, donc qpest l’endomorphisme nul .
Q2 rr= (p+qpq)(p+qpq) = pp+pqppq+qp+qqqpqpqppqq+pqpq;
chaque terme comportant le facteur qpest nul ; de plus, pp=pet qq=q. Nous obtenons rr=
p+pqpq+qpq=p+qpq=rce qui termine la preuve : rest un projecteur .
Q3 Soit xker(r) ; r(x) =
0 , soit p(x) + q(x)(pq)(x) =
0 . Si nous appliquons paux deux membres
de cette ´egalit´e, il vient (pp)(x) + (pq)(x)(ppq)(x) =
0 . En tenant compte de pp=p, nous
trouvons p(x) + (pq)(x)(pq)(x) =
0 , donc p(x) =
0 , soit xker(p). Mais si nous appliquons q
aux deux membres de l’´egalit´e, il vient (qp)(x) + (qq)(x)(qpq)(x) =
0 . En tenant compte de
qp=0et qq=q, nous trouvons q(x) =
0 , soit xker(q). Nous avons montr´e que, si xker(r), alors
xker(p)ker(q). Donc ker(r)ker(p)ker(q) .
Soit xker(p)ker(q) : nous avons p(x) = q(x) =
0 . Alors r(x) = (p+qpq)(x) = p(x)+q(x)p¡q(x)¢=
0 , donc xker(r). Ainsi ker(p)ker(q)ker(r) .
Ayant ´etabli les deux inclusions, nous avons prouv´e l’´egalit´e ker(r) = ker(p)ker(q) .
Q4 Par hypoth`ese, im(p)ker(q) ; mais qest un projecteur, donc ker(q)im(q) = ©
0ª; `a plus forte raison,
im(p)im(q)©
0ª. L’inclusion inverse est banale. Nous avons montr´e im(p)im(q) = ©
0ª, autrement
dit : les deux s.e.v. im(p) et im(q) sont en somme directe .
Q5 Soit yim(r) : il existe xEtel que y=r(x). Alors :
y= (p+qpq)(x) = p(x) + q(x)(pq)(x) = p(x) + q(x)p¡q(x)¢=p¡xq(x)¢+q(x)
Clairement, p¡xq(x)¢im(p) et q(x)im(q) donc r(x)im(p) + im(q). Donc im(r)im(p) + im(q) .
Soit yim(p) + im(q) ; il existe uet vtels que y=p(u) + q(v). Montrer que yest dans im(r) revient `a
v´erifier que r(y) = y. En exploitant les ´egalit´es pp=p,qp=0et qq=qnous trouvons :
r(y) = (p+qpq)¡p(u) + q(v)¢
= (pp)(u) + (pq)(v) + (qp)(u) + (qq)(v)(pqp)(u)(pqq)(v)
=p(u) + (pq)(v) + q(v)(pq)(v) = p(u) + q(v) = y
Ceci d´emontre l’inclusion im(p) + im(q)im(r) .
Ayant ´etabli les deux inclusions, nous avons prouv´e l’´egalit´e im(τ) = (im(p)) + (im(q)) .
Exercice 3 : ´enonc´e
f,get hsont trois endomorphismes d’un mˆeme K-e.v. Equi v´erifient fg=h,gh=fet hf=g.
Q1 Montrez que f,get hont mˆeme noyau et mˆeme image.
Q2 ´
Etablissez f2=g2=h2; bien entendu, f2d´esigne ff.
Q3 ´
Etablissez g5=g(consid´erez f2gf2).
Q4 Prouvez que E= ker(g)im(g).
Q5 Prouvez que im(f) est stable par f,get h.
Q6 Prouvez que les endomorphismes de im finduits par f,get hsont des automorphismes.
Exercice 3 : corrig´e
Q1 ker gker(fg) est une propri´et´e en´erale : si xker g, alors g(x) =
0 , a fortiori f¡g(x)¢=
0 , soit
(fg)(x) =
0 , ou xker(fg). Du coup, comme f,get hjouent des rˆoles sym´etriques, on a aussi
ker hker(gh) et ker fker(hf). Donc :
ker fker(hf) = ker gker(fg) = ker hker(gh) = ker f
donc, dans cette chaˆıne d’inclusions, on n’a en fait que des ´egalit´es, soit ker f= ker g= ker h.
