[<] L'anneau des endomorphismes [>] Formes linéaires et hyperplans

 
Exercice 1  4388  

Dans l’espace vectoriel 3, on considère le plan P d’équation11 1 Une telle équation détermine un plan de 3, voir le sujet 5187. x-y+z=0 et la droite vectorielle D engendrée par u=(1,3,1).

  • (a)

    Vérifier que P et D sont des espaces supplémentaires.

  • (b)

    On note p la projection sur P parallèlement à D. Exprimer p(x,y,z).

  • (c)

    On note s la symétrie par rapport à P parallèlement à D. Exprimer s(x,y,z).

 
Exercice 2  5954    ENSTIM (MP)Correction  

Soient E un 𝕂-espace vectoriel et f(E) tel que ff=f.

  • (a)

    Montrer que Ker(f)Im(f)=E. Interpréter géométriquement.

  • (b)

    Si E est de dimension finie, que dire de la matrice de f dans une base bien choisie?

  • (c)

    Donner un exemple d’endomorphisme f tel que son noyau et son image ne soit pas supplémentaires.

Solution

  • (a)

    Soit xKer(f)Im(f). Il existe aE tel que x=f(a) et l’on a f(x)=0 donc f2(a)=0. Cela entraîne x=f(a)=f2(a)=0. Les espaces Ker(f) et Im(f) sont en somme directe.

    Pour xE, on peut écrire x=(x-f(x))+f(x) avec f(x)Im(f) et x-f(x)Ker(f) car f(x-f(x))=f(x)-f2(x)=0.

    On conclut E=Ker(f)Im(f).

    On sait qu’alors f correspond à la projection sur Im(f) parallèlement à Ker(f).

  • (b)

    Dans une base adaptée à la décomposition précédente, la matrice de f est de la forme

    (OOOIr) avec r=rg(f).
  • (c)

    Dans E=𝕂[X], l’endomorphisme de dérivation répond à la question.

    En dimension finie n2, un endomorphisme nilpotent non nul répond aussi à la question.

 
Exercice 3  1718  Correction  

Soient E un 𝕂-espace vectoriel et p(E).

  • (a)

    Montrer que p est un projecteur si, et seulement si, Id-p l’est.

  • (b)

    Exprimer alors Im(Id-p) et Ker(Id-p) en fonction de Im(p) et Ker(p).

Solution

  • (a)

    (Id-p)2=Id-2p+p2 donc (Id-p)2=(Id-p)p=p2.

  • (b)

    p(Id-p)=0~ donc Im(Id-p)Ker(p).
    Inversement, soit xKer(p), on a (Id-p)(x)=x-p(x)=x donc xIm(Id-p). Ainsi Ker(p)Im(Id-p).

    Finalement, Ker(p)=Im(Id-p) et de même Ker(Id-p)=Im(p).

 
Exercice 4  165   

Soient p et q deux projecteurs d’un espace vectoriel E.

  • (a)

    Montrer que p et q ont le même noyau si, et seulement si, pq=p et qp=q.

  • (b)

    Énoncer une condition semblable pour que p et q possèdent la même image.

 
Exercice 5  1720   Correction  

Soient E un 𝕂-espace vectoriel et p,q deux projecteurs de E qui commutent.
Montrer que pq est un projecteur de E. En déterminer noyau et image.

Solution

On a (pq)2=pqpq=p2q2=pq donc pq est un projecteur. Soit xKer(p)+Ker(q). Il existe (u,v)Ker(p)×Ker(q) tels que x=u+v et alors

(pq)(x)=(pq)(u)+(pq)(v)=(qp)(u)+(pq)(v)=0E

donc xKer(pq).

Ainsi,

Ker(p)+Ker(q)Ker(pq).

Inversement, soit xKer(pq). On peut écrire x=u+v avec uKer(p) et vIm(p).

(pq)(x)=(qp)(x)=q(v)=0E

donc vKer(q). Par suite, xKer(p)+Ker(q).

Par double inclusion,

Ker(pq)=Ker(p)+Ker(q).

Soit yIm(pq), il existe xE tel que y=(pq)(x). On a y=p(q(x))Im(p) et y=q(p(x))Im(q) donc yIm(p)Im(q). Ainsi Im(pq)Im(p)Im(q).

Inversement, soit yIm(p)Im(q). Il existe xE,y=q(x) et y=p(y)=(pq)(x)Im(pq).

