[http://mp.cpgedupuydelome.fr] édité le 10 juillet 2014 Enoncés 1
Somme directe de sous-espaces vectoriels
Exercice 1 [ 00212 ] [correction]
Soit fun endomorphisme d’un K-espace vectoriel Evérifiant f3=Id.
Montrer
ker(fId)Im(fId) = E
Exercice 2 [ 00214 ] [correction]
Soient f, g ∈ L(E)tels que
gfg=fet fgf=g
a) Montrer que ker f= ker get Imf=Img.
On pose
F= ker f= ker get G=Imf=Img
b) Montrer que
E=FG
Exercice 3 [ 00213 ] [correction]
Soient f, g ∈ L(E)tels que
fgf=fet gfg=g
Montrer que ker fet Imgsont supplémentaires dans E.
Exercice 4 [ 00215 ] [correction]
Soient f, g ∈ L(E)tels que
gfg=get fgf=f
a) Montrer que
Imfker g=E
b) Justifier que
f(Img) = Imf
Exercice 5 [ 00223 ] [correction]
Soit fun endomorphisme d’un K-espace vectoriel Ede dimension finie vérifiant
rg(f2) = rgf
a) Etablir
Imf2=Imfet ker f2= ker f
b) Montrer
ker fImf=E
Exercice 6 [ 00224 ] [correction]
Soient Eun K-espace vectoriel de dimension finie et f, g ∈ L(E).
On suppose
Imf+Img= ker f+ ker g=E
Montrer que ces sommes sont directes.
Exercice 7 [ 00190 ] [correction]
Soient F, G, F 0, G0des sous-espaces vectoriels d’un K-espace vectoriel Evérifiant
FG=F0G0=Eet F0G
Montrer
FF0(GG0) = E
Exercice 8 [ 00216 ] [correction]
Soient u∈ L(E)(avec dim E < +) nilpotent et pN?tel que up= 0.
a) Etablir que pour tout k∈ {1, . . . , p}, il existe un sous-espace vectoriel Fkde E
tel que
ker uk= ker uk1Fk
b) Etablir que E=F1 · · · Fp.
c) Observer que la matrice de udans une base adaptée à la somme directe
ci-dessus est triangulaire supérieure à coefficients diagonaux nuls.
Exercice 9 [ 00217 ] [correction]
Soient nNet E=Rn[X].
Pour tout i[[0, n]], on note
Fi={PE/j[[0, n]] \ {i}, P (j)=0}
Montrer que les Fisont des sous-espaces vectoriels et que
E=F0 · · · Fn
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Exercice 10 [ 00218 ] [correction]
Soient f1, . . . , fndes endomorphismes d’un K-espace vectoriel Evérifiant
f1+· · · +fn=Id et 16i6=j6n, fifj= 0
a) Montrer que chaque fiest une projection vectorielle.
b) Montrer que n
i=1 Imfi=E.
Exercice 11 [ 00219 ] [correction]
Soient Eun C-espace vectoriel de dimension finie et p1, . . . , pmdes projecteurs de
Edont la somme vaut IdE. On note F1, . . . , Fmles images de p1, . . . , pm. Montrer
E=m
k=1 Fk
Exercice 12 [ 00220 ] [correction]
Pour dN, notons Hdl’ensemble formé des fonctions polynomiales de R2vers R
homogènes de degré di.e. pouvant s’écrire comme combinaison linéaire de
fonction monôme de degré d.
Montrer que (Hd)06d6nest une famille de sous-espaces vectoriels en somme
directe.
Exercice 13 [ 00221 ] [correction]
Soient Eun K-espace vectoriel de dimension finie et F1, . . . , Fndes sous-espaces
vectoriels de E.
On suppose que E=F1+· · · +Fn.
Montrer qu’il existe G1, . . . , Gnsous-espaces vectoriels tels que :
16i6n, GiFiet E=G1 · · · Gn
Exercice 14 [ 00222 ] [correction]
Soient E1, . . . , Enet F1, . . . , Fnsous-espaces vectoriels de Etel que EiFiet
n
i=1 Ei=n
i=1 Fi
Montrer que Ei=Fi.
