1
J.F. COSSUTTA
jean-francois.cossutta@wanadoo.fr
Ceci est un premier jet et a besoin encore de beaucoup relectures pour bien tenir la
route. Si vous voyez des erreurs contactez moi.
ECRICOME 2014
EXERCICE 1
1. Notons Ele R-espace vectoriel des applications de R
+dans R.
Notons que Eest une partie de Eet que (u1, v1, u2, v2, . . . , un, vn) est une famille d’´el´ements de E.
Soit fun ´el´ement de E.
fE⇒ ∃(P, Q)Rn1[X]×Rn1[X],xR
+, f(x) = x P (x) + xln(x)Q(x).
fE⇒ ∃(a0, a1, . . . , an1)Rn,(b0, b1, . . . , bn1)Rn,xR
+, f(x) = xn1
k=0
akxk+xln(x)n1
k=0
bkxk.
fE⇒ ∃(a0, a1, . . . , an1)Rn,(b0, b1, . . . , bn1)Rn,xR
+, f(x) =
n1
k=0
akxk+1 + ln(x)n1
k=0
bkxk+1.
fE⇒ ∃(a0, a1, . . . , an1)Rn,(b0, b1, . . . , bn1)Rn,xR
+, f(x) =
n
k=1
ak1xk+ ln(x)n
k=1
bk1xk.
fE⇒ ∃(a0, a1, . . . , an1)Rn,(b0, b1, . . . , bn1)Rn,xR
+, f(x) =
n
k=1
ak1xk+
n
k=1
bk1xkln(x).
fE⇒ ∃(a0, a1, . . . , an1)Rn,(b0, b1, . . . , bn1)Rn,xR
+, f(x) =
n
k=1
ak1uk(x) +
n
k=1
bk1vk(x).
fE⇒ ∃(a0, a1, . . . , an1)Rn,(b0, b1, . . . , bn1)Rn,xR
+, f(x) = n
k=1
ak1uk+
n
k=1
bk1vk(x).
fE⇒ ∃(a0, a1, . . . , an1)Rn,(b0, b1, . . . , bn1)Rn, f =
n
k=1
ak1uk+
n
k=1
bk1vk.
fEfVect(u1, u2, . . . , un, v1, v2, . . . , vn,).
fEfVect(u1, v1, u2, v2, . . . , un, vn).
Par cons´equent : E= Vect(u1, v1, u2, v2, . . . , un, vn).
Alors Eest le sous-espace vectoriel de Eengendr´e par la famille (u1, v1, u2, v2, . . . , un, vn) de E. Finalement :
Eest un R-espace vectoriel et E= Vect(u1, v1, u2, v2, . . . , un, vn).
IExercice Montrons que la famille (u1, v1, u2, v2, . . . , un, vn)est libre. J
2. Soit fun ´el´ement de E. Comme E= Vect(u1, u2, . . . , un, v1, v2, . . . , vn), il existe deux ´el´ements (α1, α2, . . . , αn)
et (β1, β2, . . . , βn) de Rntels que : f=
n
k=1
αkuk+
n
k=1
βkvk.
2
k[[1, n]],xR
+, uk(x) = xket vk=xkln(x). Donc pour tout ´element kde [[1, n]], uket vksont continues sur
R
+.
De plus pour tout kdans [[1, n]], lim
x0+uk= lim
x0+xk= 0 et lim
x0+vk= lim
x0+xkln(x)= 0 (par croissance compar´ee...).
Alors :
lim
x0+f(x) = lim
x0+n
k=1
αkuk+
n
k=1
βkvk(x) = lim
x0+n
k=1
αkuk(x) +
n
k=1
βkvk(x)=
n
k=1
αk×0 +
n
k=1
βk×0.
Ainsi lim
x0+f(x) = 0.
Ainsi fest continue sur R
+et prolongeable par continuit´e en 0.
Chaque fonction fde Ese prolonge en une fonction continue sur R+.
IRemarque 1 On aurait pu aussi utiliser ”f(x) = x P (x) + xln x Q(x)” pour montrer ce r´esultat J
IRemarque 2 Soit fun ´el´ement de E.fse prolonge en une fonction continue sur R+que nous noterons
fdans la
suite.
Comme lim
x0+f(x) = 0,
f(0) = 0. Ainsi xR+,
f(x) = f(x)si xR
+
0si x= 0 .
Ce qui pr´ec`ede permet aussi de dire que, pour tout xdans R
+,x
0
f(t) dtconverge et vaut x
0
f(t) dt.
Ainsi, pour tout xdans R
+,1
xx
0
f(t) dtexiste et vaut 1
xx
0
f(t) dt. Alors φ(f)(x)est d´efinie pour tout xdans R
+.
