Q1 Sens direct : supposons que p◦qest un projecteur. Soit z∈r¡im(q)¢: il existe y∈im(q) tel que r(y) = z; il
existe alors x∈Etel que q(x) = y. Ainsi, avec q◦q=q:
z=r(y) = r¡q(x)¢= (p◦q−q◦p)¡q(x)¢= (p◦q◦q)(x)−(q◦p◦q)(x) = (p◦q)(x)−(q◦p◦q)(x)
Nous en d´eduisons :
p(z) = p¡(p◦q)(x)−(q◦p◦q)(x)¢= (p◦p◦q)(x)−(p◦q◦p◦q)(x) = (p◦q)(x)−¡(p◦q)◦(p◦q)¢(x) = −→
0
puisque p◦qest, par hypoth`ese, un projecteur. Conclusion : z∈ker(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 x∈E; (r◦q)(x) =
r¡q(x)¢∈r¡im(q)¢, d’o`u (r◦q)(x)∈ker(p), autrement dit : p¡(r◦q)(x)¢=−→
0 , soit (p◦r◦q)(x) = −→
0 . Ceci
vaut pour tout x∈E, donc p◦r◦q=0, soit p◦(p◦q−q◦p)◦q=0, ou encore p◦p◦q◦q=p◦q◦p◦q, ce
qui, comme p◦p=pet q◦q=q, nous donne : p◦q= (p◦q)◦(p◦q) ; concluons : p◦qest un projecteur .
•Solution exp´editive, propos´ee par un ´etudiant : p◦qest un projecteur ⇐⇒ p◦q◦p◦q=p◦q⇐⇒ p◦q◦p◦
q−p◦q=0⇐⇒ p◦(q◦p−i)◦q=0⇐⇒ p◦(p◦q−r−i)◦q=0⇐⇒ p◦q−p◦r◦q−p◦q=0⇐⇒ p◦r◦q=0;
or p◦r◦q=0ssi r¡im(q)¢⊂ker(p).
Q2 •Soit z∈im(p◦q) : il existe x∈Etel que z= (p◦q)(x), donc z=p¡q(x)¢, ce qui prouve d´ej`a que z∈im(p).
Par ailleurs, nous pouvons ´ecrire z= (p◦q)(x)−q(x) + q(x) ; q(x)∈im(q), et (p◦q)(x)−q(x)∈ker(p)
car p¡(p◦q)(x)−q(x)¢= (p◦p◦q)(x)−(p◦q)(x) = −→
0 , puisque p◦p=p. Ainsi, z∈ker(p) + im(q), et
finalement z∈¡ker(p) + im(q)¢∩im(p). Ceci nous montre que im(p◦q)⊂¡ker(p) + im(q)¢∩im(p) .
•Prouvons l’inclusion inverse : soit z∈¡ker(p) + im(q)¢∩im(p). Il existe alors u∈ker(p) et v∈im(q) tels
que z=u+v. Mais v∈im(q) : donc il existe w∈Etel que v=q(w). Comme z∈im(p), p(z) = z, d’o`u :
z=p(z) = p¡u+q(w)¢=p(u) + p¡q(w)¢= (p◦q)(w)
ceci car u∈ker(p), donc p(u) = −→
0 . Nous avons ainsi montr´e que z∈im(p◦q), et par suite que
¡ker(p) + im(q)¢∩im(p)⊂im(p◦q).
Q3 Soit x∈E; alors
x∈ker(p◦q)⇐⇒ (p◦q)(x) = −→
0⇐⇒ p¡q(x)¢=−→
0⇐⇒ q(x)∈ker(p)⇐⇒ x∈q−1¡ker(p)¢
Fin de la d´emonstration.
Q4 •Soit x∈ker(p◦q) : 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) + ¡x−q(x)¢;x−q(x)∈ker(q) puisque qest un projecteur, donc
finalement x∈¡ker(p)∩im(q)¢+ ker(q). Ceci nous montre que ker(p◦q)⊂¡ker(p)∩im(q)¢+ ker(q) .
•Inversement, soit x∈¡ker(p)∩im(q)¢+ ker(q). Il existe alors u∈ker(p)∩im(q) et v∈ker(q) tels que
x=u+v. Alors (p◦q)(x) = (p◦q)(u) + (p◦q)(v) = (p◦q)(u), car (p◦q)(v) = p¡q(v)¢=−→
0 puisque
v∈ker(q). Mais u∈im(q), donc q(u) = u, et (p◦q)(x) = p¡q(x)¢=p(u) = −→
0 puisque u∈ker(p).
Finalement, x∈ker(p◦q), ce qui prouve que ¡ker(p)∩im(q)¢+ ker(q)⊂ker(p◦q).
•Nous avons ainsi ´etabli ker(p◦q) = ¡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(p◦q) = ¡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
f◦g; de mˆeme, f2d´esigne f◦f.
◮Soient pet qdeux endomorphismes de E. Nous supposons que pet p−pq 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.