PCSI 2013-2014 CORRECTION DS n˚11 Lyc´ee de L’essouriau
EXERCICE 3 - Un espace vectoriel polynˆomial
1. ∀(P, Q)∈E2,∀λ∈R, on a :
f(P+λQ)=(X2+X−2)(P+λQ)0(X)−(2X−1)(P+λQ)(X)+(P+λQ)(1)
f(P+λQ)=(X2+X−2)(P0(X) + λQ0(X)) −(2X−1)(P(X) + λQ(X)) + P(1) + λQ(1)
f(P+λQ)=(X2+X−2)P0(X)−(2X−1)P(X)+P(1)+λ((X2+X−2)Q0(X)−(2X−1)Q(X)+Q(1))
f(P+λQ) = f(P) + λf(Q). On en d´eduit que fest lin´eaire.
Si Pest un polynˆome, f(P) est encore un polynˆome mais v´erifions que deg(f(P)) 62.
On pose P=aX2+bX +c, alors :
f(P)=(X2+X−2)(2aX +b)−(2X−1)(aX2+bX +c)+(a+b+c)
f(P)=2aX3+ 2aX2−4aX +bX2+bX −2b−(2aX3+ 2bX2+ 2cX −aX2−bX −c) + (a+b+c)
f(P) = (3a−b)X2+ (−4a+ 2b−2c)X+ (a−b+ 2c) soit deg(f(P)) 62.
fest donc bien un endomorphisme de E.
2. (a) Pour a= 0, b = 0, c = 1, f(1) = −2X+ 2.
De mˆeme, f(X) = −X2+ 2X−1 et f(X2)=3X2−4X+ 1.
(b) f(1) + f(X2)=3X2−6X+ 3 = −3f(X), on en d´eduit que la famille f(1), f(X), f (X2) est li´ee.
Or rg(f) = rg(f(1), f(X), f(X2)) car il s’agit de l’image de la base canonique de E.
On a donc rg(f(1), f(X), f (X2)) = rg(f(1), f (X2)) 62.
f(1) et f(X2) ´etant deux polynˆomes de degr´es diff´erents, ils ne sont pas colin´eaires, cette famille
est donc libre et g´en´eratrice de Im(f).
On en d´eduit que c’est une base et donc que dim(Im f) = 2 soit rg f= 2.
fn’est donc pas injective car rg f6= dim E= 3.
3. (a) On pose P=aX2+bX +c∈Ker(f) soit f(P)=0E.
Par identification des coefficients, ceci ´equivaut d’apr`es l’expression du 1. au syst`eme :
3a−b= 0
−4a+ 2b−2c= 0
a−b+ 2c= 0 ⇔
b= 3a
2a−2c= 0
−2a+ 2c= 0 ⇔b= 3a
c=a
On en d´eduit que P=a(X2+ 3X+ 1) soit Ker(f) = Vect(X2+ 3X+ 1).
On sait d´ej`a que rg(f) = 2 et d’apr`es le 2.(b) une base de Im(f) est (f(1), f(X2)).
(b) Vu leur dimension, il suffit de prouver que Ker(f)∩Im(f) = {0E}.
Soit P∈Ker(f)∩Im(f).
Il existe α∈Rtel que P=α(X2+ 3X+ 2) et il existe (β, γ)∈Rtels que P=βf(1) + γf(X).
L’´egalit´e α(X2+ 3X+ 1) = β(−2X+ 2) + γ(3X2−4X+ 1) ´equivaut `a :
α= 3γ
3α=−2β−4γ
α= 2β+γ⇔
α= 3γ
−2β= 5γ
3γ=−5γ+γ
soit
α= 0
−2β= 0
γ= 0
.
Finalement Ker(f)∩Im(f) = {0E}et ce sont bien deux s.e.v. suppl´ementaires de E=R2[X].
4. Soit la famille B= (P0, P1, P2) o`u P0=X2+X−2, P1=X2+ 3X+ 1 et P2=X2−2X+ 1
(a) Il suffit de prouver que la famille est libre, ce qui est trivial en r´esolvant un syst`eme. Comme elle
est maximale, on en d´eduit que c’est une base de E.
(b) Pour a= 1, b = 1, c =−2, f(X2+X−2) = 2X2+ 2X−4=2P0.
Pour a= 1, b = 3, c = 1, f(X2+ 3X+ 1) = 0 (logique vu que ce polynˆome appartient `a Ker(f) !).
Pour a= 1, b =−2, c = 1, f(X2−2X+ 1) = 5X2−10X+ 5 = 5P2.
(c) Soit (a0, a1, a2)∈R3et Q=a0P0+a1P1+a2P2un ´el´ement de E.
Par lin´earit´e de f:f(Q) = a0f(P0) + a1f(P1) + a2f(P2)=2a0P0+ 5a2P2.
(d) Pour tout entier n∈N, on prouve trivialement par r´ecurrence que fn(Q)=2na0P0+ 5na2P2.
Soit pour Q= 2X2+X+ 2, fn(Q) = 2.2nP0+ 2.5nP2= 2.2n(X2+X−2) + 2.5n(X2−2X+ 1).
fn(Q) = (2.2n+ 2.5n)X2+ (2.2n−4.5n)X+ (−4.2n+ 2.5n).
On remarque 1 est racine de P0et P2donc de fn(Q) car fn(Q)(1) = 2.2nP0(1) + 2.5nP2(1) = 0.
L’autre racine αv´erifie 1 ×α=α=(−4.2n+2.5n)
2.2n+2.5nsoit α=(5n−2n+1)
2n+5n.
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