De mˆeme, im(fg)im fest une propri´et´e en´erale : si yim(fg), il existe xEtel que y= (fg)(x),
soit y=f¡g(x)¢, donc yim f. On a de mˆeme im(gh)im get im(hf)im h. Par suite :
im f= im(gh)im g= im(hf)im h= im(fg)im f
donc, dans cette chaˆıne d’inclusions, on n’a en fait que des ´egalit´es, soit im f= im g= im h.
Q2 f2=ff= (gh)f=g(hf) = gg=g2; par raison de sym´etrie, g2=h2. Donc f2=g2=h2.
Q3 f5=f2ff2=h2fh2=h(hf)h2=hgh2=h(gh)h=hfh=gh=f
Q4 Si yker fim f, alors f(y) =
0 , et il existe xEtel que y=f(x) ; donc
y=f(x) = f5(x) = f4¡f(x)¢=f4(y) = f3¡f(y)¢=f(
0 ) =
0
Ainsi, ker fim f=©
0ª. Soit xE; ´ecrivant x=xf4(x) + f4(x), le vecteur y=xf4(x) appartient
`a ker fpuisque f¡xf4(x)¢=f(x)f5(x) =
0 ; et le vecteur z=f4(x) = f¡f3(x)¢appartient `a im f.
Comme x=y+z, on peut conclure : E= ker f+ im f, et finalement E= ker fim f.
Q5 f(y) est dans im fpour tout yE, en particulier pour tout yim f; donc im fest stable par f. Par
sym´etrie, im gest stable par g, et im hest stable par h. Mais, comme ces trois ensembles sont ´egaux, chacun
est stable `a la fois par f,get h.
Q6 Notons ϕl’endomorphisme de im finduit par f. Alors, si ϕ(x) =
0 , on a f(x) =
0 , donc xker f;
mais xim fpar hypoth`ese, donc x=
0 puisque ker fet im fsont suppl´ementaires l’un de l’autre. Ainsi,
ker ϕ=©
0ª, et donc ϕest injectif. Soit yim f; il existe xEtel que y=f(x), mais f=f5, donc
y=f5(x) = f¡f4(x)¢, or f4(x)im f; donc on peut ´ecrire y=ϕ(z), avec z=f4(x)im f, soit : ya un
ant´ec´edent par ϕ. Ainsi ϕest surjectif. Conclusion : ϕest un automorphisme de im f. Par sym´etrie, il en
est de eme pour les endomorphismes de im get im hinduits respectivement par get h; d’o`u la conclusion
attendue, puisque im f= im g= im h.
Exercice 4 : ´enonc´e
Soient pet qdeux projecteurs d’un K-e.v. E. Nous notons r=pqqp.
Q1 Montrez que pqest un projecteur si et seulement si r¡im(q)¢ker(p).
Nous supposons d´esormais que pqest un projecteur.
Q2 Montrez que im(pq) = ¡ker(p) + im(q)¢im p.
Q3 Montrez que ker(pq) = q1¡ker(p)¢.
Q4 Montrez que ker(pq) = ¡ker(p)im(q)¢ker(q).
Exercice 4 : corrig´e
Notons 0l’endomorphisme nul et il’endomorphisme identit´e.
Q1 Sens direct : supposons que pqest un projecteur. Soit zr¡im(q)¢: il existe yim(q) tel que r(y) = z; il
existe alors xEtel que q(x) = y. Ainsi, avec qq=q:
z=r(y) = r¡q(x)¢= (pqqp)¡q(x)¢= (pqq)(x)(qpq)(x) = (pq)(x)(qpq)(x)
Nous en eduisons :
p(z) = p¡(pq)(x)(qpq)(x)¢= (ppq)(x)(pqpq)(x) = (pq)(x)¡(pq)(pq)¢(x) =
0
puisque pqest, par hypoth`ese, un projecteur. Conclusion : zker(p), ce qui montre que r¡im(q)¢ker(p) .
