ESPACES VECTORIELS ET APPLICATIONS LINÉAIRES
|
|
- Benoît Alarie
- il y a 8 ans
- Total affichages :
Transcription
1 J.F.C. p. 1 ESPACES VECTORIELS ET APPLICATIONS LINÉAIRES Exercice 1 Intersection d hyperplans. E est un espace vectoriel de dimension n sur K (n [2, + [). Q1. Montrer que si F et G sont deux sous-espaces vectoriels de E : dim(f G) dim F + dim G n. Q2. Déterminer la dimension de l intersection de deux hyperplans distincts de E. Q3. Soient H 1, H 2,..., H r r hyperplans de E. Montrer que dim(h 1 H 2... H r ) n r. Q4. Montrer par récurrence que si p appartient à [1, n] et si F est un sous-espace vectoriel de dimension n p alors F est l intersection de p hyperplans de E. Q1 dim(f + G) + dim(f G) = dim F + dim G. Comme F + G est un sous-espace vectoriel de E, dim(f + G) n. Alors dim F + dim G = dim(f + G) + dim(f G) n + dim(f G) donc : dim(f G) dim F + dim G n. Q2 Soient H 1 et H 2 deux hyperplans distincts de E. D après ce qui précède dim(h 1 H 2 ) dim H 1 + dim H 2 n. Donc dim(h 1 H 2 ) n 1 + n 1 n = n 2. Comme H 1 H 2 est un sous-espace vectoriel de H 1 : n 1 = dim H 1 dim(h 1 H 2 ) n 2. Alors dim(h 1 H 2 ) vaut n 1 ou n 2. Supposons que dim(h 1 H 2 ) = n 1. H 1 H 2 est alors un sous espace vectoriel de H 1 et H 2, qui a même dimension que H 1 et H 2. Alors H 1 H 2 = H 1 = H 2. Ceci contredit l hypothèse. Par conséquent H 1 H 2 est de dimension n 2. L intersection de deux hyperplans distincts de E est un sous-espace vectoriel de E de dimension n 2. Q3 Montrons par récurrence que : k [1, r ], dim(h 1 H 2... H k ) n k. La propriété est vraie pour k = 1 (dim H 1 = n 1). Supposons la vraie pour un élément k de [1, r 1] et montrons la pour k + 1. D après Q1, dim(h 1 H 2... H k+1 ) dim(h 1 H 2... H k ) + dim H k+1 n. dim(h 1 H 2... H k+1 ) dim(h 1 H 2... H k ) + n 1 n = dim(h 1 H 2... H k ) 1. En appliquant l hypotèse de récurrence on obtient : dim(h 1 H 2... H k+1 ) n k 1 = n (k + 1) et ainsi s achève la récurrence. Q4 La propriété est vraie pour p = 1 car si F est de dimension n 1, F est un hyperplan et il est donc intersection d un hyperplan! Supposons la propriété vraie pour p élément de [1, n 1] et montrons la pour p + 1. Soit F un sous-espace vectoriel de E de dimension n (p + 1). F est distinct de E donc il existe un élément a de E n appartenant pas à F. Posons D = Vect(a) et G = F + D. a n appartient pas à F donc F et D sont en somme directe. G est donc de dimension n p. L hypothèse de récurrence montre alors que G est l intersection de p hyperplans H 1, H 2,..., H p. Soit G un supplémentaire de G dans E. dim G = n (n p) = p. Posons H p+1 = F + G.
2 J.F.C. p. 2 Cette somme est directe car G = F + D et G sont supplémentaires. Ainsi H p+1 est de dimension dim F + dim G = n (p + 1) + p = n 1. H p+1 est donc un hyperplan. Montrons pour finir que F = G H p+1 ainsi aurons nous F = H 1 H 2 H p H p+1 et F sera l intersection de p + 1 hyperplans. F est contenu dans G et dans H p+1 par construction de ces deux sous-espaces. Ainsi F G H p+1 Réciproquement soit x un élément de G H p+1. x appartient à H p+1 = F + G donc x = x 1 + x 2 avec x 1 élément de F (donc de G) et x 2 élément de G. x 2 = x x 1. x et x 1 sont deux éléments de G donc x x 1 appartient à G. Alors x 2 = x x 1 appartient à G et G qui ont une intersection nulle. Ainsi x 2 = x x 1 = 0 E. x = x 1 et x appartient alors à F. Ceci achève de montrer que G H p+1 F. Par conséquent F = G H p+1 = H 1 H 2 H p H p+1 et la récurrence s achève. Si p élément de [1, n] et si F est un sous-espace vectoriel de E de dimension n p alors F est l intersection de p hyperplans de E. Ou si p élément de [0, n 1] et si F est un sous-espace vectoriel de E de dimension p alors F est l intersection de n p hyperplans de E. Exercice 2 f est une application linéaire de E dans E et g une application linéaire de E dans E. rg f + rg g dim E rg(g f) Min(rg f, rg g). Montrons que : rg(g f) rg g et rg(g f) rg f. f(e) E donc Im(g f) = g(f(e)) g(e ) = Im g et ainsi rg(g f) = dim g(f(e)) dim Im g = rg g. On a rg(g f) rg g. Soit h la restriction de g à Im f. h est une application linéaire de Im f dans E. Le théorème du rang appliqué à h donne dim Im f = rg h + dim Ker h. Ainsi rg h dim Im f = rg f. Or Im h = h(im f) = h(f(e)) = g(f(e)) = Im(g f). Par conséquent rg(g f) = rg h rg f. rg(g f) rg f. rg(g f) rg g et rg(g f) rg f donc rg(g f) Min(rg f, rg g). Reprenons : rg f = dim Im f = rg h + dim Ker h. Remarquons que Ker h Ker g ; alors : dim Ker h dim Ker g. Par conséquent : rg f rg h + dim Ker g = rg(g f) + dim Ker g = rg(g f) + dim E rg g. Ceci donne : rg f + rg g dim E rg(g f). Exercice 3 f est une application linéaire de E dans E et g une application linéaire de E dans E. g f = 0 L(E,E ) équivaut à Im f Ker g. g f = 0 L(E,E ) x E, g(f(x)) = 0 E y Im f, g(y) = 0 E Im f Ker g Exercice 4 Si f est une application linéaire de E dans E, tout supplémentaire de Ker f est isomorphe à Im f.
3 J.F.C. p. 3 Soit F un supplémentaire de Ker f dans E. E = F Ker f. Soit h l application de F dans Im f qui a tout élément x de F associe f(x). Comme f est une application linéaire, h est une application linéaire de Ker f dans Im f. Montrons que h est bijective. Soit x un élément de Ker h. x appartient à F et f(x) = h(x) = 0 E donc x appartient à F Ker f = {0 E } ; donc x est nul. Alors Ker h = {0 E } et h est injective. Montrons que h est surjective. Soit y un élément de Im f. Il exite un élément x de E tel que f(x) = y. Comme F et Ker f sont supplémentaires :!(x 1, x 2 ) F Ker f, x = x 1 + x 2. Alors y = f(x) = f(x 1 ) + f(x 2 ) = f(x 1 ). Comme x 1 appartient à F, h(x 1 ) = f(x 1 ) = y. y Im f, x 1 F, h(x 1 ) = y. h est surjective. Finalement h est un isomorphisme de F sur Im f. F et Im f sont isomorphes. Exercice Retrouver le théorème du rang. Exercice 5 Opérations sur les endomorphismes nilpotents. Soient f et g deux endomorphismes nilpotents de E qui commutent. Montrer que f + g et f g sont nilpotents. Il existe deux éléments r et s de N tels que f r = 0 L(E) et g s = 0 L(E). Une première récurrence simple montre que k N, f k g = g f k. Une seconde récurrence tout aussi simple montre que pour k élément de N, i N, f k g i = g i f k. Une troisième récurrence permet alors d obtenir : j N, (f g) j = f j g j. Ainsi (f g) r = f r g r = 0 L(E) g r = 0 L(E). f g est nilpotent. Comme f et g commutent la formule du binôme donne : (f + g) r+s 1 = r+s 1 Notons que f k = 0 L(E) dès que k est élément de [r, + [. Ainsi (f + g) r+s 1 = Si k appartient à [0, r 1], r + s 1 k appartient à [s, r + s 1] et g r+s 1 k = 0 L(E). Alors (f + g) r+s 1 = r 1 C k r+s 1 f k g r+s 1 k = 0 L(E). f + g est nilpotent. Exercice 6 Commutant d un endomorpisme nilpotent. E est un espace vectoriel de dimension non nulle n sur K. f est un élément de S. p est le plus petit élément de N tel que f p = 0 L(E). C k r+s 1 f k g r+s 1 k. r 1 C k r+s 1 f k g r+s 1 k. Q1. Montrer qu il existe un élément a de E tel que la famille B = ( a, f(a), f 2 (a),..., f p 1 (a) ) soit libre. En déduire que : p n. Q2. On suppose que p = n. On se propse d étudier l ensemble G des éléments de L(E) qui commutent avec f. a) Montrer que B = ( a, f(a), f 2 (a),..., f n 1 (a) ) est une base de E et écrire la matrice de f dans cette base. b) Montrer que G est un sous-espace vectoriel de L(E) qui contient : Vect(Id E, f, f 2,..., f n 1 ).
4 J.F.C. p. 4 c) Réciproquement soit g un élément de G. g(a) est un élément de E donc s écrit comme combinaison linéaire des n 1 éléments de B. (λ 0, λ 1,, λ n ) K n, g(a) = λ k f k (a). Montrer alors que g = n 1 λ k f k. Conclure. Q1 Comme E n est pas réduit au vecteur nul, Id E n est pas l endomorphisme nul et ainsi p n est pas nul. Par conséquent p 1 appartient à N et f p 1 n est pas l endomorphisme nul par définition de p. Alors il existe un élément a de E tel que f p 1 (a) 0 E. Montrons alors que la famille B = ( a, f(a), f 2 (a),..., f p 1 (a) ) est libre. Soit (λ 0, λ 1,..., λ p 1 ) un élément de K p tel que p 1 λ k f k (a) = λ 0 a + λ 1 f(a) + + λ p 1 f p 1 (a) = 0 E Montrons par récurrence que i [0, p 1], λ 0 = λ 1 = λ i = 0. ( p 1 ) ( ) donne f p 1 λ k f k (a) = f p 1 ( λ 1 a + λ 2 f(a) + + λ p 1 f p 1 (a) ) = f p 1 (0 E ) = 0 E. Donc p 1 λ k f p 1+k (a) = λ 0 f p 1 (a) + λ 1 f p (a) + + λ p 1 f 2p 2 (a) = 0 E. Or f p 1+k (a) = 0 E dès que p 1 + k p, c est à dire dès que k 1. Alors λ 0 f p 1 (a) = 0 E. Comme f p 1 (a) 0 E : λ 0 = 0. La propriété est vraie pour i = 0. Supposons la propriété vraie pour i élément de [[0, p 2] et montrons la pour i + 1. Nous avons donc λ 0 = λ 1 = = λ i = 0 et il s agit de montrer que λ i+1 = 0. L hypothèse de récurrence et ( ) donnent p 1 k=i+1 ( ). λ k f k (a) = λ i+1 f i+1 (a) + λ i+2 f i+2 (a) + + λ p 1 f p 1 (a) = 0 E. Notons que p 2 i appartient à N. ( p 1 ) Alors f p 2 i λ k f k (a) = f p 2 i ( λ i+1 f i+1 (a) + λ i+2 f i+2 (a) + + λ p 1 f p 1 (a) ) = f p 2 i (0 E ) = 0 E. Donc p 1 k=i+1 k=i+1 λ k f p 2 i+k (a) = λ i+1 f p 1 (a) + λ i+2 f p (a) + + λ p 1 f 2p 3 i (a) = 0 E. Alors λ i+1 f p 1 (a) = 0 E et comme f p 1 (a) n est pas nul : λ i+1=0 ce qui achève la récurrence. B = ( a, f(a), f 2 (a),..., f p 1 (a) ) est une famille libre de E. B = ( a, f(a), f 2 (a),..., f p 1 (a) ) est une famille libre de E de cardinal p et E est de dimension n donc p n. Remarque Si b est dans E, la famille ( b, f(b), f 2 (b),..., f p 1 (b) ) est libre si et seulement si f p 1 (b) 0 E. Q2 a) D après ce qui précède B = ( a, f(a), f 2 (a),..., f n 1 (a) ) est une famille libre de E. Comme le cardinal de cette famille est n qui est la dimension de E : B = ( a, f(a), f 2 (a),..., f n 1 (a) ) est une base de E.
