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Eléments propres d’un endomorphisme
Exercice 1 [ 00768 ] [Correction]
Soient E=C(R,R)et Dl’endomorphisme de Equi à fassocie sa dérivée f0.
Déterminer les valeurs propres de Dainsi que les sous-espaces propres associés.
Exercice 2 [ 03126 ] [Correction]
Soient E=CNet f:EEl’application qui transforme une suite u= (un)en
v= (vn)définie par
v0=u0et nN, vn=un+un1
2
Déterminer les valeurs propres et les vecteurs propres de f.
Exercice 3 [ 00770 ] [Correction]
Soient El’espace des suites réelles convergeant vers 0 et : EE
l’endomorphisme défini par
uE, nN,∆(u)(n) = u(n+ 1) u(n)
Déterminer les valeurs propres de .
Exercice 4 [ 00769 ] [Correction]
Soient E=C0(R,R)et Il’endomorphisme de Equi à fEassocie sa primitive
qui s’annule en 0.
Déterminer les valeurs propres de I.
Exercice 5 [ 03467 ] [Correction]
Soit Ele R-espace vectoriel des fonctions continues de [0 ; +[vers Rconvergeant
en +.
Soit Tl’endomorphisme de Edonné par
x[0 ; +[, T (f)(x) = f(x+ 1)
Déterminer les valeurs propres de Tet les vecteurs propres associés.
Exercice 6 [ 00771 ] [Correction]
Soit Ele sous-espace vectoriel des fonctions de C([0 ; +[R)s’annulant en 0.
Pour tout fE, on définit ϕ(f): [0 ; +[Rpar
ϕ(f)(0) = 0 et ϕ(f)(x) = 1
xZx
0
f(t) dtpour x > 0
a) Montrer que ϕ(f)Epuis que ϕest un endomorphisme de E.
b) Déterminer les éléments propres de ϕ.
Exercice 7 [ 03435 ] [Correction]
Soit El’espace vectoriel des fonctions continues de [0 ; +[vers R.
Pour tout fE, on définit T(f): ]0 ; +[Rpar
T(f)(x) = 1
xZx
0
f(t) dtpour x > 0
a) Montrer que la fonction T(f)se prolonge par continuité en 0 et qu’alors Test
un endomorphisme de E.
b) Déterminer les éléments propres de T.
Exercice 8 [ 03063 ] [Correction]
Soit El’espace des fonctions fde classe C1de [0 ; +[vers Rvérifiant f(0) = 0.
Pour un élément fde Eon pose T(f)la fonction définie par
T(f)(x) = Zx
0
f(t)
tdt
Montrer que Test un endomorphisme de Eet trouver ses valeurs propres.
Exercice 9 [ 02700 ] [Correction]
Soit E=C([0 ; 1],R). Si fEon pose
T(f): x[0 ; 1] 7→ Z1
0
min(x, t)f(t) dt
a) Vérifier que Test un endomorphisme de E.
b) Déterminer les valeurs propres et les vecteurs propres de T.
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Exercice 10 [ 02577 ] [Correction]
a) Montrer que Φ, qui à Passocie
(X21)P0(X)(4X+ 1)P(X)
est un endomorphisme de R4[X].
b) Résoudre l’équation différentielle
y0=5λ
2(x1) +3 + λ
2(x+ 1)y
c) En déduire les valeurs propres et les vecteurs propres de Φ.
Exercice 11 [ 03125 ] [Correction]
Déterminer valeurs propres et vecteurs propres de l’endomorphisme ϕde Rn[X]
défini par
ϕ:P7→ (X21)P0nXP
Exercice 12 [ 02511 ] [Correction]
Soit aRet n2.
a) Montrer que φ(P)(X)=(Xa) (P0(X)P0(a)) 2(P(X)P(a)) définit
un endomorphisme de Rn[X].
b) À l’aide de la formule de Taylor, déterminer l’image et le noyau de φ.
c) Trouver ses éléments propres. L’endomorphisme est-il diagonalisable ?
Exercice 13 [ 03187 ] [Correction]
a) Soit fun endomorphisme d’un R-espace vectoriel de dimension finie. Si aest
valeur propre de f, de multiplicité m, et si E(f, a)est le sous-espace propre
attaché, montrer
1dim E(f, a)m
b) Soit
A=
1111
2222
3333
4444
Déterminer simplement les valeurs propres de A.
La matrice Aest-elle diagonalisable ?
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Corrections
Exercice 1 : [énoncé]
Soient λRet fE. On a
D(f) = λf fest solution de y0=λy
Les solutions de l’équation y0=λy sont les fonctions de la forme t7→ Ceλt.
