MPSI
Espaces vectoriels. Applications
linéaires
Exercice 1:
Soit Eun K-ev, f∈ E, n IN, λ1,...,λnKdeux à deux distincts. On note
Ni= Ker(fλiIdE)pour 1in.
Démontrer que les Nisont linéairement indépendants, c’est-à-dire :
(x1,...,xn)N1× · · · × Nn, x1+···+xn= 0 x1=···=xn= 0
Exercice 2:
Soit E= IR[X]le IR-ev des polynômes à coefficients réels, f:EE
P7→ PP
.
Montrer que fest un automorphisme et exprimer f1.
Exercice 3:
Soient Eun Kev, (a, b)K2tel que a6=b, f ∈ L(E)tel que
(faId) (fbId) = 0.
1. Montrer qu’il existe (λ, µ)K2et des projecteurs p, q de Etels que :
p=λ(faId), q =µ(fbId), f =bp +aq.
2. Pour tout kIN, calculer fken fonction de p, q, k, a, b.
Exercice 4:
Soit E= IR[X]le IR-ev des applications polynômiales à coefficients réels.
On définit D:EE
P7→ Pet I:EE
P7→ Rx
0P(t)dt
.
1. Vérifier que Det Isont linéaires.
2. Exprimer DIet ID.
3. Etudier l’injectivité, la surjectivité et la bijectivité de Det I.
Exercice 5:
Soient nIN \ {0; 1}.
1. Vérifier que Cnest un C-espace vectoriel pour les lois usuelles.
2. Soit E1le sev de Cnengendré par e= (
k fois
z}| {
1,...,1,0,...,0), et
H=n(x1,...,xn)Cn;
k
X
i=1
xi= 0o.
Vérifier que : E1H=Cn.
1
Exercice 6:
Soit Eun K-ev, E6={0}, f ∈ L(E)nilpotent et pson indice de nilpotence, c’est-à-
dire :
pIN, fp= 0, f (p1) 6= 0.
On suppose p2.
1. Montrer que Ker(f)6={0}.
2. Montrer que la famille (IdE,f,...,f(p1))est libre.
Exercice 7:
Soient Eun Kev, f∈ L(E). On suppose que, pour tout xde E, la famille (x, f(x))
est liée. Montrer que fest une homothétie. En déduire une description du commutant
de L(E), c’est-à-dire l’ensemble des éléments de L(E)qui commutent avec tous les
autres.
Exercice 8:
Soient Eun K-ev, pun projecteur de E,q= IdEp,
L={f∈ L(E); u∈ L(E), f =up}
et
M={g∈ L(E); v∈ L(E), g =vq}.
Montrer que Let Msont des sev supplémentaires dans L(E).
Exercice 9:
Soient E, F, G trois K-ev, f∈ L(E, F ), g, h ∈ L(F, G). Montrer :
Ker(gf) = Ker(hf)Im(f)Ker(g) = Im(f)Ker(h).
Exercice 10:
Soient nIN \ {0; 1}.
1. Vérifier que Cnest un C-espace vectoriel pour les lois usuelles.
2. Soit E1le sev de Cnengendré par e= (1,...,1),
H=((x1,...,xn)Cn;
n
X
i=1
xi= 0).
Vérifier que : E1H=Cn.
Exercice 11:
Soient E, F, G trois Kev, f∈ L(E, F ), g ∈ L(F, G). Montrer :
1. Ker(gf) = Ker(f)Ker(g)Im(f) = {0}
2. Im(gf) = Im(g)Ker(g) + Im(f) = F
Exercice 12:
Soient Eun Kev, F, G, F , Gdes sev de Etels que :
Fet Gsont supplémentaires dans E
Fet Gsont supplémentaires dans E
FG
2
Montrer que F, F , G Gsont en somme directe.
Exercice 13:
Soient Eun Kev, nIN, F1. . . Fndes sev de E.
1. Montrer que si, F1,...,Fnsont en somme directe et si, pour tout i∈ {1,...,n},
Liest une famille libre de Fialors Sn
i=1 Liest libre dans E.
2. Montrer que si, F1+···+Fn=Eet si, pour tout i∈ {1,...,n},Giest une
famille génératrice de Fi, alors Sn
i=1 Giest génératrice de E.