Finalement φ(f)est bien une application de R
+dans Ret ceci pour tout fdans E.
φest donc une application du R-espace vectoriel Edans le R-espace vectoriel E.J
Soit kun ´el´ement de [[1, n]].
• ∀xR
+,uk(x) = uk(x) = xket uk(0) = 0 donc xR+,uk(x) = xk.
Alors xR
+, φ(uk)(x) = 1
xx
0
uk(t) dt=1
xx
0uk(t) dt=1
xx
0
tkdt=1
xtk+1
k+ 1x
0
=1
x
xk+1
k+ 1 =1
k+ 1 xk.
Ainsi xR
+, φ(uk)(x) = 1
k+ 1 uk(x). Donc φ(uk) = 1
k+ 1 uk.
Soit xdans R
+. Soit εun ´el´ement de ]0,+[.
wk:t1
k+ 1 tk+1 et h:tln(t) sont de classes C1sur ]0,+[. De plus tR
+, w
k(t) = tket h(t) = 1
t·
Ceci autorise l’int´egration par parties suivante. x
ε
vk(t) dt=x
ε
tkln(t) dt=tk+1
k+ 1 ln(t)x
εx
ε
tk+1
k+ 1
1
tdt.
x
ε
vk(t) dt=1
k+ 1 xk+1 ln(x)1
k+ 1 εk+1 ln(ε)x
ε
tk
k+ 1 dt=1
k+ 1 xk+1 ln(x)1
k+ 1 εk+1 ln(ε)tk+1
(k+ 1)2x
ε
.
x
ε
vk(t) dt=1
k+ 1 xk+1 ln(x)1
k+ 1 εk+1 ln(ε)xk+1
(k+ 1)2+εk+1
(k+ 1)2·
x
0
vk(t) dt= lim
ε0+x
ε
vk(t) dt= lim
ε0+1
k+ 1 xk+1 ln(x)1
k+ 1 εk+1 ln(ε)xk+1
(k+ 1)2+εk+1
(k+ 1)2·
Donc par croissance compar´ee : x
0
vk(t) dt=1
k+ 1 xk+1 ln(x)0xk+1
(k+ 1)2+ 0 = 1
k+ 1 xk+1 ln(x)1
(k+ 1)2xk+1·
Alors φ(vk)(x) = 1
xx
0
vk(t) dt=1
x1
k+ 1 xk+1 ln(x)1
(k+ 1)2xk+1=1
k+ 1 xkln(x)1
(k+ 1)2xk.
3
φ(vk)(x) = 1
k+ 1 vk(x)1
(k+ 1)2uk(x) = 1
k+ 1 vk1
(k+ 1)2uk(x) et ceci pour tout xdans R
+.
Donc φ(vk) = 1
k+ 1 vk1
(k+ 1)2uk.
Pour tout kdans [[1, n]], φ(uk) = 1
k+ 1 uket φ(vk) = 1
k+ 1 vk1
(k+ 1)2uk.
3. Rappelons que φest une application du R-espace vectoriel Edans le R-espace vectoriel E.
Soit λun r´eel. Soient fet gdeux ´el´ements de E.
xR
+, φ(λ f +g)(x) = 1
xx
0
(λ f +g)(t) dt=λ1
xx
0
f(t) dt+1
xx
0
g(t) dtcar toutes les int´egrales convergent.
xR
+, φ(λ f +g)(x) = λ φ(f)(x) + φ(g)(x) = λ φ(f) + φ(g)(x) donc φ(λ f +g) = λ φ(f) + φ(g).
Ainsi λR,(f, g)E2, φ(λ f +g) = λ φ(f) + φ(g). Par cons´equent :
φest lin´eaire.
Rappelons que pour tout kdans [[1, n]], φ(uk) = 1
k+ 1 uket φ(vk) = 1
k+ 1 vk1
(k+ 1)2uk.
Ainsi pour tout kdans [[1, n]], φ(uk) et φ(vk) sont des ´el´ements de Vect(u1, v1, u2, v2, . . . , un, vn).
Alors Vect φ(u1), φ(v1), φ(u2), φ(v2), . . . , φ(un), φ(vn)est contenu dans Vect(u1, v1, u2, v2, . . . , un, vn).
Soit fun ´el´ement de E.fest combinaison lin´eaire de (u1, v1, u2, v2, . . . , un, vn).
Comme φest lin´eaire, φ(f) est combinaison lin´eaire de φ(u1), φ(v1), φ(u2), φ(v2), . . . , φ(un), φ(vn).
Donc φ(f) appartient `a Vect φ(u1), φ(v1), φ(u2), φ(v2), . . . , φ(un), φ(vn).
Ainsi φ(f) appartient `a Vect(u1, v1, u2, v2, . . . , un, vn) donc `a E.