Ainsi
Sp(D) = Ret Eλ(D) = Vect(t7→ eλt)
Exercice 2 : [énoncé]
Soient λCet uE. Étudions l’équation f(u) = λu. On a
f(u) = λu (1 λ)u0= 0
nN,(2λ1)un=un1
Cas λ= 1
f(u) = u⇒ ∀nN, un=un1
On en déduit que 1 est valeur propre de fet que le sous-espace propre associé est
formé des suites constantes.
Cas λ6= 1
f(u) = λu u0= 0
nN,(2λ1)un=un1
Que λ= 1/2ou non, on obtient
f(u) = λu ⇒ ∀nN, un= 0
et donc λn’est pas valeur propre.
Finalement
Sp f={1}
Exercice 3 : [énoncé]
Soient λRet uE.
∆(u) = λu ⇒ ∀nN, u(n+ 1) = (1 + λ)u(n)
Ainsi
∆(u) = λu ⇒ ∀nN, u(n) = u0(1 + λ)n
Pour λ]2 ; 0[, la suite u(n) = (1 + λ)nest élément non nul de Eet vérifie
∆(u) = λu.
Pour λ /]2 ; 0[, seule la suite nulle est converge vers 0 et satisfait
nN, u(n) = u0(1 + λ)n
On peut donc conclure
Sp(∆) = ]2 ; 0[
Exercice 4 : [énoncé]
Soient λRet fE. Si I(f) = λf alors I(f)est solution de l’équation
différentielle
y=λy0
Si λ= 0 alors I(f)=0.
Si λ6= 0 alors I(f)est de la forme x7→ Cex/λ et puisque I(f)s’annule en 0 donc
I(f)=0.
Dans les deux cas f=I(f)0= 0. Ainsi
Sp(I) =
Exercice 5 : [énoncé]
Soit λun réel et fune fonction élément de E.
Si T(f) = λf alors
x[0 ; +[, f(x+ 1) = λf(x)
En passant cette relation à la limite quand x+, on obtient
`=λ`
en notant `la limite de f.
Cas `6= 0 :
Nécessairement λ= 1 et
x[0 ; +[, f(x+ 1) = f(x)
Puisque la fonction fest périodique et converge en +, elle est constante.
Inversement, toute fonction constante non nulle est vecteur propre associé à la
valeur propre 1.
Cas `= 0 :
Si λest valeur propre alors en introduisant fvecteur propre associé, il existe
x0[0 ; +[tel que f(x0)6= 0 et la relation T(f) = λf donne par récurrence
nN, f(x0+n) = λnf(x0)
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En faisant tendre nvers +, on obtient |λ|<1.
Inversement, supposons |λ|<1.
Si T(f) = λf alors
f(1) = λf(0) et nN,x[0 ; 1[, f(x+n) = λnf(x)
La fonction fest donc entièrement déterminée par sa restriction continue sur
[0 ; 1] vérifiant f(1) = λf(0).
Inversement, si ϕ: [0 ; 1] Rest une fonction continue sur [0 ; 1] vérifiant
ϕ(1) = λϕ(0) alors la fonction fdonnée par
nN,x[0 ; 1[, f(x+n) = λnϕ(x)
et continue (on vérifie la continuité en kNpar continuité à droite et à gauche),
converge vers 0 en +et vérifie T(f) = λf.
Puisqu’il est possible de construire une fonction non nulle de la sorte, le scalaire
λ]1 ; 1[ est valeur propre et les vecteurs propres associés sont les fonctions non
nulles de la forme précédente.
Exercice 6 : [énoncé]
a) ϕ(f)est dérivable sur R
+donc continue sur R
+.
Puisque fest continue, fadmet une primitive Fet alors quand x0+
ϕ(f)(x) = F(x)F(0)
xF0(0) = f(0) = 0
On en déduit que ϕ(f)est continue en 0.
La linéarité de ϕest immédiate et donc ϕest un endomorphisme de E.
b) Soient λRet fune fonction de Enon nulle vérifiant ϕ(f) = λf.
Pour tout xR+,
Zx
0
f(t) dt=λxf(x)
donc fest de classe C1et vérifie
(1 λ)f(x) = λxf0(x)
Le cas λ= 0 implique f= 0 et est donc exclu.
Pour λ6= 0 et x > 0on a
xf0(x) = αf(x)
avec α= (1 λ)dont la résolution conduit à
f(x) = Cxα, x ]0 ; +[
Pour α= 0 ou α < 0la condition lim0f= 0 entraîne f= 0 et est donc exclue.