Ainsi, Im(p)Im(q)Im(pq) puis l’égalité.

 
Exercice 6  3759     ENSIIE (MP)Correction  

Soient p et q deux projecteurs d’un -espace vectoriel E vérifiant

Im(p)Ker(q).

Montrer que p+q-pq est un projecteur et préciser son image et son noyau.

Solution

Puisque Im(p)Ker(q), on a qp=0 et en développant puis en simplifiant

(p+q-pq)2=p+q-pq.

On peut donc conclure que r=p+q-pq est un projecteur.
Montrons

Im(r)=Im(p)+Im(q).

L’inclusion est immédiate car

xE,r(x)=p(x-q(x))+q(x).

Inversement, soit xIm(p)+Im(q). On peut écrire x=p(a)+q(b) avec a,bE. On a alors par le calcul

r(x)=r(p(a))+r(q(b))=p(a)+q(b)=x

et ainsi xIm(r).
Montrons aussi

Ker(r)=Ker(p)Ker(q).

L’inclusion est immédiate. Inversement, pour xKer(r) on a

p(x)+q(x)-pq(x)=0E.

En appliquant q, on obtient q(x)=0E puis on en déduit aussi p(x)=0E et ainsi xKer(p)Ker(q).

 
Exercice 7  164      CENTRALE (MP)

Soient p et q deux projections d’un espace vectoriel E.

  • (a)

    Montrer que p+q est une projection si, et seulement si, pq=qp=0.

  • (b)

    Préciser alors les espaces Im(p+q) et Ker(p+q).

 
Exercice 8  166   Correction  

Soient E un 𝕂-espace vectoriel et u(E).

On suppose qu’il existe un projecteur p de E tel que u=pu-up.

  • (a)

    Montrer que u(Ker(p))Im(p) et Im(p)Ker(u).

  • (b)

    En déduire u2=0.

  • (c)

    Réciproque?

Solution

  • (a)

    Si xKer(p) alors p(u(x))=u(x)+u(p(x))=u(x) donc u(x)Im(p). Ainsi, u(Ker(p))Im(p).

    Si xIm(p) alors p(x)=x donc u(x)=p(u(x))-u(p(x))=p(u(x))-u(x) d’où 2u(x)=p(u(x)). Par suite, u(x)Im(p) donc p(u(x))=u(x) et enfin la relation précédente donne u(x)=0. Ainsi, xKer(u).

  • (b)

    Pour xE,

    u(x)=u(p(x))+u(x-p(x)).

    Or u(p(x))=0 car Im(p)Ker(u) et

    u(x-p(x))u(Ker(p))Im(p)Ker(u)

    donc u2(x)=0.

  • (c)

    Supposons u2=0. On a Im(u)Ker(u). Soit p une projection sur Im(u). On a pu=u car les vecteurs de Im(u) sont invariants par p et l’on a up=0 car Im(p)=Im(u)Ker(u). Ainsi, il existe une projection p pour laquelle u=pu-up. La réciproque est vraie.

 
Exercice 9  5823   Correction  

Soit u un endomorphisme d’un espace vectoriel E.

À quelle condition existe-t-il un projecteur p de E vérifiant u=puup?

Solution

Supposons qu’un tel projecteur p existe.

En composant la relation u=puup par p à gauche, on obtient pu=pupup. On en déduit pup=0.

En composant la relation u=puup par p à droite, il vient up=pupup. On en déduit up=0.

En composant la relation u=puup par u à gauche, il vient u2=upuuup. On en déduit u2=0.

L’endomorphisme u doit donc vérifier u2=0.

Inversement, si u2=0 alors Im(u)Ker(u). Considérons p un projecteur sur un sous-espace vectoriel F vérifiant Im(u)FKer(u) et parallèlement à un sous-espace vectoriel G supplémentaire arbitraire. On a pu=u car u prend ses valeurs dans Im(p). On a aussi up=0 car p prend ses valeurs dans Ker(u). On vérifie alors u=uppu.

En résumé, l’existence d’un projecteur tel que souhaité a lieu si, et seulement si, u2=0.

 
Exercice 10  1725   Correction  

Soient E un 𝕂-espace vectoriel et p un projecteur de E. On pose q=Id-p et l’on considère

L={f(E)|u(E),f=up}etM={g(E)|v(E),g=vq}.

Montrer que L et M sont des sous-espaces vectoriels supplémentaires de (E).