R´eciproque : supposons r¡im(q)¢ker(p), et montrons que rest un projecteur. Soit xE; (rq)(x) =
r¡q(x)¢r¡im(q)¢, d’o`u (rq)(x)ker(p), autrement dit : p¡(rq)(x)¢=
0 , soit (prq)(x) =
0 . Ceci
vaut pour tout xE, donc prq=0, soit p(pqqp)q=0, ou encore ppqq=pqpq, ce
qui, comme pp=pet qq=q, nous donne : pq= (pq)(pq) ; concluons : pqest un projecteur .
Solution exp´editive, propos´ee par un ´etudiant : pqest un projecteur pqpq=pqpqp
qpq=0p(qpi)q=0p(pqri)q=0pqprqpq=0prq=0;
or prq=0ssi r¡im(q)¢ker(p).
Q2 Soit zim(pq) : il existe xEtel que z= (pq)(x), donc z=p¡q(x)¢, ce qui prouve d´ej`a que zim(p).
Par ailleurs, nous pouvons ´ecrire z= (pq)(x)q(x) + q(x) ; q(x)im(q), et (pq)(x)q(x)ker(p)
car p¡(pq)(x)q(x)¢= (ppq)(x)(pq)(x) =
0 , puisque pp=p. Ainsi, zker(p) + im(q), et
finalement z¡ker(p) + im(q)¢im(p). Ceci nous montre que im(pq)¡ker(p) + im(q)¢im(p) .
Prouvons l’inclusion inverse : soit z¡ker(p) + im(q)¢im(p). Il existe alors uker(p) et vim(q) tels
que z=u+v. Mais vim(q) : donc il existe wEtel que v=q(w). Comme zim(p), p(z) = z, d’o`u :
z=p(z) = p¡u+q(w)¢=p(u) + p¡q(w)¢= (pq)(w)
ceci car uker(p), donc p(u) =
0 . Nous avons ainsi montr´e que zim(pq), et par suite que
¡ker(p) + im(q)¢im(p)im(pq).
Q3 Soit xE; alors
xker(pq)(pq)(x) =
0p¡q(x)¢=
0q(x)ker(p)xq1¡ker(p)¢
Fin de la d´emonstration.
Q4 Soit xker(pq) : alors q(x)ker(p) d’apr`es ce qui pr´ec`ede, et q(x)im(q) par d´efinition, si bien que
q(x)ker(p)im(q). ´
Ecrivons x=q(x) + ¡xq(x)¢;xq(x)ker(q) puisque qest un projecteur, donc
finalement x¡ker(p)im(q)¢+ ker(q). Ceci nous montre que ker(pq)¡ker(p)im(q)¢+ ker(q) .
Inversement, soit x¡ker(p)im(q)¢+ ker(q). Il existe alors uker(p)im(q) et vker(q) tels que
x=u+v. Alors (pq)(x) = (pq)(u) + (pq)(v) = (pq)(u), car (pq)(v) = p¡q(v)¢=
0 puisque
vker(q). Mais uim(q), donc q(u) = u, et (pq)(x) = p¡q(x)¢=p(u) =
0 puisque uker(p).
Finalement, xker(pq), ce qui prouve que ¡ker(p)im(q)¢+ ker(q)ker(pq).
Nous avons ainsi ´etabli ker(pq) = ¡ker(p)im(q)¢+ ker(q). Comme qest un projecteur, im(q)ker(q) =
©
0ª; ker(p)im(q) est contenu dans im(q), et contient le vecteur nul, donc (ker(p)im(q))ker(q) = ©
0ª,
ce qui justifie l’´ecriture ker(pq) = ¡ker(p)im(q)¢ker(q) .
Exercice 5 : ´enonc´e
L’exercice se passe dans un K-e.v. E. Le compos´e de deux endomorphismes fet gest not´e fg au lieu de
fg; de mˆeme, f2esigne ff.
Soient pet qdeux endomorphismes de E. Nous supposons que pet ppq sont des projecteurs.
Q1 ´
Etablissez l’´egalit´e pqpq =pqp.