Si fest une fonction de E,φ(f) est une fonction de E.
IRemarque Ainsi on peut consid´erer que φest un endomorphisme de E.J
4. Rappelons que B= (u1, v1, u2, v2, . . . , un, vn) est une base de Eet qu’ainsi Eest de dimension 2n.
Pour tout kdans [[1, n]], φ(uk) = 1
k+ 1 uket φ(vk) = 1
k+ 1 vk1
(k+ 1)2uk.
Pour tout kdans [[1, n]] notons alors Tkla matrice
1
k+ 1 1
(k+ 1)2
01
k+ 1
de M2(R).
Alors la matrice de φdans la base Best la matrice diagonale par blocs ´egale `a
T1
T2 (0)
...
(0) Tn1
Tn
.
4
Alors la matrice de φdans la base Best la matrice diagonale par blocs ´egale `a
T1
T2 (0)
...
(0) Tn1
Tn
o`u
pour tout kdans [[1, n]] Tk=
1
k+ 1 1
(k+ 1)2
01
k+ 1
.
5. La matrice de φest une matrice triangulaire sup´erieure. Alors l’ensemble de ses valeurs propres est l’ensemble de
ses ´el´ements diagonaux.
Cet ensemble est 1
k+ 1 ;k[[1, n]]et il ne contient pas z´ero. 0 n’est pas valeur propre de Mdonc Mest inversible
et alors φest un automorphisme de E. Ajoutons que Sp φ= Sp M=1
k+ 1 ;k[[1, n]].
L’endomorphisme φde Eest bijectif. L’ensemble des valeurs propres de φest 1
k+ 1 ;k[[1, n]].
6. Rappelons que λest un ´el´ement de 1
k+ 1 ;k[[1, n]]. En particulier λn’est pas nul.
xR
+, g(x) = x1x
0
f(t) dt=x1x
0
f(t) dt.
fest une application continue de [0,+[ dans R. Alors xx
0
f(t) dtest la primitive de
fsur l’intervalle [0,+[
qui prend la valeur 0 en 0.
Donc xx
0
f(t) dtest d´erivable sur [0,+[ et de d´eriv´ee
f. De plus xx1est d´erivable sur R
+.
Alors par produit gest d´erivable sur R
+. De plus xR
+, g(x) = 1
λx11x
0
f(t) dt+x1
f(x).
xR
+, g(x) = 1
λx11x
0
f(t) dt+x1f(x) = 1
λx1
λ1
xx
0
f(t) dtλ f(x).
xR
+, g(x) = 1
λx1
λφ(f)(x)λ f(x).
Or fest un vecteur propre de φassoci´e `a la valeur propre λdonc φ(f) = λ f. Donc xR
+, φ(f)(x)λ f(x) = 0.
Alors xR
+, g(x) = 1
λx1
λ×0 = 0. Ainsi gest de d´eriv´ee nulle sur l’intervalle ]0,+[.
Donc gest constante sur ]0,+[. Alors il existe un r´eel γtel que xR
+, γ =g(x) = x1x
0
f(t) dt.
Alors xR
+,x
0
f(t) dt=γ x1.
Il existe un r´eel γtel que : xR
+,x
0
f(t) dt=γ x1.
xR
+, λ f(x) = φ(f)(x) = 1
xx
0
f(t) dt=1
xγ x1=γ x11. Donc xR
+, f(x) = γ
λx11(λn’est pas nul
).
5
Il existe un r´eel γtel que xR
+, f(x) = γ
λx11.
7. Soit λune valeur propre de φ. Soit fun vecteur propre de φassoci´e `a λ.
D’apr`es Q6., il existe un r´eel γtel que xR
+, f(x) = γ
λx11. Posons xR
+, ℓλ(x) = x11.
Alors il existe un r´eel γtel que f=γ
λλ. Donc fVect(λ).
Ainsi SEP (φ, λ)− {0E}est contenu dans Vect(λ). Or 0Eappartient `a Vect(λ) donc SEP (φ, λ)Vect(λ).
En particulier dim SEP (φ, λ)6Vect(λ) = 1.
De plus dim SEP (φ, λ)>1 car un sous-espace propre n’est pas de dimension nulle. Alors dim SEP (φ, λ) = 1.
La dimension des sous-espaces propres de φest 1.
Nous avons vu que l’ensemble des valeurs propres de φest 1
k+ 1 ;k[[1, n]]. De plus 1
2>1
3>···>1
n+ 1·
Ainsi φposs`ede nvaleurs propres distinctes et chaque sous-propres de φest de dimension 1.
Alors la somme des dimensions des sous-espaces propres de φest n. Or dim E= 2n. Ainsi :
φn’est pas diagonalisable.
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