5 J.F.C. p. 5 i [0, n 2], f ( f i (a) ) = f i+1 (a) et f ( f n 1 (a) ) = f n (a) = 0 E. Alors M B (f) = b) k N, f f k = f k+1 = f k f. Donc k N, f k G. Donc G est non vide. Soient g et g deux éléments de G et λ un élément de K. g f = f g et g f = f g donc (λ g + g ) f = λ g f + g f = λ f g + f g = f (λ g + g ) ; λ g + g G. Ceci achève de montrer que G est un sous-espace vectoriel de L(E). Comme Id E, f,..., f n 1 sont des éléments de G : G est un sous-espace vectoriel qui contient Vect(Id E, f,..., f n 1 ). c) Soit g un élément de G. Considérons les coordonnées (λ 0, λ 1,..., λ n 1 ) du vecteur g(a) dans la base B = ( a, f(a), f 2 (a),..., f n 1 (a) ). Montrons que g = n 1 λ k f k. g et n 1 λ k f k sont deux endomorphismes de E ; pour montrer qu ils sont égaux, montrons qu ils coïncident sur les éléments de la base B = ( a, f(a), f 2 (a),..., f n 1 (a) ). ( n 1 ) Il s agit donc de montrer que i [0, n 1], g(f i (a)) = λ k f k (f i (a)). Notons que g commute avec f donc avec toute puissance de f. ( n 1 Alors i [0, n 1], g(f i (a)) = (g f i )(a) = (f i g)(a) = f i (g(a)) = f i i [0, n 1], g(f i (a)) = n 1 Ceci achève de montrer que : g = λ k f i+k (a) = n 1 n 1 Donc G Vect(Id E, f,..., f n 1 ) et finalement : λ k f k (f i (a)) = ( n 1 λ k f k (a) λ k f k ) (f i (a)). λ k f k. Alors g est élément de Vect(Id E, f,..., f n 1 ). G = Vect(Id E, f,..., f n 1 ). ) = n 1 λ k f i (f k (a)). Exercice 7 Encore un peu de nilpotence. Soit f un endomorphisme de E tel qu il existe un élément r de N vérifiant f r = 0 L(E). Montrer que g = Id E f est un automorphisme de E et déterminer g 1. Illustrer. Notons que f et Id E commutent, (Id E ) r = Id E et f r = 0 L(E) donc : Id E = (Id E ) r f r = (Id E f) (Id E + f + f 2 + f r 1 ) = (Id E + f + f 2 + f r 1 ) (Id E f). Alors Id E = g (Id E + f + f 2 + f r 1 ) = (Id E + f + f 2 + f r 1 ) g. g est donc inversible et g 1 = Id E + f + f 2 + f r 1.
6 J.F.C. p. 6 Si f r = 0 L(E) alors Id E f est un automorphisme de E et (Id E f) 1 = Id E + f + f 2 + f r 1. illustration E = K n [X] et P E, f(p ) = P. f est endomorphisme de E tel que f n+1 = 0 L(E). Alors g = Id E f est un automorphisme de E et g 1 = Id E + f + f 2 + f n. P E, g(p ) = P P et g 1 (P ) = P + P + P + + P (n). Exercice 8 Différence de deux projecteurs. p et q sont deux projections de E. f = p q. Q1. On suppose que f est une projection. Montrer que : p q + q p = 2q et que : p q = q p = q. Q2. Réciproquement on suppose que p q = q p = q. Montrer que f est une projection parallèlement à Ker p + Im q. Déterminer Im f. Q1 p q = f = f 2 = (p q) (p q) = p 2 p q q p + q 2 = p p q q p + q. p q = p p q q p + q. Alors p q + q p = q + q = 2q. p q + q p = 2q. En composant cette égalité à gauche (resp. à droite) par q on obtient : q p q + q q p = 2 q q (resp. p q q + q p q = 2 q q). Alors q p q + q p = 2 q et p q + q p q = 2 q. En soustrayant il vient : q p p q = 0 L(E). C est à dire q p = p q. En reprenant l égalité p q + q p = 2 q on obtient 2 p q = 2 q ou p q = q. Finalement p q = q p = q. Q2 Ici p q = q p = q. f = p q est un endomorphisme de E comme différence de deux endomorphismes de E. De plus f 2 = (p q) (p q) = p 2 p q q p + q 2 = p q q + q = p q = f. Ainsi : f est une projection. Soit x un élément de Ker f. p(x) q(x) = f(x) = 0 E. p(x) = q(x). Alors p(x) = q(x) = p(q(x)) car q = p q. p(x) p(q(x)) = 0 E. p(x q(x)) = 0 E donc x q(x) appartient à Ker p. Posons t = x q(x). x = t + q(x) donc x est un élément de Ker p + Im q. Récipoquement soit x un élément de Ker p + Im q. x = x 1 + x 2 avec x 1 dans Ker p et x 2 dans Im q. f(x) = p(x) q(x) = p(x 1 ) + p(x 2 ) q(x 1 ) q(x 2 ). Or p(x 1 ) = 0 E et q(x 2 ) = x 2. Alors f(x) = p(x 2 ) q(x 1 ) x 2. q(x 2 ) = x 2 donne p(x 2 ) = p(q(x 2 )). Comme p q = q : p(x 2 ) = q(x 2 ) = x 2. q = q p et p(x 1 ) = 0 E donnent : q(x 1 ) = q(p(x 1 )) = q(0 E ) = 0 E. Alors f(x) = p(x 2 ) q(x 1 ) x 2 = x 2 0 E x 2 = 0 E. x est un élément de Ker f. Finalement : Ker f = Ker p + Im q Soit x un élément de Im f. Il existe z dans E tel que x = f(z) = p(z) q(z). q(x) = q(p(z)) q 2 (z) = q(z) q(z) = 0 E. Alors x appartient à Ker q. De plus x = p(z) q(z) = p(z) p(q(z)) = p(z q(z)) donc x apartient à Im p. Par conséquent x appartient Ker q Im p.
7 J.F.C. p. 7 Réciproquement soit x un élément de Ker q Im p. q(x) = 0 E et p(x) = x. Donc f(x) = p(x) q(x) = x. x appartient à Ker(f Id E ) = Im f. Finalement : Im f = Ker q Im p Exercice 9 Endomorphisme dont le carré est Id. E est un espace vectoriel sur R de dimension n non nulle. Q1. f est un endomorphisme de E tel que f 2 = Id E. a) Montrer que si (e 1, e 2,..., e p ) est une famille d éléments de E telle que (e 1, f(e 1 ), e 2, f(e 2 ),..., e p, f(e p )) soit libre et non génératrice alors il existe un élément e p+1 de E tel que (e 1, f(e 1 ), e 2, f(e 2 ),..., e p+1, f(e p+1 )) soit libre. b) En déduire que n est pair. Représenter f par une matrice simple. Q2. On suppose que n est pair. Montrer qu il existe un endomorphisme f de E tel que f 2 = Id E. Q1 a) Soit (e 1, e 2,..., e p ) une famille d éléments de E telle que (e 1, f(e 1 ), e 2, f(e 2 ),..., e p, f(e p )) soit libre et non génératrice. Vect(e 1, f(e 1 ), e 2, f(e 2 ),..., e p, f(e p )) n est pas E donc il existe un élément e p+1 appartenant à E et n appartenant pas à Vect(e 1, f(e 1 ), e 2, f(e 2 ),..., e p, f(e p )). (e 1, f(e 1 ), e 2, f(e 2 ),..., e p, f(e p )) est libre et e p+1 n appartient pas à Vect(e 1, f(e 1 ), e 2, f(e 2 ),..., e p, f(e p )) donc la famille (e 1, f(e 1 ), e 2, f(e 2 ),..., e p, f(e p ), e p+1 ) est encore libre. Dès lors montrons que (e 1, f(e 1 ), e 2, f(e 2 ),..., e p, f(e p ), e p+1, f(e p+1 )) est libre. Soit (α 1, α 2,..., α p+1 ) et (β 1, β 2,..., β p+1 ) deux éléments de R p+1 tels que Alors f Ainsi Il vient p+1 ( p+1 p+1 p+1 α k e k + p+1 α k f(e k ) β k f(e k ) ) β k e k = 0 E p+1 (α p+1 α k + β p+1 β k ) e k + = f(0 E ) = 0 E. Donc p+1 p+1 α k f(e k ) + p+1 p+1 α k e k + β k f 2 (e k ) = 0 E. (2). Multiplions (1) par α p+1 et (2) par β p+1 et ajoutons. p+1 Si k = p + 1 : α p+1 β k β p+1 α k = 0 donc : (α p+1 β k β p+1 α k ) f(e k ) = 0 E. (α p+1 α k + β p+1 β k ) e k + β k f(e k ) = 0 E (1). p (α p+1 β k β p+1 α k ) f(e k ) = 0 E. La liberté de (e 1, f(e 1 ), e 2, f(e 2 ),..., e p, f(e p ), e p+1 ) donne k [1, p + 1], α p+1 α k + β p+1 β k = 0 et k [1, p], α p+1 β k β p+1 α k = 0. En particulier α p+1 α p+1 + β p+1 β p+1 = 0 ou α 2 p+1 + β 2 p+1 = 0. Comme α p+1 et β p+1 sont des réels : α p+1 = β p+1 = 0. Alors (1) donne p α k e k + p β k f(e k ) = 0 E. La liberté de (e 1, f(e 1 ), e 2, f(e 2 ),..., e p, f(e p )) fournit : α 1 = = α p = β 1 = = β p = 0. Ainsi α 1 = = α p = α p+1 = β 1 = = β p = β p+1 = 0. Ceci achève de montrer que (e 1, f(e 1 ), e 2, f(e 2 ),..., e p, f(e p ), e p+1, f(e p+1 )) est libre. b) Soit S l ensemble des éléments q de N tels qu il existe une famille (e 1, e 2,..., e q ) d éléments de E qui donne une famille (e 1, f(e 1 ), e 2, f(e 2 ),..., e q, f(e q )) libre.