Solution

φ:uup est un endomorphisme de (E) donc L=Im(φ) est un sous-espace vectoriel de (E).
ψ:vvq est un endomorphisme de (E) donc M=Im(ψ) est un sous-espace vectoriel de (E).
Soit fLM. Il existe u,v(E) tels que f=up=vq.
On a fp=up2=up=f et fp=vqp=0 car qp=0 donc f=0. Ainsi LM={0}.
Soit f(E). On a f=fId=f(p+q)=fp+fqL+M. Ainsi (E)=L+M.

Finalement, L et M sont supplémentaires dans (E).

 
Exercice 11  1723   Correction  

Soit E un 𝕂-espace vectoriel.
Soit s un endomorphisme de E involutif, c’est-à-dire tel que s2=Id.
On pose F=Ker(s-Id) et G=Ker(s+Id).

  • (a)

    Montrer que F et G sont des sous-espaces vectoriels supplémentaires de E.

  • (b)

    Montrer que s est la symétrie vectorielle par rapport à F et parallèlement à G.
    Plus généralement, soient α𝕂{1} et f un endomorphisme de E tel que f2-(α+1)f+αId=0.
    On pose F=Ker(f-Id) et G=Ker(f-αId).

  • (c)

    Montrer que F et G sont supplémentaires dans E.

  • (d)

    Montrer que f est l’affinité par rapport à F, parallèlement à G et de rapport α.

Solution

  • (a)

    F et G sont des sous-espaces vectoriels car noyaux d’endomorphismes.
    Soit xFG. On a s(x)=x et s(x)=-x donc x=o. Ainsi FG={o}.
    Soit xE. Posons u=12(x+s(x)) et v=12(x-s(x)).
    On a x=u+v, s(u)=u donc uF et s(v)=-v donc vG.
    Ainsi F+G=E. F et G sont donc supplémentaires dans E.

  • (b)

    Pour tout xE, il existe un unique couple (u,v)F×G tel que x=u+v.
    On a s(x)=s(u)+s(v)=u-v donc x est la symétrie par rapport à F parallèlement à G.

  • (c)

    F et G sont des sous-espaces vectoriels car noyaux d’endomorphismes.
    Soit xFG. On a f(x)=x et f(x)=αx donc x=o. Ainsi FG={o}.
    Soit xE. Posons u=11-α(f(x)-αx) et v=11-α(x-f(x)).
    On a x=u+v, f(u)=u donc uF et f(v)=αv donc vG.
    Ainsi F+G=E. F et G sont donc supplémentaires dans E.

  • (d)

    Pour tout xE, il existe un unique couple (u,v)F×G tel que x=u+v.
    On a f(x)=f(u)+f(v)=u+αv donc f est l’affinité par rapport à F parallèlement à G et de rapport α.

 
Exercice 12  1724   Correction  

Soit f(E) tel que f2-4f+3Id=0~. Montrer

Ker(f-Id)Ker(f-3Id)=E.

Quelle transformation vectorielle réalise f?

Solution

Soit xKer(f-Id)Ker(f-3Id). On a f(x)=x et f(x)=3x donc x=o.
Soit xE. Posons u=12(3x-f(x)) et v=12(f(x)-x).
On a x=u+v avec uKer(f-Id) et vKer(f-3Id) après calculs.
f est l’affinité vectorielle par rapport à F=Ker(f-Id), parallèlement à G=Ker(f-3Id) et de rapport 3.

 
Exercice 13  3359     CCINP (MP)Correction  

Soient f et g deux endomorphismes d’un espace vectoriel réel E vérifiant fg=IdE.

  • (a)

    Montrer que Ker(gf)=Ker(f) et Im(gf)=Im(g).

  • (b)

    Montrer

    E=Ker(f)Im(g).
  • (c)

    Décrire l’endomorphisme gf.

Solution

  • (a)

    Évidemment Ker(f)Ker(gf) et Im(gf)Im(g).

    Pour xKer(gf), on a f(x)=f(g(f(x)))=f(0)=0 donc xKer(f).

    Pour yIm(g), il existe xE tel que y=g(x) et alors y=g(f(g(x)))=g(f(a))Im(gf).

  • (b)

    Si xKer(f)Im(g) alors on peut écrire x=g(a) et puisque f(x)=0, a=f(g(a))=0 donc x=0.

    Pour xE, on peut écrire x=(xg(f(x)))+g(f(x)) avec xg(f(x))Ker(f) et g(f(x))Im(g).