Par contre le cas α > 0(correspondant à λ]0 ; 1[) conduit au vecteur propre
f(x) = Cxα, x [0 ; +[
élément de E.
Exercice 7 : [énoncé]
a) T(f)est dérivable sur R
+donc continue sur R
+.
Puisque fest continue, fadmet une primitive Fet alors quand x0+
T(f)(x) = F(x)F(0)
xF0(0) = f(0)
On en déduit que T(f)se prolonge en une fonction continue en 0.
La linéarité de Test immédiate et donc Test un endomorphisme de E.
b) Soient λRet fune fonction de Enon nulle vérifiant T(f) = λf.
Pour tout x > 0,
Zx
0
f(t) dt=λxf(x)
donc fest de classe C1et vérifie
(1 λ)f(x) = λxf0(x)
Le cas λ= 0 implique f= 0 et est donc exclu.
Pour λ6= 0 et x > 0on a
xf0(x) = αf(x)
avec α= (1 λ)dont la résolution conduit à
f(x) = Cxα, x ]0 ; +[
Pour α < 0la condition lim0f= 0 entraîne f= 0 et est donc exclue.
Par contre le cas α0(correspondant à λ]0 ; 1]) conduit aux vecteurs
propres
f(x) = Cxα, x [0 ; +[, C 6= 0
éléments de E.
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Exercice 8 : [énoncé]
Puisque fest de classe C1et que f(0) = 0, on peut écrire
f(t) =t0f0(0)t+ o(t)
Ainsi la fonction ϕ:t7→ f(t)/t peut être prolongée par continuité en 0 et donc
l’intégrale définissant T(f)(x)a un sens en tant qu’intégrale d’une fonction
continue. De plus, la fonction T(f)apparaît alors comme la primitive s’annulant
en 0 de cette fonction continue ϕ, c’est donc une fonction élément de E. Enfin, la
linéarité de l’application Tétant immédiate, on peut affirmer que Test un
endomorphisme de E.
Soient λR.
Si T(f) = λf alors pour tout x[0 ; +[,
T(f)(x) = λf(x)
En dérivant cette relation, on obtient pour tout x[0 ; +[
f(x) = λxf0(x)
Si λ= 0 alors fest la fonction nulle et λn’est pas valeur propre.
Si λ6= 0,fest solution de l’équation différentielle λxy0=y.
Cette dernière est une équation différentielle linéaire d’ordre 1 homogène dont la
solution générale sur ]0 ; +[est
y(x) = Cx1
Ainsi, il existe CRtel que pour tout x > 0,
f(x) = Cx1
Or pour qu’une telle fonction puisse être prolongée en une fonction de classe C1
sur [0 ; +[, il faut C= 0 ou 11. Ainsi les valeurs propres de Tsont les
éléments de l’intervalle ]0 ; 1].
Inversement, soient λ]0 ; 1] et la fonction fλ:x7→ x1prolongée par continuité
en 0.
La fonction fλest de classe C1sur [0 ; +[, s’annule en 0 et vérifie T(fλ) = λfλ
sans être la fonction nulle.
Finalement, les valeurs propres de Tsont exactement les éléments de l’intervalle
]0 ; 1].
Exercice 9 : [énoncé]
a) On peut écrire
T(f)(x) = Zx
0
tf(t) dt+xZ1
x
f(t) dt
L’application T(f)apparaît alors comme continue (et même dérivable).
Ainsi, l’application Topère de Edans E, elle de surcroît évidemment linéaire.
b) Soient λRet fEvérifiant
T(f) = λf
Cas λ= 0
On a T(f)=0donc
Zx
0
tf(t) dt+xZ1
x
f(t) dt= 0
En dérivant, on obtient
xf(x)xf(x) + Z1
x
f(t) dt=Z1
x
f(t) dt= 0
En dérivant à nouveau, on obtient f= 0. Ainsi 0 n’est pas valeur propre de T.
Cas λ6= 0
On a T(f) = λf
Zx
0
tf(t) dt+xZ1
x
f(t) dt=λf
En particulier, on peut affirmer que f(0) = 0 car T(f)(0) = 0.
Le premier membre de l’équation T(f) = λf est dérivable donc la fonction f
est également dérivable et, en dérivant, on obtient la relation
Z1
x
f(t) dt=λf0(x)
En particulier f0(1) = 0.
Le premier membre de cette nouvelle équation étant dérivable, la fonction f
est deux fois dérivable et on obtient en dérivant l’équation différentielle
λf00(x) + f(x)=0
Sous cas λ < 0
Sachant f(0) = 0, la résolution de l’équation différentielle donne
f(x) = Ash x
p|λ|!
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