8 J.F.C. p. 8 Montrons que S est une partie non vide et majorée de N. Soit e 1 un élément non nul de E. Montrons que (e 1, f(e 1 )) est libre. Soit α et β deux réels tels que α e 1 + β f(e 1 ) = 0 E (3). Ainsi 0 E = f(0 E ) = f(α e 1 + β f(e 1 )) = α f(e 1 ) β e 1 (4). En multipliant (3) par α, (4) par β et en ajoutant on obtient : (α 2 + β 2 ) e 1 = 0 E. Commme e 1 n est pas nul : α 2 + β 2 = 0. α et β étant réel : α = β = 0. Ceci achève de prouver que (e 1, f(e 1 )) est libre. Ainsi 1 est un élément de S et S n est pas vide. Soit q un élément de S. Il existe une famille (e 1, e 2,..., e q ) d éléments de E telle (e 1, f(e 1 ), e 2, f(e 2 ),..., e q, f(e q )) soit une famille libre de E. [ n ] Comme cette famille est de cardinal 2q et que E est de dimension n : 2q n. Donc q Ainsi S est majorée. S est une partie non vide et majorée de N donc S possède un plus grand élément p. Alors il existe une famille (e 1, e 2,..., e p ) d éléments de E telle B = (e 1, f(e 1 ), e 2, f(e 2 ),..., e p, f(e p )) soit une famille libre de E. Si B n est pas une famille génératice de E, d après a) on peut trouver un élément e p+1 de E tel que (e 1, f(e 1 ), e 2, f(e 2 ),..., e p+1, f(e p+1 )) soit libre ; alors p + 1 appartient à S et est strictement plus grand que le plus grand élément de S!! Ainsi B est une famille génératrice de E. Cette famille qui est libre est alors une base de E ayant 2p éléments. Par conséquent n = 2p et la dimension de E est paire. S il existe un endomorphisme f de E tel que f 2 = Id E, la dimension de E est paire Cherchons la matrice de f dans la base B = (e 1, f(e 1 ), e 2, f(e 2 ),..., e p, f(e p )). Notons que k [1, p], f(e k ) = f(e k )!! et k [1, p], f(f(e k )) = e k. A 1 O 2 O 2. O Alors M B (f) est la matrice diagonale par blocs 2 A O2 où A 1 = A 2 = = A p = ( ) O 2 O 2 A p 0 0 O 2 =. 0 0 ( ) 0 1 et 1 0 Q2 On suppose que la dimension n de E est paire. Il existe un élément p de N tel que n = 2p. Soit B = (u 1, u 2,..., u 2p ) une base de E et f l endomorphisme de E définit par k [1, p], f(u k ) = u k+p et k [p + 1, 2p], f(u k ) = u k p. k [1, p], f 2 (u k ) = f(u k+p ) = u k+p p = u k et k [p + 1, 2p], f 2 (u k ) = f(u k p ) = u k p+p = u k. Les deux endomorphismes f 2 et Id E coïncident sur la base B donc sont égaux. f 2 = Id E. Si la dimension de E est paire, il existe un endomorphisme f de E tel que f 2 = Id E. Exercice 10 Noyaux et images itérés. E est de dimension finie et non nulle n et f un endomorphisme de E. Pour tout k dans N on pose : N k = Ker f k et I k = Im f k.
9 J.F.C. p. 9 Q1. Montrer que la suite (N k ) k 0 est croissante au sens de l inclusion et que la suite (I k ) k 0 est décroissante (toujours au sens de l inclusion). Q2. Montrer que S = {k N N k+1 = N k } est une partie non vide de N. On note p son plus petit élément. Montrer que la suite (N k ) 0 k p est strictement croissante et la suite (N k ) k p constante. Qu en est-il pour la suite des images? Montrer que p n. Q3. Montrer que E = N p I p. Q1 Soit k un élément de N. Soit x un élément de N k = Ker f k. f k (x) = 0 E donc f k+1 (x) = f(f k (x)) = f(0 E ) = 0 E et x appartient à Ker f k+1 = N k+1. Alors N k N k+1. f(e) E donc f k (f(e)) f k (E). Ainsi I k+1 = f k+1 (E) = f k (f(e)) f k (E) = I k. k N, N k N k+1 et k N, I k+1 I k. Q2 Supposons que S = {k N N k+1 = N k } soit vide. Alors pour tout élément k de N, N k est strictement contenu dans N k+1. En particulier k N, dim N k < dim N k+1. Rappelons que E est de dimension n et qu ainsi la dimension d un sous-espace vectoriel de E est inférieure ou égale à n. Alors (dim N 0, dim N 1,..., dim N n+1 ) est une suite strictement croissante de n + 2 entiers de l intervalle [0, n] qui contient n + 1 éléments d où une légère contradiction! Finalement S est non vide de N. Nous noterons p son plus petit élément. p étant le plus petit élément de S, pour tout k dans [[0, p 1], N k+1 et N k sont distincts donc N k est strictement contenu dans N k+1. La suite (N k ) 0 k p est strictement croissante. Pour tout k dans [0, p 1], dim N k < dim N k+1. Donc pour tout k dans [0, p 1], dim I k = n dim N k > n dim N k+1 = dim I k+1. Ainsi pour tout k dans [0, p 1], I k+1 est strictement contenu dans I k. La suite (I k ) 0 k p est strictement décroissante. Montrons par récurrence que k [p, + [, N k+1 = N k. L égalité est vraie pour k = p car p appartient à S. Supposons l égalité vraie pour un élément k de [p, + [ et montrons la pour k + 1. Il s agit donc de prouver N k+2 = N k+1 sachant que N k+1 = N k. Nous savons déjà que N k+1 N k+2. Montrons l inclusion inverse. Soit x un élément de N k+2. f k+1 (f(x)) = f k+2 (x) = 0 E donc f(x) appartient à N k+1. Comme N k+1 = N k, f(x) appartient à N k. Ainsi f k+1 (x) = f k (f(x)) = 0 E et x appartient à N k+1. N k+2 N k+1 et la récurrence s achève. Par conséquent la suite (N k ) k p constante. k [p, + [, I k+1 I k et dim I k+1 = n dim N k+1 = n dim N k = dim I k. Donc k [p, + [, I k+1 = I k et la suite (I k ) k p constante.
10 J.F.C. p. 10 La suite (N k ) 0 k p est strictement croissante donc (dim N 0, dim N 1,..., dim N p ) est une suite strictement croissante de p + 1 entiers de l intervalle [0, n] qui contient n + 1 éléments donc p + 1 n + 1. p n. Q3 Soit x un élément commun à N p et I p. f p (x) = 0 E et il existe un élément z de E tel que x = f p (z). Alors f 2p (z) = f p (x) = 0 E. Ainsi z appartient à N 2p. Comme N p = N 2p, z appartient à N p et x = f p (z) = 0 E. Alors N p I p = {0 E }. De plus dim N p + dim I p = dim Ker f p + dim Im f p = dim E (théorème du rang). E étant de dimension finie ce qui précède permet de dire que E = N p I p. Exercice 11 Espaces vectoriels isomorphes. Interpolation de Lagrange. f est une application de I dans R. x 0, x 1,..., x n sont n + 1 points distincts de I. On se propose de montrer qu il existe un unique polynôme P, de degré au plus n, qui coïncide avec f en x 0, x 1,..., x n. Q1. Version 1. On pose P R n [X], ϕ(p ) = ( P (x 0 ), P (x 1 ),..., P (x n ) ). Montrer que ϕ est un isomorphisme de R n [X] sur R n+1. Conclure. Q2. Version 2. Pour tout élément k de [0, n], U k est le quotient de U = n 1 (X x i ) par X x k et L k = U k (x k ) U k. a) Montrer que (L 0, L 1,..., L n ) est une base de R n [X]. Trouver les coordonnées d un élément P de R n [X] dans cette base. b) Retouver le résultat. i=0 Q1 ϕ est une application de R n [X] sur R n+1. Soit P et Q deux éléments de R n [X] et λ un réel. ( (λ ) ϕ(λ P + Q) = P + Q (x0 ), ( λ P + Q ) (x 1 ),..., ( λ P + Q ) ) (x n ). ( ) ϕ(λ P + Q) = λ P (x 0 ) + Q(x 0 ), λ P (x 1 ) + Q(x 1 ),..., λ P (x n ) + Q(x n ). ( ) ( ) ϕ(λ P + Q) = λ P (x 0 ), P (x 1 ),..., P (x n ) + Q(x 0 ), Q(x 1 ),..., Q(x n ) = λ ϕ(p ) + ϕ(q). Soit P un élément de Ker ϕ. ϕ(p ) = (P (x 0 ), P (x 1 ),..., P (x n )) = 0 R n+1. Ainsi k [0, n], P (x k ) = 0. P est alors un polynôme de degré au plus n admettant au moins n + 1 zéros x 0, x 1,..., x n. P est le polynôme nul. Ker ϕ = {0 Rn[X]}. ϕ est injective. ϕ est une application linéaire injective de R n [X] dans R n+1 et dim R n [X] = dim R n+1 = n + 1, par conséquent : ϕ est un isomorphisme de R n [X] sur R n+1. Soit P un élément de R n [X]. P coïncide avec f en x 0, x 1,..., x n si et seulement si ( P (x 0 ), P (x 1 ),..., P (x n ) ) = ( f(x0 ), f(x 1 ),..., f(x n ) ) ; autrement dit si et seulement si P est un antécédent par ϕ dans R n [X] de l élément ( f(x0 ), f(x 1 ),..., f(x n ) ) de R n+1. ϕ étant une bijection de R n [X] sur R n+1, ( f(x 0 ), f(x 1 ),..., f(x n ) ) possède un antécédent et un seul par ϕ dans R n [X]. Il existe un unique polynôme P, de degré au plus n, qui coïncide avec f en x 0, x 1,..., x n.
11 J.F.C. p. 11 Q2 a) Notons que U est un polynôme de degré n + 1 admettant pour zéros x 0, x 1,..., x n. Soit k un élément de [0, n]. U k = x k+1,..., x n. n (X x i ). U k est un polynôme de degré n dont les zéros sont : x 0, x 1,..., x k 1, i=0 i k Alors L k est également un polynôme de degré n dont les zéros sont : x 0, x 1,..., x k 1, x k+1,..., x n. 1 { 0 si i k Notons encore que L k (x k ) = U k (x k ) U k(x k ) = 1. k [0, n], i [0, n], U k (x i ) = 1 si i = k. (L 0, L 1,..., L n ) est une famille d éléments de R n [X]. Montons qu elle libre. Soit (λ 0, λ 1,..., λ n ) un élément de R n+1 tel que λ 0 L 0 + λ 1 L λ n L n = 0 Rn[X]. Alors i [0, n], 0 = λ 0 (x i ) L 0 + λ 1 (x i ) L 1 (x i ) + + λ n L n (x i ) = λ i L i (x i ) = λ i. i [0, n], λ i = 0. Ceci achève de montrer que (L 0, L 1,..., L n ) est une famille libre de R n [X]. Le cardinal n + 1 de cette famille coïncide avec la dimension de R n [X], c est donc une base de R n [X]. Soit P un élément de R n [X] et (λ 0, λ 1,..., λ n ) les coordonnées de P dans la base (L 0, L 1,..., L n ). P = λ 0 L 0 +λ 1 L 1 + +λ n L n. Donc i [0, n], P (x i ) = λ 0 (x i ) L 0 +λ 1 (x i ) L 1 (x i )+ +λ n L n (x i ) = λ i L i (x i ) = λ i. i [0, n], λ i = P (x i ). (L 0, L 1,..., L n ) est une base de R n [X]. Les coordonnées d un éléments P de R n [X] dans cette base sont (P (x 0 ), P (x 1 ),..., P (x n )). Existence Soit P le polynôme de R n [X] de coordonnées (f(x 0 ), f(x 1 ),..., f(x n )) dans la base (L 0, L 1,..., L n ). Ses coordonnées sont également (P (x 0 ), P (x 1 ),..., P (x n )). Ainsi i [0, n], P (x i ) = f(x i ) et P est solution. Unicité Soit Q uen seconde solution. i [0, n] (P Q)(x i ) = P (x i ) Q(x i ) = f(x i ) f(x i ) = 0. P Q est donc un polynôme de degré au plus n qui admet au moins n + 1 racines. C est le polynôme nul. Q = P d où l unicité. Exercice 12 Endomorphisme d une espace vectoriel de polynômes. E = R 3 [X], A = X 4 1 et B = X 4 X. A tout P élément de E on associe le reste f(p ) dans la division de AP par B. Q1. Montrer que f est un endomorphisme de E. Q2. Montrer que Ker f est une droite vectorielle. Q3. F est l ensemble des éléments de E divisibles par X 1. Montrer que F est un sous espace vectoriel de E de dimension 3. Montrer que Im f = F. Q1 Soit P un élément de E. f(p ) est le reste dans la division de AP par B et deg B = 4 ; ainsi f(p ) est un polynôme de degré au plus 3. f(p ) appartient à E. f est une application de E dans E. Soient P 1 et P 2 deux éléments de E et λ un élément de R. Il existe deux éléments Q 1 et Q 2 de R[X] tels que AP 1 = Q 1 B + f(p 1 ) et AP 2 = Q 2 B + f(p 2 ). Alors A(λ P 1 + P 1 ) = (λ Q 1 + Q 2 ) B + λ f(p 1 ) + f(p 2 ). De plus λ f(p 1 ) + f(p 2 ) est un polynôme de degré strictement inférieur au degré de B comme combinaison linéaire de deux polynomes de degrés strictement inférieurs à celui de B. Alors A(λ P 1 + P 1 ) = (λ Q 1 + Q 2 ) B + λ f(p 1 ) + f(p 2 ) et deg(λ f(p 1 ) + f(p 2 )) < deg B. λ f(p 1 ) + f(p 2 ) est alors le reste dans la division de (λ P 1 + P 2 ) A par B et ainsi f(λ P 1 + P 2 ) = λ f(p 1 ) + f(p 2 ).