Exercice 15 [ 02680 ] [correction]
Soit Eet Fdes K-espaces vectoriels. On se donne f∈ L(E, F ), une famille
(Ei)16i6nde sous-espaces vectoriels de Eet une famille (Fj)16j6pde sous-espaces
vectoriels de F.
a) Montrer
f(
n
X
i=1
Ei) =
n
X
i=1
f(Ei)
b) Montrer que si fest injective et si la somme des Eiest directe alors la somme
des f(Ei)est directe.
c) Montrer
f1(
p
X
j=1
Fj)
p
X
j=1
f1(Fj)
Montrer que cette inclusion peut être stricte. Donner une condition suffisante
pour qu’il y ait égalité.
Exercice 16 [ 03241 ] [correction]
Soient E, F, G trois K-espaces vectoriels et u∈ L(E, F ),v∈ L(F, G)et w=vu.
Montrer que west un isomorphisme si, et seulement si, uest injective, vest
surjective et
Imuker v=F
Exercice 17 [ 03459 ] [correction]
Soient Eun R-espace vectoriel de dimension finie nnon nulle et f∈ L(E)
vérifiant f2=IdE.
a) Soit aEnon nul. Montrer que la famille (a, f(a)) est libre.
On pose F(a) = Vect (a, f(a)).
b) Montrer qu’il existe des vecteurs de E a1, . . . , apnon nuls tels que
E=F(a1) · · · F(ap)
c) En déduire que la dimension de Eest paire et justifier l’existence d’une base de
Edans laquelle la matrice de fest simple.
Exercice 18 [ 03638 ] [correction]
Soient Eun R-espace vectoriel de dimension finie nN?et δune application à
valeurs réelles définie sur l’ensemble des sous-espaces vectoriels de E. On suppose
F, F 0sous-espaces vectoriels de E,FF0={0E} ⇒ δ(F+F0) = δ(F) + δ(F0)
Déterminer δ.
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Exercice 19 [ 03852 ] [correction]
Dans l’espace Edes fonctions continues de [1,1] vers R, on considère les
sous-espaces vectoriels
F1={fE/f est constante},F2={fE/t[1,0] , f(t)=0}
et F3={fE/t[0,1] , f(t)=0}
Etablir
E=F1F2F3
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Corrections
Exercice 1 : [énoncé]
Soit xker(fId)Im(fId).
On a f(x) = xet on peut écrire x= (fId)(a) = f(a)a.
f(x) = f2(a)f(a),f2(x) = f3(a)f2(a) = af2(a)puis x+f(x) + f2(x)=0.
Or x+f(x) + f2(x)=3xdonc x= 0.
Soit xE.
Analyse : Supposons x=u+vavec uker(fId)et vIm(fId).
On peut écrire v=f(a)a.
Ainsi x=u+f(a)a, f(x) = u+f2(a)f(a), f2(x) = u+af2(a).
Donc u=1
3(x+f(x) + f2(x)).
Synthèse : Posons u=1
3(x+f(x) + f2(x)) et v=xu.
On a f(u) = ucar f3(x) = xet
v=2
3x1
3f(x)1
3f2(x) = 1
3x1
3f(x)1
3f2(x) + 1
3f3(x)
donc
v= (fId)1
3x+1
3f2(x)Im(fId)
Finalement ker(fId)Im(fId) = E.
Exercice 2 : [énoncé]
a) Si xker falors g(x)=(fgf)(x)=0donc xker g. Par symétrie
ker f= ker g.
Si yImfalors il existe aEtel que y=f(a)=(gfg)(a)donc yImg. Par
symétrie
Imf=Img
b) Soit xFG. Il existe aEtel que x=g(a)or
f(a) = (gfg)(a)=(gf)(x) = g(0) = 0
Ainsi aker f= ker gd’où x=g(a)=0.
Soit xE.
Analyse :
Supposons x=u+vavec uF= ker fet v=g(a)G=Img.
On a
f(x)=(fg)(a)
donc
(gf)(x) = f(a)
Synthèse :
Puisque (gf)(x)Img=Imf, il existe aEtel que
(gf)(x) = f(a)
Posons alors v=g(a)et u=xv. On a immédiatement vImget x=u+v.
On a aussi uker fcar
f(u) = f(x)f(v)Imf
et
g(f(u)) = (gf)(x)(gfg)(a)=(gf)(x)f(a)=0
Ainsi
f(u)ker gImf
puis
f(u)=0
Exercice 3 : [énoncé]
Soit xker fImg. On peut écrire x=g(a)avec aE.