3. Montrer que si, F1,...,Fnsont en somme directe et de somme égale à Eet si,
pour tout i∈ {1,...,n},Biest une base de Fialors Sn
i=1 Biest une base de
E.
Exercice 14:
On considère le IR-ev IRIN formé des suites réelles. Soit r1IR, on pose
L=(un)nIRIN;n0, un+2 2r1un+1 +r2
1un= 0
Vérifier que Lest un sev de E.
Montrer que Lest de dimension 2.
On considère les suites u= (rn
1)net v= (nrn
1)n. Montrer que (u, v)est une
base de L.
Exercice 15:
1. Soient Eun K-ev de dimension finie, fL(E). Montrer qu’il existe un
automorphisme gde Eet un projecteur pde Etels que f=gp.
2. Soit Eun K-ev, pun projecteur de E, f L(E). Montrer :
pf=fpKer(p)et Im(p)sont stables par f.
Exercice 16:
Soient nIN \ {0; 1},Ele IR-ev des polynômes de IR[X]de degré n, et
f:EE
P7→ P(X+ 1) + P(X1) 2P(X)
.
1. Vérifier que fest linéaire. Déterminer Im(f),rg(f)et Ker(f).
2. Soit QIm(f). Montrer qu’il existe PEunique tel que f(P) = Qet P
soit divisible par X2.
Exercice 17:
1. Soient λK\ {0; 1},Eun K-ev, pun projecteur de E. Montrer que pλId
est un automorphisme de E.
2. Soit Eun K-ev de dimension 3, f L(E)tel que f2= 0, f 6= 0. Montrer que
le rang de fvaut 1.
3
Exercice 18:
Soient Eun K-ev, fL(E), ϕf:L(E)L(E)
g7→ fggf
.
1. Vérifier que ϕfL(L(E)).
2. Montrer que si fest nilpotent (il existe ntel que fn= 0) alors ϕfl’est aussi
Exercice 19:
Soit fL(IR3)tel que f2= 0. Montrer qu’il existe aIR3et une forme linéaire ϕ
sur IR3tels que :
xIR3, f(x) = ϕ(x)a.
Exercice 20:
Soit Eun K-ev, Fun sev de E.
Montrer que si Fest de dimension finie alors : fL(E), F f(F)F=
f(F).
Trouver un contre-exemple à ce qui précède si l’on ne suppose pas que Fest de
dimension finie.
Exercice 21:
Soient E, F, G trois K-ev de dimension finie, fL(E, F ), g L(F, G).
Ker(g|Im(f)) = Ker(g)Im(f)
En déduire : rg(gf) = rf(f)dim(Ker(g)Im(f)).
Montrer : rg(gf)rf(f) + rg(g)dim(F).
Exercice 22:
Soient Eun K-ev, F, G deux sev de E,f:F×GF+G
(x, y)7→ x+y
.
1. Vérifier que fest linéaire surjective.
2. Montrer Ker(f)FG.
3. En déduire que si Fet Gsont de dimensions finies alors F+Gaussi et
dim(F+G) = dim(F) + dim(G)dim(FG)
Exercice 23:
On considère le IR-ev IRIN formé des suites réelles. Soit r1, r2IR. On pose
L=(un)nIRIN;n0, un+2 (r1+r2)un+1 +r1r2un= 0
Vérifier que Lest un sev de E.
Montrer que Lest de dimension 2.
On considère les suites u= (rn
1)net v= (rn
2)n. Montrer que (u, v)est une
base de L.
4
Exercice 24:
Soient Eun K-ev et ϕ, ψ E\ {0}. Montrer :
Ker(ϕ) = Ker(ψ)⇔ ∃λK\ {0}, ψ =λϕ
Exercice 25:
Soient Eun K-ev et ϕEtelle que ϕ6= 0. Montrer que ϕest surjective.
Soit Fun sev de E. Montrer :
Hest un hyperplan ⇔ ∃ϕE, ϕ 6= 0, H = Kerϕ
Soient Eun K-ev et ϕ, ψ E\ {0}. Montrer :
Ker(ϕ) = Ker(ψ)⇔ ∃λK\ {0}, ψ =λϕ
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