12 J.F.C. p. 12 f est un endomorphisme de E. Q2 Soit P un élément de Ker f. Il existe un élément un élément Q de R[X] (et même de E) tel que AP = QB. A = X 4 1 = (X 1)(X + 1)(X 2 + 1) et B = X 4 X = X(X 3 1). Les zéros de A dans C sont 1, 1, i et i. Les zéros de B dans C sont 0, 1, j et j 2. AP = QB donc les zéros de B sont des zéros de AP. Comme 0, j et j 2 sont des zéros de B qui ne sont pas des zéros de A, 0, j et j 2 sont des zéros de P. Ainsi X(X j)(x j 2 ) divise P. Notons que X(X j)(x j 2 ) = X(X 2 + X + 1). P est de degré au plus 3 et X(X 2 + X + 1) est un polynôme de degré 3 qui divise P ; par conséquent il existe un réel λ tel que P = λ X(X 2 + X + 1). P Vect(X(X 2 + X + 1)). Ceci montre donc que Ker f Vect(X(X 2 + X + 1)). X(X 2 + X + 1) appartient à Ker f. Pour montrer l inclusion inverse il suffit de montrer que AX(X 2 + X + 1) = (X 1)(X + 1)(X 2 + 1)X(X 2 + X + 1) = (X + 1)(X 2 + 1)X(X 1)(X 2 + X + 1). AX(X 2 + X + 1) = (X + 1)(X 2 + 1)X(X 3 1) = (X + 1)(X 2 + 1)B. B divise ainsi AX(X 2 + X + 1) donc f(ax(x 2 + X + 1)) = 0 E et X(X 2 + X + 1) appartient à Ker f. Alors Vect(X(X 2 + X + 1)) Ker f. Finalement : Ker f est la droite vectorielle engendrée par X(X 2 + X + 1) Soit P un élément de E = R 3 [X]. P F P (1) = 0 X 1 divise P Q R 2 [X], P = (X 1)Q. P F (a, b, c) R 3, P = (X 1)(a + bx + cx 2 ) (a, b, c) R 3, P = a(x 1) + bx(x 1) + cx 2 (X 1). P F P Vect(X 1, X(X 1), X 2 (X 1)). F est donc un sous-espace vectoriel de E et (X 1, X(X 1), X 2 (X 1)) en est une famille génératrice. Comme cette famille est constituée de polynômes de degrés échelonnés, elle est libre et c est donc une base de F. F est un sous-espace vectoriel de dimension 3. Soit R un élément de Im f. Il existe deux éléments P et Q de E tel que AP = QB + R. 1 est un zéro commun à A et B donc 1 est un zéro de R. Ainsi R appartient à F. Alors Im f F. De plus dim Im f = dim E dim Ker f = 4 1 = 3 = dim F. Par conséquent Im f = F = {P E P (1) = 0}. Montrons directement que F Im f. Observons que A B = X 4 1 X 4 + X = X 1. Ceci n est pas de l ordre du divin mais résulte du fait que A et B ont X 1 comme PGCD et que par conséquent (merci Bezout) on peut trouver deux polynômes U et V tels que AU + BV = X 1 (exemple U = 1 et V = 1). Dès lors soit P un élément de F. Il existe un élément T de R 2 [X] tel que P = (X 1)T. Ainsi AT BT = (X 1)T = P. T est un élément de E, AT = T B + P et deg P 3 < deg B donc T est un élément de E dont le reste dans la division par B est P. f(t ) = P et P appartient à l image de f.
13 J.F.C. p. 13 Exercice 13 Comparaison des spectres de g f et de f g. Q1. f et g sont deux endomorphismes de E tel que ϕ = Id E f g soit un automorphisme de E. On se propose de montrer que ψ = Id E g f est également un automorphisme de E. Soit y un élément de E. On suppose que x est un antécédent de y par ψ dans E. Montrer que f(x) = ϕ 1( f(y) ) puis que x = y + g ( ϕ 1 (f(y)) ). Indiquer ce que cela prouve. Conclure et exprimer ψ 1 à l aide de ϕ 1. Q2. f et g sont deux endomorphismes d un K-espace vectoriel E de dimension finie. a) λ est un élément non nul de K. Montrer en utilisant Q1 que f g λ Id E est bijectif si et seulement si g f λ Id E est bijectif. b) On suppose que g f est bijectif. Montrer que f est injectif et que g est surjectif. En déduire que f g est bijectif. c) Comparer le spectre de g f et le spectre de f g. Q1. Soit y un élément de E. Supposons que y possède un antécédent x par ψ dans E. Alors y = ψ(x) = x g ( f(x) ). ( Ceci donne f(y) = f(x) f g ( f(x) )) = (Id E f g) ( f(x) ) = ϕ ( f(x) ). Alors f(x) = ϕ 1( f(y) ). En injectant ce résultat dans y = x g ( f(x) ) on obtient y = x g ( ϕ 1 (f(y)) ) ou x = y + g ( ϕ 1 (f(y)) ). Ainsi si y possède un antécédent par ψ dans E c est nécessairement x = y + g ( ϕ 1 (f(y)) ). Donc y possède au plus un antécédent par ψ dans E. Posons x = y + g ( ϕ 1 (f(y)) ) et montrons que x est un antécédent de y par ψ. Il suffit de montrer que ψ(x) = y. ψ(x) = x g ( f(x) ) = y + g ( ϕ 1 (f(y)) ) g ( f(y) ) g ( f ( g ( ϕ 1 (f(y)) ))). ψ(x) = y g ( f(y) ) ( + g ϕ 1( f(y) ) (f g) ( ϕ 1 (f(y) )) = y g ( f(y) ) ( + g (Id E f g) ( ϕ 1 (f(y)) )). ψ(x) = y g ( f(y) ) ( + g ϕ ( ϕ 1 (f(y)) )) = y g ( f(y) ) + g ( f(y) ) = y. Ainsi x est un antécédent de y par ψ dans E. Finalement y possède un unique antécédent par ψ dans E : x = y + g ( ϕ 1 (f(y)) ) = (Id E +g ϕ 1 f)(y). Ceci étant vrai pour tout élément y de E, on peut alors dire que : ψ est bijectif et ψ 1 = Id E +g ϕ 1 f En échangeant les rôles de f et g on peut dire que si ψ est bijectif, ϕ l est également et ϕ 1 = Id E +f ψ 1 g. Finalement : Id E f g est un automorphisme de E si et seulement si Id E g f est un automorphisme de E. Q2. a) Soit λ un élément non nul de K. f g λ Id E = λ ( Id E ( 1 λ f) g ) est bijectif si et seulement si Id E ( 1 λ f) g est bijectif car λ n est pas nul. En appliquant Q1 à 1 λ f et g on peut dire que f g λ Id E est bijectif si et seulement si Id E g ( 1 λ f) est bijectif. Comme λ n est pas nul, f g λ Id E est bijectif si et seulement si λ ( Id E g ( 1 λ f)) est bijectif. Or λ ( Id E g ( 1 λ f)) = g f λ Id E. Ainsi : pour tout élément non nul λ de K, f g λ Id E est bijectif si et seulement si g f λ Id E est bijectif.
14 J.F.C. p. 14 Remarque Ceci ne vaut pas pour λ = 0 en dimension quelconque. Considérons E = R[X]. Soit f l application de E dans E qui à tout élément P de E associe P et soit g l application de E dans E qui à tout élément P de E associe la primitive de P qui prend la valeur 0 en 0. f et g sont deux endomorphismes de E. f g = Id E est bijectif mais g f n est pas bijectif car Im(g f) {P E P (0) = 0}. b) Soit x un élément de Ker f. f(x) = 0 E donc g(f(x)) = 0 E. Par conséquent x appartient à Ker(g f) qui est réduit à {0 E } car g f est bijectif. Ainsi x = 0 E. Ceci achève de montrer que f est injectif. f(e) E donc g(f(e)) g(e) E. Comme g f est bijectif : g(f(e)) = E. Alors E g(e) E donc g(e) = E. g est surjectif. f est un endomorphisme injectif de E, g est endomorphisme surjectif de E et E est de dimension finie, ainsi f et g sont bijectifs. Par conséquent f g est bijectif. f et g jouant un role symétrique on peut dire que : Alors f g est bijectif si et seulement si g f est bijectif. pour tout élément λ de K, f g λ Id E est bijectif si et seulement si g f λ Id E est bijectif. c) Soit λ un élément de K. λ Sp(f g) f g λ Id E non bijectif g f λ Id E non bijectif λ Sp(g f). Donc : Sp(f g) = Sp(g f) Exercice Redémontrer Q2 a) sans utiliser Q1 (on pourra montrer que Ker(f g λ Id E ) = {0 E } si et seulement si Ker(g f λ Id E ) = {0 E }) Exercice 14 E est un espace vectoriel de dimension n sur K. f est un endomorphisme de E de rang r. Q1. u L(E), ϕ(u) = f u. Montrer que ϕ est un endomorphisme de L(E) et donner son rang en fonction de r (considérer le noyau). Q2. Même chose en posant : u L(E), ϕ(u) = u f. Q1 Ici u L(E), ϕ(u) = f u. Soit u un endomorphisme de E. Comme f est un endomorphisme de E, par composition f u est un endomorphisme de E. Ainsi ϕ est une application de L(E) dans L(E). (u, v) L(E) L(E), λ K, ϕ(λ u + v) = f (λ u + v) = λ f u + f v = λ ϕ(u) + ϕ(v). Ainsi ϕ est linéaire. ϕ est un endomorphisme de L(E) donc ϕ L(L(E)). Soit u un élément de L(E). u Ker ϕ f u = 0 L(E) x E, f ( u(x) ) = 0 E Im u Ker f. En clair u appartient au noyau de ϕ si et seulement si u prend ses valeurs dans Ker f. A un petit abus près (*), Ker ϕ est donc l ensemble des applications linéaires de E dans Ker f. Alors dim Ker ϕ = dim L(E, Ker f) = dim E dim Ker f = n(n r) = n 2 n r.
