[<] L'anneau des endomorphismes [>] Formes linéaires et hyperplans
Dans l’espace vectoriel , on considère le plan d’équation11 1 Une telle équation détermine un plan de , voir le sujet 5187. et la droite vectorielle engendrée par .
Vérifier que et sont des espaces supplémentaires.
On note la projection sur parallèlement à . Exprimer .
On note la symétrie par rapport à parallèlement à . Exprimer .
Soient un -espace vectoriel et tel que .
Montrer que . Interpréter géométriquement.
Si est de dimension finie, que dire de la matrice de dans une base bien choisie?
Donner un exemple d’endomorphisme tel que son noyau et son image ne soit pas supplémentaires.
Solution
Soit . Il existe tel que et l’on a donc . Cela entraîne . Les espaces et sont en somme directe.
Pour , on peut écrire avec et car .
On conclut .
On sait qu’alors correspond à la projection sur parallèlement à .
Dans une base adaptée à la décomposition précédente, la matrice de est de la forme
Dans , l’endomorphisme de dérivation répond à la question.
En dimension finie , un endomorphisme nilpotent non nul répond aussi à la question.
Soient un -espace vectoriel et .
Montrer que est un projecteur si, et seulement si, l’est.
Exprimer alors et en fonction de et .
Solution
donc .
donc .
Inversement, soit , on a donc . Ainsi .
Finalement, et de même .
Soient et deux projecteurs d’un espace vectoriel .
Montrer que et ont le même noyau si, et seulement si, et .
Énoncer une condition semblable pour que et possèdent la même image.
Soient un -espace vectoriel et deux projecteurs de qui commutent.
Montrer que est un projecteur de . En déterminer noyau et image.
Solution
On a donc est un projecteur. Soit . Il existe tels que et alors
donc .
Ainsi,
Inversement, soit . On peut écrire avec et .
donc . Par suite, .
Par double inclusion,
Soit , il existe tel que . On a et donc . Ainsi .
Inversement, soit . Il existe et .
Ainsi, puis l’égalité.
Soient et deux projecteurs d’un -espace vectoriel vérifiant
Montrer que est un projecteur et préciser son image et son noyau.
Solution
Puisque , on a et en développant puis en simplifiant
On peut donc conclure que est un projecteur.
Montrons
L’inclusion est immédiate car
Inversement, soit . On peut écrire avec . On a alors par le calcul
et ainsi .
Montrons aussi
L’inclusion est immédiate. Inversement, pour on a
En appliquant , on obtient puis on en déduit aussi et ainsi .
Soient et deux projections d’un espace vectoriel .
Montrer que est une projection si, et seulement si, .
Préciser alors les espaces et .
Soient un -espace vectoriel et .
On suppose qu’il existe un projecteur de tel que .
Montrer que et .
En déduire .
Réciproque?
Solution
Si alors donc . Ainsi, .
Si alors donc d’où . Par suite, donc et enfin la relation précédente donne . Ainsi, .
Pour ,
Or car et
donc .
Supposons . On a . Soit une projection sur . On a car les vecteurs de sont invariants par et l’on a car . Ainsi, il existe une projection pour laquelle . La réciproque est vraie.
Soit un endomorphisme d’un espace vectoriel .
À quelle condition existe-t-il un projecteur de vérifiant ?
Solution
Supposons qu’un tel projecteur existe.
En composant la relation par à gauche, on obtient . On en déduit .
En composant la relation par à droite, il vient . On en déduit .
En composant la relation par à gauche, il vient . On en déduit .
L’endomorphisme doit donc vérifier .
Inversement, si alors . Considérons un projecteur sur un sous-espace vectoriel vérifiant et parallèlement à un sous-espace vectoriel supplémentaire arbitraire. On a car prend ses valeurs dans . On a aussi car prend ses valeurs dans . On vérifie alors .
En résumé, l’existence d’un projecteur tel que souhaité a lieu si, et seulement si, .
Soient un -espace vectoriel et un projecteur de . On pose et l’on considère
Montrer que et sont des sous-espaces vectoriels supplémentaires de .
Solution
est un endomorphisme de donc est un sous-espace vectoriel de .
est un endomorphisme de donc est un sous-espace vectoriel de .
Soit . Il existe tels que .
On a et car donc . Ainsi .
Soit . On a . Ainsi .
Finalement, et sont supplémentaires dans .
Soit un -espace vectoriel.
Soit un endomorphisme de involutif, c’est-à-dire tel que .
On pose et .