Q2 Montrez que pqp est un projecteur.
Q3 Pour n>1, prouvez l’´egalit´e (pq)np=pqp.
Q4 Exprimez (p+pqp)2et (p+pqp)3comme combinaison lin´eaire de pet pqp.
Q5 Conjecturez puis d´emontrez une formule exprimant (p+pqp)ncomme combinaison lin´eaire de pet pqp, pour
n>1. Remarque : il existe (au moins) deux d´emonstrations diff´erentes ; si vous donnez les deux, vous serez
gratifi´es en cons´equence !
Q6 Dans cette question, nous fixons E=R3. Exhibez pet qtels que pet ppq soient des projecteurs distincts
et tous deux non triviaux (les projecteurs triviaux sont l’identit´e et l’endomorphisme nul).
Exercice 5 : corrig´e
Q1 Traduisons le fait que ppq est un projecteur : ppq = (ppq)2= (ppq)(ppq) = p2p(pq)(pq)p+
(pq)(pq) = pp2qpqp +pqpq =ppq pqp +pqpq donc pqpq =pqp .
Q2 Alors (pqp)2= (pqp)(pqp) = pqp2qp =pqpqp = (pqpq)p= (pqp)p=pqp2=pqp donc pqp est un projecteur .
Q3 Raisonnons par r´ecurrence sur n>1. L’´egalit´e est claire au rang 1. Supposons-la acquise au rang n>1.
Alors (pq)n+1p=pq(pq)np=pq(pqp) = (pqpq)p= (pqp)p=pqp2=pqp. Ceci ´etablit l’assertion au rang
n+ 1. Fin.
Q4 Nous avons :
(p+pqp)2=p2+p2qp +pqp2+ (pqp)2=p+ 2pqp +pqp =p+ 3pqp
(p+pqp)3= (p+pqp)(p+pqp)2= (p+pqp)(p+ 3pqp) = p2+pqp2+ 3p2qp + 3(pqp)2
=p+pqp + 3pqp + 3pqp =p+ 7pqp
Q5 M´ethode 1 : les ´egalit´es (p+pqp)1=p+pqp, (p+pqp)2=p+ 3pqp et (p+pqp)3=p+ 7pqp sugg`erent
la formule (p+pqp)n=p+ (2n1)pqp, que nous allons ´etablir par ecurrence sur nN. La formule est
vraie aux rangs 1, 2 et 3. Supposons-la acquise au rang n>1 ; alors :
(p+pqp)n+1 = (p+pqp)(p+pqp)n= (p+pqp)¡p+ (2n1)pqp¢
=p2+ (2n1)p2qp +pqp2+ (2n1)(pqp)2
=p+ (2n1)pqp +pqp + (2n1)pqp =p+ (2n+1 1)pqp
Ceci ´etablit la formule au rang n+ 1 et ach`eve la preuve.
M´ethode 2 : pet pqp commutent, puisque ppqp =p2qp =pqp =pqp2=pqp p. Ceci autorise l’emploi de
la formule du binˆome, pour n>2. Comme pet pqp sont des projecteurs, nous aurons pk=ppour k > 0, et
(pqp)nk=pqp pour k < n. Nous isolons donc le premier et le dernier terme dans le d´eveloppement :
(p+pqp)n=X
06k6n
³n
k´pk(pqp)nk= (pqp)n+X
16k<n
³n
k´pk(pqp)nk+pn
=pqp +X
16k<n
³n
k´ppqp +p=p+ (2n+1 2)pqp +pqp =p+ (2n+1 1)pqp
Q6 Notons (i, jk, ) la base canonique de R3; d´efinissons ppar p(i) = i,p(j) = jet p(k) =
0 , et qpar q(i) = k,
q(j) = jet q(k) =
0 . Il est clair que pest un projecteur non trivial ; ppq est d´efini par (ppq)(i) = iet
(ppq)(j) = (ppq)(k) =
0 , c’est donc un projecteur non trivial et il est distinct de pcar pq 6= 0.
[AlgLin-Recueil] Compos´e le 16 janvier 2008
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