15 J.F.C. p. 15 ϕ est un endomorphisme de L(E). Le théorème du rang donne alors rg ϕ = dim L(E) dim Ker ϕ = n 2 (n 2 n r) = n r. rg ϕ = n r = dim E rg f. Remarque Pour ne pas faire d abus il convient de montrer que Ker ϕ est isomorphe à L(E, Ker f). Pour cela on considère l application θ de Ker ϕ dans L(E, Ker f), qui à un élément u de Ker ϕ associe l application linéaire û de E dans Ker f définie par x E, û(x) = u(x) et on montre que θ est un isomorphisme. On retrouve alors dim Ker ϕ = dim L(E, Ker f). On est prié de remarquer que û n est pas égal à u!! Q2 Ici u L(E), ϕ(u) = u f. Soit u un endomorphisme de E. Comme f est un endomorphisme de E, par composition u f est un endomorphisme de E. Ainsi ϕ est une application de L(E) dans L(E). (u, v) L(E) L(E), λ K, ϕ(λ u + v) = (λ u + v) f = λ u f + v f = λ ϕ(u) + ϕ(v). Ainsi ϕ est linéaire. ϕ est un endomorphisme de L(E) donc ϕ L(L(E)). Soit u un élément de L(E). u Ker ϕ u f = 0 L(E) x E, u ( f(x) ) = 0 E Im f Ker u. En clair u appartient au noyau de ϕ si et seulement si le noyau de u contient l image de f, autrement dit si et seulement si u est nulle sur Im f. Rappelons qu une application linéaire est entièrement déterminée par sa donnée sur deux supplémentaires de l espace vectoriel de départ. Soit G un supplémentaire de Im f dans E. Considérons l application θ de Ker ϕ dans L(G, E), qui à un élément u de Ker ϕ associe l applicaion linéaire û de G dans E définie par x G, û(x) = u(x). Montrons que θ est un isomorphisme de Ker ϕ sur L(G, E). θ est clairement une application linéaire de Ker ϕ sur L(G, E). Montrons que θ est injective. Soit u un élément de Ker θ. θ(u) = û = 0 L(G,E). Ainsi x G, u(x) = û(x) = 0 E. Alors u est nulle sur G. Or u appartient à Ker ϕ donc u est également nulle sur Im f. Montrons alors que u = 0 L(E). Soit x un élément de E.!(x 1, x 2 ) Im f G, x = x 1 + x 2. u(x) = u(x 1 ) + u(x 2 ) = 0 E + 0 E = 0 E. Ainsi u = 0 L(E) et le noyau de θ est réduit à 0 L(E) ; θ est injective. Montrons que θ est surjective. Soit v un élément de L(G, E). Montrons qu il existe un élément u de Ker ϕ tel que θ(u) = v Notons p la projection sur G parallèlement à Im f. Soit p l application linéaire de E dans G définie par x E, p (x) = p(x). Posons u = v p. Notons que x Im f, p (x) = p(x) = 0 E et x G, p (x) = p(x) = x Par composition u est une application linéaire de E dans E donc est un endomorphisme de E. x Im f, u(x) = v ( p (x) ) = v ( p(x) ) = v(0 E ) = 0 E. Ainsi u appartient à Ker ϕ.
16 J.F.C. p. 16 x G, θ(u)(x) = û(x) = u(x) = v ( p (x) ) = v ( p(x) ) = v(x). θ(u) = v. Ceci achève de montrer que θ est surjective. θ est un isomorphisme de Ker ϕ sur L(G, E). Donc dim Ker ϕ = dim L(G, E) = dim G dim E. Or G est un supplémentaire de Im f dans E donc dim G = dim E dim Im f = n r. Alors dim Ker ϕ = (n r) dim E = (n r) n = n 2 r n. Ainsi rg ϕ = dim L(E) dim Ker ϕ = n 2 (n 2 r n) = r n. rg ϕ = rg f dim E. Exercice 15 ESCP 2002 Soit E = R[X] l espace vectoriel des polynômes à coefficients réels. Pour tout endomorphisme u de E et pour tout m N, l endomorphisme u m est défini par : u 0 = Id E et m [1, + [, u m = u u m 1. On note D l application dérivation qui à tout P de E associe le polynôme dérivée P. Soit f un endomorphisme de E tel qu il existe deux éléments k et m vérifiant : f k = D m. Q1. Montrer que D est un endomorphisme surjectif de E. En déduire que f est un endomorphisme surjectif de E. Q2. Déterminer Ker D m. Q3. Montrer que pour tout élément p de [0, k ], Ker f p est de dimension finie. Q4. Soit p [1, k ] et ϕ l application définie sur Ker f p par ϕ(p ) = f(p ). a) Montrer que ϕ est une application linéaire de Ker f p dans Ker f p 1. b) Déterminer son noyau et montrer que ϕ est surjective. c) Déterminer une relation entre la dimension de Ker f p et celles de Ker f p 1 et de Ker f. Q5. En déduire la dimension de Ker f k en fonction de k et de la dimension de Ker f. Q6. Soit k et m deux éléments de N. Déterminer une condition nécessaire et suffisante portant sur (k, m) pour qu il existe un endomorphisme f de E tel que f k = D m. Q1 D est une application de E dans E. (P, Q) E 2, λ R, D(λ P + Q) = (λ P + Q) = λ P + Q = λ D(P ) + D(Q). D est linéaire. D est un endomorphisme de E. Montrons que D est surjectif. Soit P un élément de E. Montrons que P possède un antécédent par D dans E. r r N, (a 0, a 1,..., a r ) R r+1, P = a k X k. Posons Q = r a k k + 1 Xk+1. Q appartient à E et D(Q) = Q = P. Finalement : D est un endomorphisme surjectif de E. Comme D est un endomorphisme surjectif de E il en est de même de D m (composée de m endomorphismes surjectifs de E) donc de f k. Alors f k (E) = E. Or f k 1 (E) E donc f k (E) f(e). Ainsi E = f k (E) f(e) E. Par conséquent f(e) = E. f est une endomorphisme surjectif de E.
17 J.F.C. p. 17 Q2 Notons que P E, D m (P ) = P (m). Soit P un élément de Ker D m. P (m) = 0 E. La formule de Taylor avec reste intégrale appliquée à l ordre m 1 donne : x R, P (x) = Ainsi P = m 1 m 1 P (k) (0) k! P (k) (0) k! x k + x 0 (x t) m 1 (m 1)! P (m) (t) dt = x k donc P appartient à R m 1 [X]. m 1 P (k) (0) k! Réciproquement il est clair que si P appartient à R m 1 [X], P (m) est le polynôme nul donc P appartient à Ker D m. Ker D m = R n 1 [X]. X k. Q3 Soit p un élément de [0, k ]. Si x appartient à Ker f p, f k (x) = f k p( f p (x) ) = f k p (0 E ) = 0 E. Ainsi Ker f p Ker f k = Ker D m = R m 1 [X]. Comme R m 1 [X] est de dimension finie m, Ker f p est de dimension finie inférieure ou égale à m. Pour tout élément p de [0, k ], Ker f p est de dimension finie et inférieure ou égale à m. Q4 a) Ici p est dans [1, k ]. f étant linéaire, ϕ est linéaire. Soit P un élément de Ker f p. f p (P ) = 0 E donc f p 1( f(p ) ) = 0 E. Ainsi ϕ(p ) = f(p ) est un élément de Ker f p 1. ϕ est une application linéaire de Ker f p dans Ker f p 1. b) Soit P un élément de Ker f p. ϕ(p ) = 0 E f(p ) = 0 E P Ker f. Ainsi Ker ϕ = Ker f Ker f p = Ker f car Ker f Ker f p. Ker ϕ = Ker f. Montrons que ϕ est surjective. Soit P un élément de Ker f p 1. Montrons que P possède un antécédent dans Ker f p par ϕ. Comme f est surjective, il existe un élément Q de E tel que f(q) = P. f p (Q) = f p 1 (P ) = 0 E donc Q appartient à Ker ϕ et ϕ(q) = f(q) = P. Ceci achève de montrer que ϕ est surjective. ϕ est application linéaire surjective de Ker f p dans Ker f p 1. c) Appliquons le théorème du rang à ϕ. dim Ker f p = rg ϕ + dim Ker ϕ = rg ϕ + dim Ker f. Or Im ϕ = Ker f p 1 donc rg ϕ = dim Ker f p 1. Alors dim Ker f p = dim Ker f p 1 + dim Ker f. p [1, k ], dim Ker f p = dim Ker f p 1 + dim Ker f. Q5 D après ce qui précède la suite (dim Ker f p ) p [0,k ] (oui p [ 0, k ]) est arithmétique de raison dim Ker f. Ainsi dim Ker f k = dim Ker f 0 + k dim Ker f. Or Ker f 0 = Ker Id E = {0 E } donc dim Ker f 0 = 0. Ainsi
18 J.F.C. p. 18 dim Ker f k = k dim Ker f. Notons que k dim Ker f = dim Ker f k = dim Ker D m = m donc k divise m. Q6 D après ce qui précède, k divise m est une condition nécessaire pour qu il existe un endomorphisme f de E tel que f k = D m. Montrons qu elle est suffisante. Supposons que k divise m. Il existe un élément r de N tel que m = r k. Posons f = D r. f est un endomorphisme de E et f k = (D r ) k = D r k = D m. La condition est suffisante. Soit k et m deux éléments de N. Une condition nécessaire et suffisante pour qu il existe un endomorphisme f de E tel que f k = D m est k divise m. Exercice 16 Q1. E est un espace vectoriel sur K, ϕ et ψ sont deux formes linéaires non nulles sur E. Q1 Montrer que Ker ϕ = Ker ψ si et seulement si, il existe un élément non nulle λ de K tel que ψ = λ ϕ. Q2 Application B = (e 1, e 2,..., e n ) est une base d un espace vectoriel E sur K. H est un hyperplan de E. a 1 x 1 + a 2 x a n x n = 0 et b 1 x 1 + b 2 x b n x n = 0 sont deux équations de H dans B. Montrer qu il existe un élément non nul λ de K tel que : i [1, n], b i = λ a i. Q1 Supposons que Ker ϕ = Ker ψ et posons H = Ker ϕ = Ker ψ. ϕ n étant pas la forme linéaire null, H est un hyperplan. Ainsi il existe une droite vectorielle D de E qui est un supplémentaire de H dans E. Soit (a) une base de D. E = H Vect(a). Si ϕ(a) est nul, alors ϕ est nulle sur H et Vect(a) donc ϕ est nulle sur E car tout élément de E est somme d un élément de H et d un élément de Vect(a). ϕ n étant pas la forme linéaire nulle de E nécessairement ϕ(a) n est pas nul. Pour les mêmes raisons, ψ(a) n est pas nul. Posons alors λ = ψ(a) Remarquons que λ n est pas nul, que ψ(a) = λ ϕ(a) et montrons que ψ = λ ϕ. ϕ(a) Soit x un élément de E. Il existe un élément h de H et un élément γ de K tels que x = h + γ a. Notons que ψ(h) = ϕ(h) = 0 K et rappelons que ψ(a) = λ ϕ(a). Alors ψ(x) = ψ(h) + γ ψ(a) = 0 K + γ λ ϕ(a) = λ 0 K + λ γ ϕ(a) = λ ( ϕ(h) + γ ϕ(a) ) = λ ϕ(x). Par conséquent x E, ψ(x) = λ ϕ(x) donc ψ = λ ϕ avec λ élément non nul de K. Réciproquement supposons qu il existe un élément non nul λ de K tel que ψ = λ ϕ. Montrons que Ker ϕ = Ker ψ. Soit x un élément de E. x Ker ψ ψ(x) = 0 K λ ϕ(x) = 0 K. Or λ n est pas nul donc λ ϕ(x) = 0 K ϕ(x) = 0 K. Ainsi x Ker ψ x Ker ϕ. Finalement Ker ψ = Ker ϕ. Q2 Posons pour tout élément x = n i=1 x i e i de E, ϕ(x) = n i=1 a i x i et ψ(x) = n ϕ et ψ sont clairement deux formes linéaires sur E. Tout aussi clairement Ker ϕ = Ker ψ = H. Comme H n est pas égal à E, ϕ et ψ sont non nulles et ont même noyau. D après Q1, il existe un élément non nul λ de K tel que ψ = λ ϕ. Alors i [1, n], b i = ψ(e i ) = λ ϕ(e i ) = λ a i. i=1 b i x i.