On a alors
f(g(a)) = 0
puis
x=g(a)=(gfg)(a) = g(0) = 0
Soit xE. On peut écrire x=a+bavec
a=xg(f(x)) et b=g(f(x))
On vérifie immédiatement bImget on obtient aker fpar
f(a) = f(x)f(g(f(x)) = 0
Exercice 4 : [énoncé]
a) Soit xImfker g.
Il existe aEtel que x=f(a)donc
x=f(a)=(fgf)(a)=(fg)(x)=0
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Soit xE.
Analyse :
Supposons x=u+vavec u=f(a)Imfet vker g.
g(x) = gf(a)donc (fg)(x) = f(a) = u.
Synthèse :
Posons u= (fg)(x)et v=xu.
On a uImf,x=u+vet g(v) = g(x)g(u)=0i.e. vker g.
b) On a f(Img)Imfet yImfon peut écrire y=f(x)avec x=g(a) + uet
uker f.
On a alors y=f(g(a)) f(Img).
Exercice 5 : [énoncé]
a) rg(f2) = rg(f)Imf2=Imfcar on sait Imf2Imf.
Par le théorème du rang ker f2= ker fcar on sait ker fker f2.
b) Soit xker fImf.
On peut écrire x=f(a). Comme f(x)=0, on a aker f2= ker fdonc x= 0.
Par le théorème du rang, on conclut.
Exercice 6 : [énoncé]
D’une part
rgf+rggdim ImfImg= dim E
et d’autre part
dim ker f+ dim ker gdim ker fker g= dim E
En sommant et en exploitant la formule du rang
dim ImfImg+ dim ker fker g60
donc ImfImg= ker fker g={0}.
Exercice 7 : [énoncé]
Supposons x+x0+y= 0 avec xF,x0F0et yGG0.
Puisque x0F0Get yGG0G, on a x0+yG.
Or Fet Gsont en somme directe donc x+ (x0+y)=0avec xFet x0+yG
entraîne x= 0 et x0+y= 0.
Sachant x0+y= 0 avec xF0,yG0et F0, G0en somme directe, on a
x0=y= 0.
Finalement x=x0=y= 0 et on peut affirmer que les espaces F, F 0et GG0sont
en somme directe.
Soit aF. Puisque E=FG, on peut écrire a=x+bavec xFet bG.
Sachant E=F0G0, on peut écrire b=x0+yavec x0F0et yG0.
Or y=bx0avec bGet x0F0Gdonc yGet ainsi yGG0.
Finalement, on obtient a=x+x0+yavec xF,x0F0et yGG0.
On peut conclure EFF0(GG0)puis E=FF0(GG0).
Exercice 8 : [énoncé]
a) ker uk1est un sous-espace vectoriel de ker uket comme on se place en
dimension finie, tout sous-espace vectoriel admet un supplémentaire.
b)
E= ker up= ker up1Fp= ker up2Fp1Fp=· · · = ker u0F1 · · · Fp
avec ker u0={0}.
c) ker uk1dans ker uk. On a E= ker up= ker up1Fp=. . . =F1 · · · Fp.
Dans une base adaptée à cette décomposition la matrice de uest :
(0) (?)
...
(0) (0)
et c’est donc une matrice triangulaire supérieure stricte.
Exercice 9 : [énoncé]
Les Fisont clairement des sous-espaces vectoriels.
Supposons P0+· · · +Pn= 0 avec PiFi.
Pipossède par définition nracines et (P0+· · · +Pn)(i)=0donc Pi(i)=0ce qui
fournit une n+ 1ème racine. Par suite Pi= 0 car deg Pi6n.
Soit PE.
Analyse : Supposons P=P0+· · · +Pnavec PiFi.
On a P(i) = Pi(i)car Pj(i)=0pour j6=i.
Par suite
Pi=P(i)
n
Y
j=0,j6=i
(Xj)
(ij)
Synthèse : Les Piprécédemment proposés conviennent car
PiFipar construction et P=P0+· · · +Pnpuisque P(P0+· · · +Pn)est le
polynôme nul car de degré 6net possédant au moins n+ 1 racines : 0,1, . . . , n.
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