Montrer que et sont des sous-espaces vectoriels supplémentaires de .
Montrer que est la symétrie vectorielle par rapport à et parallèlement à .
Plus généralement, soient et un endomorphisme de tel que .
On pose et .
Montrer que et sont supplémentaires dans .
Montrer que est l’affinité par rapport à , parallèlement à et de rapport .
Solution
et sont des sous-espaces vectoriels car noyaux d’endomorphismes.
Soit . On a et donc . Ainsi .
Soit . Posons et .
On a , donc et donc .
Ainsi . et sont donc supplémentaires dans .
Pour tout , il existe un unique couple tel que .
On a donc est la symétrie par rapport à parallèlement à .
et sont des sous-espaces vectoriels car noyaux d’endomorphismes.
Soit . On a et donc . Ainsi .
Soit . Posons et .
On a , donc et donc .
Ainsi . et sont donc supplémentaires dans .
Pour tout , il existe un unique couple tel que .
On a donc est l’affinité par rapport à parallèlement à et de rapport .
Soit tel que . Montrer
Quelle transformation vectorielle réalise ?
Solution
Soit . On a et donc .
Soit . Posons et .
On a avec et après calculs.
est l’affinité vectorielle par rapport à , parallèlement à et de rapport 3.
Soient et deux endomorphismes d’un espace vectoriel réel vérifiant .
Montrer que et .
Montrer
Décrire l’endomorphisme .
Solution
Évidemment et .
Pour , on a donc .
Pour , il existe tel que et alors .
Si alors on peut écrire et puisque , donc .
Pour , on peut écrire avec et .
et donc est un projecteur. Plus précisément, c’est la projection sur parallèlement à .
Soient un polynôme non constant de et l’application de vers lui-même qui à associe le reste de la division euclidienne de par .
Vérifier que est un endomorphisme de .
Calculer et préciser la transformation géométrique réalisée par .
Soient et deux sous-espaces vectoriels supplémentaires d’un espace vectoriel réel de dimension finie. Pour toute application , on introduit l’application linéaire
et l’on note .
Soit . Vérifier que l’application est injective et établir que est un sous-espace vectoriel supplémentaire de dans .
Soient . On suppose . Établir .
Soit un sous-espace supplémentaire de dans . Déterminer une application linéaire telle que .
En déduire une application bijective entre l’espace et l’ensemble des sous-espaces vectoriels supplémentaires de dans .
Solution
Soit . On a et donc . Or , et donc . L’application linéaire est donc injective.
En tant qu’image d’une application linéaire, l’ensemble est un sous-espace vectoriel de . Puisque l’application linéaire est injective,
Aussi, pour tout , il existe tel que . On a alors
Or et donc puis . Ainsi,
Les espaces et sont donc en somme directe et puisque
les espaces et sont supplémentaires dans .
Soit . On a et il existe donc tel que
En réorganisant les membres,
Or et donc puis . Ainsi, les applications et sont égales.
Introduisons la projection sur parallèlement à et considérons la restriction de cette projection au départ de et à valeurs dans . Cette restriction est bien définie et détermine une application linéaire de vers .
Pour tout , et donc . Par égalité des dimensions, .
Notons l’ensemble des sous-espaces vectoriels supplémentaires de dans et considérons l’application
Par la première question, l’application est bien définie. Par la question suivante, on observe que l’application est injective. Enfin, par la question précédente, on a acquis que l’application est surjective. Finalement, est une bijection.
Soient un espace vectoriel, et deux sous-espaces vectoriels de .
Montrer que si et ont un supplémentaire commun alors ils sont isomorphes.
Montrer que la réciproque est fausse.
Solution
Supposons que soit un supplémentaire commun à et . Considérons la projection sur parallèlement à . Vérifions que définit par restriction un isomorphisme de vers .
L’application linéaire restreinte est bien définie de vers . Si alors est élément de et de , c’est donc le vecteur nul. Aussi, pour , on peut écrire avec et et alors
Finalement, définit un isomorphisme de vers .
En dimension finie, la réciproque est vraie car l’isomorphisme entraîne l’égalité des dimensions des espaces et l’on peut alors montrer l’existence d’un supplémentaire commun (voir l’exercice d’identifiant 181).
En dimension infinie, nous allons définir un contre-exemple.
Posons et prenons , . Les espaces et sont isomorphes via l’application . Ils ne possèdent pas de supplémentaires communs car seul est supplémentaire de et cet espace n’est pas supplémentaire de .
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Édité le 22-03-2025
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