19 J.F.C. p. 19 Exercice 17 E est un espace vectoriel de dimension n sur K. u et v sont deux endomorphismes de E tels que : u 2 = v 2 = Id E et Ker(u Id E ) = Ker(v Id E ). Q0 f et g sont deux endomorphismes de E. Montrer que g f = 0 L(E) si et seulement si Im f Ker g. Q1 Montrer que Ker(u Id E ) et Ker(u+Id E ) sont supplémentaires (c est du cours mais je veux qu on le redémontre). Q2 a) Montrer que Im(u + Id E ) Ker(u Id E ) = Ker(v Id E ). b) Montrer en fait que : Im(u + Id E ) = Ker(u Id E ) = Ker(v Id E ). c) Que dire de (v Id E ) (u + Id E )? Q3 On pose f = v u Id E. Montrer que f = u v. Prouver que f 2 = 0 L(E) (on pourra sans doute remarquer que le problème est symétrique en u et v). Q4 Montrer que u v = v u si et seulement si u = v. Q0 g f = 0 L(E) x E, g ( f(x) ) = 0 E x E, f(x) Ker g. Or Im f = {f(x), x E}. Donc g f = 0 L(E) y Im f, g(y) = 0 E Im f Ker g. g f = 0 L(E) Im f Ker g. Q1 Version 1 u est un endomorphisme de E tel que u 2 = Id E donc u est une symétrie vectorielle. Mieux u est la symétrie vectorielle par rapport à Ker(u Id E ) parallèlement à Ker(u + Id E ). Donc Ker(u Id E ) et Ker(u + Id E ) sont supplémentaires. Version 2 Retrouvons ce résultat à la main. Soit x un élément de E. Montrons, par analyse-synthèse qu il existe un unique couple (y, z) de Ker(u Id E ) Ker(u + Id E ) tel que x = y + z. Analyse/Unicité. Supposons que x = y + z avec (y, z) Ker(u Id E ) Ker(u + Id E ). u(x) = u(y)+u(z) = y z. Ainsi x = y+z et u(x) = y z. En ajoutant et en multipliant par 1 2 il vient y = 1 2( x+u(x) ). En soustrayant et en multipliant par 1 2 il vient z = 1 2( x u(x) ). Ce qui prouve l unicité de la décomposition. Synthèse/Existence. Posons y = 1 ( ) 1( ) x + u(x) et z = x u(x). 2 2 y + z = 1 ( ) 1( ) x + u(x) + x u(x) = x. 2 2 u(y) = 1 ( u(x) + u 2 (x) ) = 1 ( ) u(x) + x = y donc y Ker(u IdE ). 2 2 u(z) = 1 2 ( u(x) u 2 (x) ) = 1 2 ( u(x) x ) = z donc z Ker(u + IdE ). Ainsi x = y + z avec y Ker(u Id E ) et z Ker(u + Id E ). D où l existence de la décompoition. Ker(u Id E ) et Ker(u + Id E ) sont supplémentaires. Q2 a) u et Id E commutent donc (u Id E ) (u + Id E ) = u 2 Id 2 E = u 2 Id E = 0 L(E).
20 J.F.C. p. 20 D après Q0, Im(u + Id E ) Ker(u Id E ). Im(u + Id E ) Ker(u Id E ) = Ker(v Id E ). b) Version 1 Im(u + Id E ) Ker(u Id E ). E étant de dimension finie, pour montrer que Im(u + Id E ) = Ker(u Id E ) il ne reste plus qu à montrer que dim Im(u + Id E ) = dim Ker(u Id E ). Ker(u Id E ) et Ker(u + Id E ) sont supplémentaires dans E donc dim Ker(u Id E ) + dim Ker(u + Id E ) = dim E = n. Alors dim Ker(u Id E ) = n dim Ker(u + Id E ). Le théorème du rang donne dim Ker(u + Id E ) + dim Im(u + Id E ) = dim E = n Ceci fournit dim Im(u + Id E ) = n dim Ker(u + Id E ). Alors dim Ker(u Id E ) = n dim Ker(u + Id E ) = dim Im(u + Id E ). Ceci achève de montrer que Im(u + Id E ) = Ker(u Id E ). Version 2 Im(u + Id E ) Ker(u Id E ). Pour montrer que Im(u + Id E ) = Ker(u Id E ) il ne reste plus qu à montrer que Ker(u Id E ) Im(u + Id E ). Soit x un élément de Ker(u Id E ). u(x) = x donc x = 1 ( ) ( ) 1 ( ) 1 x + x = u(x) + x = (u + IdE ) x. Ainsi x appartient à Im(u + Id E ). Ceci achève de montrer que Ker(u Id E ) Im(u + Id E ). On retrouve alors : Im(u + Id E ) = Ker(u Id E ) = Ker(v Id E ). c) Im(u + Id E ) Ker(v Id E ) d après a). Q0 donne alors : (v Id E ) (u + Id E ) = 0 L(E). Q3 (v Id E ) (u + Id E ) = 0 L(E) donc v u + v u Id E = 0 L(E). Alors f = v u Id E = u v. Nous venons de voir que v u Id E = u v. Comme u et v jouent un rôle symétrique, u v Id E = v u. Alors f 2 = (v u) 2 = (v u) (v u) = v 2 v u u v +u 2 = Id E v u u v +Id E = (v u Id E ) (u v Id E ). Ainsi f 2 = (u v) (v u) = 0 L(E). f 2 = 0 L(E). Q4 Nous avons vu que v u Id E = u v et u v Id E = v u. Alors u v = v u u v Id E = v u Id E v u = u v 2 v = 2 u v = u. u v = v u si et seulement si u = v. Exercice 18 a est un réel et E est l espace vectoriel des applications de R dans R de classe C sur R. F est l ensemble des applications f de R dans R, deux fois dérivable sur R et telles que f + a f = 0 A(R,R). Q1 a) Soit f un élément de F. Montrer que f est de classe C sur R et exprimer ses dérivées successives en fonction de f ou de f (... et de a). b) Montrer que F est un sous-espace vectoriel de E. Dans la suite on se propose de montrer que F est de dimension 2 et d en trouver une base. Q2 Examiner le cas où a est nul. Dans la suite a est non nul. Q3 On considère l application ϕ de F dans R 2 définie par : f F, ϕ(f) = (f(0), f (0)). a) Montrer que ϕ est linéaire.
21 J.F.C. p. 21 b) Soit f un élément de Ker ϕ. Montrer que p N, x R, f(x) x 2 p (2 p)! a p Max t [0,x] En déduire que la dimension de F est inférieure ou égale à deux. f(t). En déduire que f est la fonction nulle. Q4 a) On suppose que a est strictement négatif. Trouver l ensemble des réels λ tels que x e λ x appartienne à F. Achever alors de résoudre le problème posé. b) On suppose que a est strictement positif. Soit c un réel. Trouver l ensemble des réels non nuls λ tels que x cos(λ x + c) appartienne à F. Achever alors de résoudre le problème posé. Q1 a) Soit f un élément de F. Montrons par récurrence que pour tout élément p de N, f est 2p fois dérivable sur R et que f (2p) = ( a) p f. La propriété est de toute évidence vraie pour p = 0. Supposons la propriété vraie pour un élément p de N et montrons la pour p + 1. f est dans F donc f est deux fois dérivable sur R et f = a f. L hypothèse de récurrence permet alors de dire que f est 2p fois dérivable sur R. Ainsi f est 2p + 2 fois dérivable sur R, donc f est 2(p + 1) fois dérivable sur R! ( ) De plus f 2(p + 1) = ( f (2p)) ( = ( a) p f ) = ( a) p f = ( a) p ( a f) = ( a) p+1 f. Ceci achève la récurrence. f étant 2p fois dérivable sur R pour tout p dans N, f est de classe C sur R. De plus p N, f (2p+1) = ( f (2p)) = ( ( a) p f ) = ( a) p f. Soit f est un élément de F. f est de classe C sur R. De plus p N, f (2p) = ( a) p f et f (2p+1) = ( a) p f b) D après a) F est contenu dans E. 0 E est deux fois dérivable sur R et 0 E + a 0 E = 0 E + a 0 E = 0 E = 0 A(R,R). Ainsi 0 E appartient à F et F est donc non vide. Soient f et g deux éléments de F. Soit λ un réel. λ f + g est deux fois dérivable sur R De plus : (λ f + g) + a (λ f + g) = λ f + g + a λ f + a g = λ(f + a f) + (g + a g) = λ 0 A(R,R) + 0 A(R,R) = 0 A(R,R). Donc λ f + g est un élément de F. Ceci achève de montrer que : F est un sous-espace vectoriel de E. Q2 Ici a = 0. F est l ensemble des applications de R dans R deux fois dérivable sur R et de dérivée seconde nulle. Notons que toute application affine de R dans R appartient F Réciproquement soit f un élément de F. f est nulle sur l intervalle R! Ainsi f est constante sur R. Alors il existe un réel b tel que x R, f (x) = b. Ainsi il existe un réel c tel que x R, f(x) = b x + c. f est affine. On suppose que a est nul. F est l ensemble des applications affines de R dans R. F est donc de dimension 2. Posons x R, f 0 (x) = 1 et f 1 (x) = x ; (f 0, f 1 ) est une base de F.
Première partie. Préliminaires : noyaux itérés. MPSI B 6 juin 2015
Énoncé Soit V un espace vectoriel réel. L espace vectoriel des endomorphismes de V est désigné par L(V ). Lorsque f L(V ) et k N, on désigne par f 0 = Id V, f k = f k f la composée de f avec lui même k
Plus en détailExo7. Matrice d une application linéaire. Corrections d Arnaud Bodin.
Exo7 Matrice d une application linéaire Corrections d Arnaud odin. Exercice Soit R muni de la base canonique = ( i, j). Soit f : R R la projection sur l axe des abscisses R i parallèlement à R( i + j).
Plus en détailNOTATIONS PRÉLIMINAIRES
Pour le Jeudi 14 Octobre 2010 NOTATIONS Soit V un espace vectoriel réel ; l'espace vectoriel des endomorphismes de l'espace vectoriel V est désigné par L(V ). Soit f un endomorphisme de l'espace vectoriel
Plus en détailExercices - Polynômes : corrigé. Opérations sur les polynômes
Opérations sur les polynômes Exercice 1 - Carré - L1/Math Sup - Si P = Q est le carré d un polynôme, alors Q est nécessairement de degré, et son coefficient dominant est égal à 1. On peut donc écrire Q(X)
Plus en détailUniversité Paris-Dauphine DUMI2E 1ère année, 2009-2010. Applications
Université Paris-Dauphine DUMI2E 1ère année, 2009-2010 Applications 1 Introduction Une fonction f (plus précisément, une fonction réelle d une variable réelle) est une règle qui associe à tout réel x au
Plus en détailLe produit semi-direct
Le produit semi-direct Préparation à l agrégation de mathématiques Université de Nice - Sophia Antipolis Antoine Ducros Octobre 2007 Ce texte est consacré, comme son titre l indique, au produit semi-direct.