  • (c)

    (gf)(gf)=g(fg)f=gf et donc gf est un projecteur. Plus précisément, c’est la projection sur Im(g) parallèlement à Ker(g).

 
Exercice 14  4389   

Soient B un polynôme non constant de [X] et r l’application de [X] vers lui-même qui à A[X] associe le reste R de la division euclidienne de A par B.

  • (a)

    Vérifier que r est un endomorphisme de [X].

  • (b)

    Calculer rr et préciser la transformation géométrique réalisée par r.

 
Exercice 15  5488   Correction  

Soient V et W deux sous-espaces vectoriels supplémentaires d’un espace vectoriel réel E de dimension finie. Pour toute application f(V,W), on introduit l’application linéaire

φf:{VExx-f(x)

et l’on note If=Im(φf).

  • (a)

    Soit f(V,W). Vérifier que l’application φf est injective et établir que If est un sous-espace vectoriel supplémentaire de W dans E.

  • (b)

    Soient f,g(V,W). On suppose If=Ig. Établir f=g.

  • (c)

    Soit U un sous-espace supplémentaire de W dans E. Déterminer une application linéaire f:VW telle que U=If.

  • (d)

    En déduire une application bijective entre l’espace (V,W) et l’ensemble des sous-espaces vectoriels supplémentaires de W dans E.

Solution

  • (a)

    Soit xKer(φf). On a x-f(x)=0E et donc x=f(x). Or xV, f(x)W et VW={0E} donc x=0E. L’application linéaire φf est donc injective.

    En tant qu’image d’une application linéaire, l’ensemble If est un sous-espace vectoriel de E. Puisque l’application linéaire φf est injective,

    dimIf=dimV.

    Aussi, pour tout yIfW, il existe xV tel que x-f(x)=y. On a alors

    xV=y+f(x)WVW.

    Or VW={0E} et donc x=0E puis y=f(x)=0E. Ainsi,

    IfW={0E}.

    Les espaces If et W sont donc en somme directe et puisque

    dimIf+dimW=dimV+dimW=dimE

    les espaces If et W sont supplémentaires dans E.

  • (b)

    Soit xV. On a x-f(x)If=Ig et il existe donc xV tel que

    x-f(x)=x-g(x).

    En réorganisant les membres,

    x-xV=g(x)-f(x)WVW.

    Or VW={0E} et donc x=x puis f(x)=g(x)=g(x). Ainsi, les applications f et g sont égales.

  • (c)

    Introduisons p la projection sur W parallèlement à U et considérons f la restriction de cette projection au départ de V et à valeurs dans W. Cette restriction est bien définie et détermine une application linéaire de V vers W.

    Pour tout xV, φf(x)=x-f(x)=x-p(x)U et donc IfU. Par égalité des dimensions, If=U.

  • (d)

    Notons 𝒮W l’ensemble des sous-espaces vectoriels supplémentaires de W dans E et considérons l’application

    φ:{(V,W)𝒮WfIf.

    Par la première question, l’application φ est bien définie. Par la question suivante, on observe que l’application φ est injective. Enfin, par la question précédente, on a acquis que l’application φ est surjective. Finalement, φ est une bijection.

 
Exercice 16  2909      X (MP)Correction  

Soient E un espace vectoriel, F1 et F2 deux sous-espaces vectoriels de E.

  • (a)

    Montrer que si F1 et F2 ont un supplémentaire commun alors ils sont isomorphes.

  • (b)

    Montrer que la réciproque est fausse.

Solution

  • (a)

    Supposons que H soit un supplémentaire commun à F1 et F2. Considérons la projection p sur F2 parallèlement à H. Vérifions que p définit par restriction un isomorphisme φ de F1 vers F2.

    L’application linéaire restreinte φ est bien définie de F1 vers F2. Si xKer(φ) alors x est élément de F1 et de H, c’est donc le vecteur nul. Aussi, pour yF2, on peut écrire y=a+b avec aF1 et bH et alors

    φ(a)=p(a)=p(a+b)=p(y)=y.

    Finalement, φ définit un isomorphisme de F1 vers F2.

  • (b)

    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 E=𝕂[X] et prenons F1=𝕂[X], F2=X.𝕂[X]. Les espaces F1 et F2 sont isomorphes via l’application P(X)XP(X). Ils ne possèdent pas de supplémentaires communs car seul {0} est supplémentaire de F1 et cet espace n’est pas supplémentaire de F2.

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Édité le 22-03-2025

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