Espaces vectoriels
1 Questions de cours
1. Montrer que toute intersection de sous-
espaces vectoriels est un sous-espace vec-
toriel.
2. Soient Fet Gdeux sous-espaes vecto-
riels d’un espace vectoriel E. Montrer
que G+Fest le sous-espace vectoriel de
Eengendré par FG.
3. Montrer que deux sous-espaces vectoriels
sont en somme directe si et seulement si
leur intersection est {0}.
2 Applications
1. Soit E={fC2(R,R)| ∀x
R, f′′(x) + xf(x) + cos(x)f(x) = 0}.
Montrer que Eest un espace vectoriel.
2. Soient Fet Gdeux sous-espaces vecto-
riels d’un espace E. Montrer que
FG=F+GF=G.
3. Soient fet gdeux endomorphismes d’un
espace E. Montrer que gf= 0
Im(f)ker(g).
3 Exercices
1. Soit Eun espace vectoriel sur Rou C.
Soient pet qdeux projecteurs de L(E).
(i) Montrer que p+qest un projecteur
si et seulement si pq=qp= 0.
(ii) Montrer que si p+qest un pro-
jecteur, alors ker(p+q) = ker(p)
ker(q).
2. Montrer que (x7→ eλx)λRest libre dans
C0(R,R).
3. Soient Eet Fdeux K-espaces vectoriels,
fL(E, F ), et Aet Bdeux sous-
espaces vectoriels de E. Montrer que
F(A)f(B)A+ker(f)B+ker(f).
4. Soient f, g L(E) tels que
gfg=g;
fgf=f.
(i) Montrer que Im fet ker gsont sup-
plémentaires dans E.
(ii) Justifier que f(Im g) = Im f.
5. Soient E, F deux K-espaces vectoriels, et
soit fL(E, F ). Montrer que
Ap(E), f(Vect A) = Vect f(A).
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6. Soit Eun espace vectoriel, et soit f
L(E). Montrer que fest une homoth-
étie si et seulement si xE, (x, f(x))
est liée.
7. Montrer que (R
+,,·) où
xy=xy et λ·x=xλ
est un R-espace vectoriel.
8. Soient F1,F2et F3trois sous-espaces vec-
toriels d’un espace E. Montrer que
F1F2+F1F3F1(F2+F3).
L’inclusion réciproque est-elle vraie ?
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4 Corrections
4.1 Applications
1. Cela vient directement du fait que C2est un espace vectoriel, et que la dérivation est
linéaire.
2. Pour le sens direct, on a FF+G=FGG, et de la même façon GF. Le sens
réciproque est trivial.
3. Si gf= 0 alors pour tout x,f(x)ker(g), et donc Im(f)ker(g).
Pour la réciproque, c’est identique.
4.2 Exercices
1. (i) Pour le sens direct, on a (p+q)2=p+q, et on en déduit pq+qp= 0. Dans cette
dernière égalité, on compose par pà droite, puis toujours dans la même égalité, par
pà gauche, et on obtient pq=qp, puis = 0.
Dans l’autre sens, c’est immédiat en vérifiant (p+q)2=p+q.
(ii) Il est clair que ker pker qker(p+q). Soit donc xtel que p(x) + q(x) = 0. En
composant par pà droite, p(x)+qp(x) = 0, puis p(x) = 0 par la première question.
De même, q(x) = 0.
2. Sinon, il existe une combinaison linéaire nulle :
n
X
i=1
µifi= 0.
Quitte à réorganiser les termes, on peut supposer que tous les µisont non nuls, et que
λ1>···> λn. On a alors
eλ1x n
X
i=1
µieλix!=Xµie(λ1λ1)x.
En faisant tendre xvers l’infini, on obtient µ1= 0, d’où une contradiction.
3. Supposons f(A)f(B). Soit xA+ ker f: on peut écrite x=u+vavec uAet
f(v) = 0. Alors f(x) = f(u)f(A)f(B), et donc il existe wBtel que f(x) = f(w).
Alors x=w+ (xw), avec wBet xwker f.
Réciproquement, supposons A+ ker fB+ ker f. Soit yf(A) : il existe xAtel que
y=f(x). Or xAA+ ker fB+kerf, et donc on peut écrire x=u+v,uBet
f(v) = 0.
Alors y=f(x) = f(u)f(B).
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4. (i) Soit xIm fker g. On peut écrire x=f(a), aE, donc
x=f(a) = (fgf)(a) = (fg)(x) = 0.
Donc la somme est bien directe. Soit xE. On pose u= (fg)(x) et v=xu. Il
est clair que uIm f, et g(v) = g(x)g(u) = 0, c’est-à-dire vker g.
(ii) On a directement f(Im g)Im f, et si yIm f, on peut écrire y=f(x) pour
x=g(a) + uuker f.
Alors y=f(g(a)) f(Im g).
5. Pour le sens direct, AVect A, et donc f(A)f(Vect A), pui Vect f(A) = Vect f(Vect A).
Or f(Vect A) est déjà un sous-espace de F, et donc on a bien l’inclusion directe.
Inversement, f1(Vect f(A)) est un sous-espace de E, qui contient A, donc f(A)
f(f1(Vect f(A))) Vect f(A).
6. Le sens direct est trivial. Supposons donc que toutes les (x, f(x)) sont liées :
xE, λxK, f(x) = λxx.
Soient xet ydans E, non nuls. Si (x, y) est liée, on a par exemple x=µy, et donc
f(x) = λxx
=f(µy)
=µλyy
=λyx
Comme x6= 0, on a λx=λy.
Si (x, y) est libre, alors
f(x+y) = λx+y(x+y)
=f(x) + f(y)
=λxx+λyy
Comme (x, y) est libre, λx=λy(via λx+y).
Finalement, pour tous x, y E,λx=λy, et donc fest une homothétie.
7. Il suffit de vérifier les axiomes.
8. Si xF1F2+F1F3, on peut écrire x=y2+y3, où y2F1F2et y3F1F3.
Comme y1et y2sont dans F1,xl’est aussi, et donc xF1(F2+F3).
La réciproque est fausse : on peut par exemple considérer dans R2les droites engendrées
par (0,1), (1,0) et (1,1).
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