Plus en détail[http://mp.cpgedupuydelome.fr] édité le 30 avril 2015 Enoncés 1
[http://mpcpgedupuydelomefr] édité le 3 avril 215 Enoncés 1 Exercice 1 [ 265 ] [correction] On note V l ensemble des matrices à coefficients entiers du type a b c d d a b c c d a b b c d a et G l ensemble
Plus en détailUn K-espace vectoriel est un ensemble non vide E muni : d une loi de composition interne, c est-à-dire d une application de E E dans E : E E E
Exo7 Espaces vectoriels Vidéo partie 1. Espace vectoriel (début Vidéo partie 2. Espace vectoriel (fin Vidéo partie 3. Sous-espace vectoriel (début Vidéo partie 4. Sous-espace vectoriel (milieu Vidéo partie
Plus en détailwww.h-k.fr/publications/objectif-agregation
«Sur C, tout est connexe!» www.h-k.fr/publications/objectif-agregation L idée de cette note est de montrer que, contrairement à ce qui se passe sur R, «sur C, tout est connexe». Cet abus de langage se
Plus en détailExercices - Fonctions de plusieurs variables : corrigé. Pour commencer
Pour commencer Exercice 1 - Ensembles de définition - Première année - 1. Le logarithme est défini si x + y > 0. On trouve donc le demi-plan supérieur délimité par la droite d équation x + y = 0.. 1 xy
Plus en détailStructures algébriques
Structures algébriques 1. Lois de composition s Soit E un ensemble. Une loi de composition interne sur E est une application de E E dans E. Soient E et F deux ensembles. Une loi de composition externe
Plus en détailThéorème du point fixe - Théorème de l inversion locale
Chapitre 7 Théorème du point fixe - Théorème de l inversion locale Dans ce chapitre et le suivant, on montre deux applications importantes de la notion de différentiabilité : le théorème de l inversion
Plus en détailCapes 2002 - Première épreuve
Cette correction a été rédigée par Frédéric Bayart. Si vous avez des remarques à faire, ou pour signaler des erreurs, n hésitez pas à écrire à : mathweb@free.fr Mots-clés : équation fonctionnelle, série
Plus en détailExercices Corrigés Premières notions sur les espaces vectoriels
Exercices Corrigés Premières notions sur les espaces vectoriels Exercice 1 On considére le sous-espace vectoriel F de R formé des solutions du système suivant : x1 x 2 x 3 + 2x = 0 E 1 x 1 + 2x 2 + x 3
Plus en détailCours de mathématiques
DEUG MIAS premier niveau Cours de mathématiques année 2003/2004 Guillaume Legendre (version révisée du 3 avril 2015) Table des matières 1 Éléments de logique 1 1.1 Assertions...............................................
Plus en détailFormes quadratiques. 1 Formes quadratiques et formes polaires associées. Imen BHOURI. 1.1 Définitions
Formes quadratiques Imen BHOURI 1 Ce cours s adresse aux étudiants de niveau deuxième année de Licence et à ceux qui préparent le capes. Il combine d une façon indissociable l étude des concepts bilinéaires
Plus en détailProblème 1 : applications du plan affine
Problème 1 : applications du plan affine Notations On désigne par GL 2 (R) l ensemble des matrices 2 2 inversibles à coefficients réels. Soit un plan affine P muni d un repère (O, I, J). Les coordonnées
Plus en détailProblèmes de Mathématiques Filtres et ultrafiltres
Énoncé Soit E un ensemble non vide. On dit qu un sous-ensemble F de P(E) est un filtre sur E si (P 0 ) F. (P 1 ) (X, Y ) F 2, X Y F. (P 2 ) X F, Y P(E) : X Y Y F. (P 3 ) / F. Première Partie 1. Que dire
Plus en détailI. Polynômes de Tchebychev
Première épreuve CCP filière MP I. Polynômes de Tchebychev ( ) 1.a) Tout réel θ vérifie cos(nθ) = Re ((cos θ + i sin θ) n ) = Re Cn k (cos θ) n k i k (sin θ) k Or i k est réel quand k est pair et imaginaire
Plus en détailCalcul fonctionnel holomorphe dans les algèbres de Banach
Chapitre 7 Calcul fonctionnel holomorphe dans les algèbres de Banach L objet de ce chapitre est de définir un calcul fonctionnel holomorphe qui prolonge le calcul fonctionnel polynômial et qui respecte
Plus en détailDe même, le périmètre P d un cercle de rayon 1 vaut P = 2π (par définition de π). Mais, on peut démontrer (difficilement!) que
Introduction. On suppose connus les ensembles N (des entiers naturels), Z des entiers relatifs et Q (des nombres rationnels). On s est rendu compte, depuis l antiquité, que l on ne peut pas tout mesurer
Plus en détailOptimisation non linéaire Irène Charon, Olivier Hudry École nationale supérieure des télécommunications
Optimisation non linéaire Irène Charon, Olivier Hudry École nationale supérieure des télécommunications A. Optimisation sans contrainte.... Généralités.... Condition nécessaire et condition suffisante
Plus en détailGroupe symétrique. Chapitre II. 1 Définitions et généralités
Chapitre II Groupe symétrique 1 Définitions et généralités Définition. Soient n et X l ensemble 1,..., n. On appelle permutation de X toute application bijective f : X X. On note S n l ensemble des permutations
Plus en détailIntégration et probabilités TD1 Espaces mesurés Corrigé
Intégration et probabilités TD1 Espaces mesurés Corrigé 2012-2013 1 Petites questions 1 Est-ce que l ensemble des ouverts de R est une tribu? Réponse : Non, car le complémentaire de ], 0[ n est pas ouvert.
Plus en détailDifférentiabilité ; Fonctions de plusieurs variables réelles
Différentiabilité ; Fonctions de plusieurs variables réelles Denis Vekemans R n est muni de l une des trois normes usuelles. 1,. 2 ou.. x 1 = i i n Toutes les normes de R n sont équivalentes. x i ; x 2
Plus en détailContinuité en un point
DOCUMENT 4 Continuité en un point En général, D f désigne l ensemble de définition de la fonction f et on supposera toujours que cet ensemble est inclus dans R. Toutes les fonctions considérées sont à
Plus en détailProgrammes des classes préparatoires aux Grandes Ecoles
Programmes des classes préparatoires aux Grandes Ecoles Filière : scientifique Voie : Biologie, chimie, physique et sciences de la Terre (BCPST) Discipline : Mathématiques Seconde année Préambule Programme
Plus en détailCorrigé Problème. Partie I. I-A : Le sens direct et le cas n= 2
33 Corrigé Corrigé Problème Théorème de Motzkin-Taussky Partie I I-A : Le sens direct et le cas n= 2 1-a Stabilité des sous-espaces propres Soit λ une valeur propre de v et E λ (v) le sous-espace propre
Plus en détailRésumé du cours d algèbre 1, 2013-2014. Sandra Rozensztajn. UMPA, ENS de Lyon, sandra.rozensztajn@ens-lyon.fr
Résumé du cours d algèbre 1, 2013-2014 Sandra Rozensztajn UMPA, ENS de Lyon, sandra.rozensztajn@ens-lyon.fr CHAPITRE 0 Relations d équivalence et classes d équivalence 1. Relation d équivalence Définition
Plus en détailIntroduction à l étude des Corps Finis
Introduction à l étude des Corps Finis Robert Rolland (Résumé) 1 Introduction La structure de corps fini intervient dans divers domaines des mathématiques, en particulier dans la théorie de Galois sur
Plus en détailChapitre VI Fonctions de plusieurs variables
Chapitre VI Fonctions de plusieurs variables 6. 1 Fonctions différentiables de R 2 dans R. 6. 1. 1 Définition de la différentiabilité Nous introduisons la différentiabilité sous l angle des développements
Plus en détailRelation d ordre. Manipulation des relations d ordre. Lycée Pierre de Fermat 2012/2013 Feuille d exercices
Lycée Pierre de Fermat 2012/2013 MPSI 1 Feuille d exercices Manipulation des relations d ordre. Relation d ordre Exercice 1. Soit E un ensemble fixé contenant au moins deux éléments. On considère la relation
Plus en détail3 Approximation de solutions d équations
3 Approximation de solutions d équations Une équation scalaire a la forme générale f(x) =0où f est une fonction de IR dans IR. Un système de n équations à n inconnues peut aussi se mettre sous une telle
Plus en détailRésolution d équations non linéaires
Analyse Numérique Résolution d équations non linéaires Said EL HAJJI et Touria GHEMIRES Université Mohammed V - Agdal. Faculté des Sciences Département de Mathématiques. Laboratoire de Mathématiques, Informatique
Plus en détailImage d un intervalle par une fonction continue
DOCUMENT 27 Image d un intervalle par une fonction continue La continuité d une fonction en un point est une propriété locale : une fonction est continue en un point x 0 si et seulement si sa restriction
Plus en détail* très facile ** facile *** difficulté moyenne **** difficile ***** très difficile I : Incontournable T : pour travailler et mémoriser le cours
Exo7 Continuité (étude globale). Diverses fonctions Exercices de Jean-Louis Rouget. Retrouver aussi cette fiche sur www.maths-france.fr * très facile ** facile *** difficulté moyenne **** difficile *****
Plus en détailPremiers exercices d Algèbre. Anne-Marie Simon
Premiers exercices d Algèbre Anne-Marie Simon première version: 17 août 2005 version corrigée et complétée le 12 octobre 2010 ii Table des matières 1 Quelques structures ensemblistes 1 1.0 Ensembles, relations,
Plus en détailExercice autour de densité, fonction de répatition, espérance et variance de variables quelconques.
14-3- 214 J.F.C. p. 1 I Exercice autour de densité, fonction de répatition, espérance et variance de variables quelconques. Exercice 1 Densité de probabilité. F { ln x si x ], 1] UN OVNI... On pose x R,
Plus en détailProgramme de la classe de première année MPSI
Objectifs Programme de la classe de première année MPSI I - Introduction à l analyse L objectif de cette partie est d amener les étudiants vers des problèmes effectifs d analyse élémentaire, d introduire
Plus en détailPour l épreuve d algèbre, les calculatrices sont interdites.
Les pages qui suivent comportent, à titre d exemples, les questions d algèbre depuis juillet 003 jusqu à juillet 015, avec leurs solutions. Pour l épreuve d algèbre, les calculatrices sont interdites.
Plus en détailLa Licence Mathématiques et Economie-MASS Université de Sciences Sociales de Toulouse 1
La Licence Mathématiques et Economie-MASS Université de Sciences Sociales de Toulouse 1 La licence Mathématiques et Economie-MASS de l Université des Sciences Sociales de Toulouse propose sur les trois
Plus en détailPlanche n o 22. Fonctions de plusieurs variables. Corrigé
Planche n o Fonctions de plusieurs variables Corrigé n o : f est définie sur R \ {, } Pour, f, = Quand tend vers, le couple, tend vers le couple, et f, tend vers Donc, si f a une limite réelle en, cette
Plus en détailCalcul Différentiel. I Fonctions différentiables 3
Université de la Méditerranée Faculté des Sciences de Luminy Licence de Mathématiques, Semestre 5, année 2008-2009 Calcul Différentiel Support du cours de Glenn Merlet 1, version du 6 octobre 2008. Remarques
Plus en détailCours3. Applications continues et homéomorphismes. 1 Rappel sur les images réciproques
Université de Provence Topologie 2 Cours3. Applications continues et homéomorphismes 1 Rappel sur les images réciproques Soit une application f d un ensemble X vers un ensemble Y et soit une partie P de
Plus en détailSimulation de variables aléatoires
Chapter 1 Simulation de variables aléatoires Références: [F] Fishman, A first course in Monte Carlo, chap 3. [B] Bouleau, Probabilités de l ingénieur, chap 4. [R] Rubinstein, Simulation and Monte Carlo
Plus en détailProposition. Si G est un groupe simple d ordre 60 alors G est isomorphe à A 5.
DÉVELOPPEMENT 32 A 5 EST LE SEUL GROUPE SIMPLE D ORDRE 60 Proposition. Si G est un groupe simple d ordre 60 alors G est isomorphe à A 5. Démonstration. On considère un groupe G d ordre 60 = 2 2 3 5 et
Plus en détailChapitre 3. Mesures stationnaires. et théorèmes de convergence
Chapitre 3 Mesures stationnaires et théorèmes de convergence Christiane Cocozza-Thivent, Université de Marne-la-Vallée p.1 I. Mesures stationnaires Christiane Cocozza-Thivent, Université de Marne-la-Vallée
Plus en détailFonctions de plusieurs variables, intégrales multiples, et intégrales dépendant d un paramètre
IUFM du Limousin 2009-10 PLC1 Mathématiques S. Vinatier Rappels de cours Fonctions de plusieurs variables, intégrales multiples, et intégrales dépendant d un paramètre 1 Fonctions de plusieurs variables
Plus en détailPolynômes à plusieurs variables. Résultant
Polynômes à plusieurs variables. Résultant Christophe Ritzenthaler 1 Relations coefficients-racines. Polynômes symétriques Issu de [MS] et de [Goz]. Soit A un anneau intègre. Définition 1.1. Soit a A \
Plus en détailCalcul différentiel sur R n Première partie
Calcul différentiel sur R n Première partie Université De Metz 2006-2007 1 Définitions générales On note L(R n, R m ) l espace vectoriel des applications linéaires de R n dans R m. Définition 1.1 (différentiabilité
Plus en détailUne forme générale de la conjecture abc
Une forme générale de la conjecture abc Nicolas Billerey avec l aide de Manuel Pégourié-Gonnard 6 août 2009 Dans [Lan99a], M Langevin montre que la conjecture abc est équivalente à la conjecture suivante
Plus en détailExtrait du poly de Stage de Grésillon 1, août 2010
MINI-COURS SUR LES POLYNÔMES À UNE VARIABLE Extrait du poly de Stage de Grésillon 1, août 2010 Table des matières I Opérations sur les polynômes 3 II Division euclidienne et racines 5 1 Division euclidienne
Plus en détailVI. COMPLÉMENTS SUR LES MODULES, THÉORÈME CHINOIS, FACTEURS INVARIANTS SÉANCES DU 15, 16 ET 22 OCTOBRE
VI. COMPLÉMENTS SUR LES MODULES, THÉORÈME CHINOIS, FACTEURS INVARIANTS SÉANCES DU 15, 16 ET 22 OCTOBRE 12. Compléments sur les modules 12.1. Théorème de Zorn et conséquences. Soient A un anneau commutatif
Plus en détailDérivées d ordres supérieurs. Application à l étude d extrema.
Chapitre 5 Dérivées d ordres supérieurs. Application à l étude d extrema. On s intéresse dans ce chapitre aux dérivées d ordre ou plus d une fonction de plusieurs variables. Comme pour une fonction d une
Plus en détailMéthodes de quadrature. Polytech Paris-UPMC. - p. 1/48
Méthodes de Polytech Paris-UPMC - p. 1/48 Polynôme d interpolation de Preuve et polynôme de Calcul de l erreur d interpolation Étude de la formule d erreur Autres méthodes - p. 2/48 Polynôme d interpolation
Plus en détailProduit semi-direct. Table des matières. 1 Produit de sous-groupes 2. 2 Produit semi-direct de sous-groupes 3. 3 Produit semi-direct de groupes 4
Produit semi-direct Table des matières 1 Produit de sous-groupes 2 2 Produit semi-direct de sous-groupes 3 3 Produit semi-direct de groupes 4 1 1 Produit de sous-groupes Soient G un groupe et H et K deux
Plus en détail3. Conditionnement P (B)
Conditionnement 16 3. Conditionnement Dans cette section, nous allons rappeler un certain nombre de définitions et de propriétés liées au problème du conditionnement, c est à dire à la prise en compte
Plus en détailChapitre VI - Méthodes de factorisation
Université Pierre et Marie Curie Cours de cryptographie MM067-2012/13 Alain Kraus Chapitre VI - Méthodes de factorisation Le problème de la factorisation des grands entiers est a priori très difficile.
Plus en détailChapitre 7. Statistique des échantillons gaussiens. 7.1 Projection de vecteurs gaussiens
Chapitre 7 Statistique des échantillons gaussiens Le théorème central limite met en évidence le rôle majeur tenu par la loi gaussienne en modélisation stochastique. De ce fait, les modèles statistiques
Plus en détailFONCTIONS DE PLUSIEURS VARIABLES (Outils Mathématiques 4)
FONCTIONS DE PLUSIEURS VARIABLES (Outils Mathématiques 4) Bernard Le Stum Université de Rennes 1 Version du 13 mars 2009 Table des matières 1 Fonctions partielles, courbes de niveau 1 2 Limites et continuité
Plus en détailChapitre 2 Le problème de l unicité des solutions
Université Joseph Fourier UE MAT 127 Mathématiques année 2011-2012 Chapitre 2 Le problème de l unicité des solutions Ce que nous verrons dans ce chapitre : un exemple d équation différentielle y = f(y)
Plus en détailLa fonction exponentielle
DERNIÈRE IMPRESSION LE 2 novembre 204 à :07 La fonction exponentielle Table des matières La fonction exponentielle 2. Définition et théorèmes.......................... 2.2 Approche graphique de la fonction
Plus en détailExemple 4.4. Continuons l exemple précédent. Maintenant on travaille sur les quaternions et on a alors les décompositions
Exemple 4.4. Continuons l exemple précédent. Maintenant on travaille sur les quaternions et on a alors les décompositions HQ = He 1 He 2 He 3 He 4 HQ e 5 comme anneaux (avec centre Re 1 Re 2 Re 3 Re 4
Plus en détailSuites numériques 4. 1 Autres recettes pour calculer les limites
Suites numériques 4 1 Autres recettes pour calculer les limites La propriété suivante permet de calculer certaines limites comme on verra dans les exemples qui suivent. Propriété 1. Si u n l et fx) est
Plus en détailTIQUE DE FRANCE NILSYSTÈMES D ORDRE 2 ET PARALLÉLÉPIPÈDES
Bulletin de la SOCIÉTÉ MATHÉMATIQUE DE FRANCE NILSYSTÈMES D ORDRE 2 ET PARALLÉLÉPIPÈDES Bernard Host & Alejandro Maass Tome 135 Fascicule 3 2007 SOCIÉTÉ MATHÉMATIQUE DE FRANCE Publié avec le concours du
Plus en détailProgrammation linéaire
1 Programmation linéaire 1. Le problème, un exemple. 2. Le cas b = 0 3. Théorème de dualité 4. L algorithme du simplexe 5. Problèmes équivalents 6. Complexité de l Algorithme 2 Position du problème Soit
Plus en détailCorrection de l examen de la première session
de l examen de la première session Julian Tugaut, Franck Licini, Didier Vincent Si vous trouvez des erreurs de Français ou de mathématiques ou bien si vous avez des questions et/ou des suggestions, envoyez-moi
Plus en détailMarc HINDRY. Introduction et présentation. page 2. 1 Le langage mathématique page 4. 2 Ensembles et applications page 8
COURS DE MATHÉMATIQUES PREMIÈRE ANNÉE (L1) UNIVERSITÉ DENIS DIDEROT PARIS 7 Marc HINDRY Introduction et présentation. page 2 1 Le langage mathématique page 4 2 Ensembles et applications page 8 3 Groupes,
Plus en détailCorrection du Baccalauréat S Amérique du Nord mai 2007
Correction du Baccalauréat S Amérique du Nord mai 7 EXERCICE points. Le plan (P) a une pour équation cartésienne : x+y z+ =. Les coordonnées de H vérifient cette équation donc H appartient à (P) et A n
Plus en détailLimites finies en un point
8 Limites finies en un point Pour ce chapitre, sauf précision contraire, I désigne une partie non vide de R et f une fonction définie sur I et à valeurs réelles ou complees. Là encore, les fonctions usuelles,
Plus en détailMoments des variables aléatoires réelles
Chapter 6 Moments des variables aléatoires réelles Sommaire 6.1 Espérance des variables aléatoires réelles................................ 46 6.1.1 Définition et calcul........................................
Plus en détailChapitre 11. Séries de Fourier. Nous supposons connues les formules donnant les coefficients de Fourier d une fonction 2 - périodique :
Chapitre Chapitre. Séries de Fourier Nous supposons connues les formules donnant les coefficients de Fourier d une fonction - périodique : c c a0 f x dx c an f xcosnxdx c c bn f xsinn x dx c L objet de
Plus en détailFonctions de plusieurs variables. Sébastien Tordeux
Fonctions de plusieurs variables Sébastien Tordeux 22 février 2009 Table des matières 1 Fonctions de plusieurs variables 3 1.1 Définition............................. 3 1.2 Limite et continuité.......................
Plus en détailCalcul différentiel. Chapitre 1. 1.1 Différentiabilité
Chapitre 1 Calcul différentiel L idée du calcul différentiel est d approcher au voisinage d un point une fonction f par une fonction plus simple (ou d approcher localement le graphe de f par un espace
Plus en détailAOT 13. et Application au Contrôle Géométrique
AOT 13 Géométrie Différentielle et Application au Contrôle Géométrique Frédéric Jean Notes de cours Édition 2011/2012 ii Table des matières 1 Variétés différentiables 1 1.1 Variétés différentiables............................
Plus en détailCours arithmétique et groupes. Licence première année, premier semestre
Cours arithmétique et groupes. Licence première année, premier semestre Raphaël Danchin, Rejeb Hadiji, Stéphane Jaffard, Eva Löcherbach, Jacques Printems, Stéphane Seuret Année 2006-2007 2 Table des matières
Plus en détailThéorèmes du Point Fixe et Applications aux Equations Diérentielles
Université de Nice-Sophia Antipolis Mémoire de Master 1 de Mathématiques Année 2006-2007 Théorèmes du Point Fixe et Applications aux Equations Diérentielles Auteurs : Clémence MINAZZO - Kelsey RIDER Responsable
Plus en détailProbabilités sur un univers fini
[http://mp.cpgedupuydelome.fr] édité le 7 août 204 Enoncés Probabilités sur un univers fini Evènements et langage ensembliste A quelle condition sur (a, b, c, d) ]0, [ 4 existe-t-il une probabilité P sur
Plus en détailI - PUISSANCE D UN POINT PAR RAPPORT A UN CERCLE CERCLES ORTHOGONAUX POLES ET POLAIRES
I - PUISSANCE D UN POINT PAR RAPPORT A UN CERCLE CERCLES ORTHOGONAUX POLES ET POLAIRES Théorème - Définition Soit un cercle (O,R) et un point. Une droite passant par coupe le cercle en deux points A et
Plus en détailDéveloppement décimal d un réel
4 Développement décimal d un réel On rappelle que le corps R des nombres réels est archimédien, ce qui permet d y définir la fonction partie entière. En utilisant cette partie entière on verra dans ce
Plus en détailCHAPITRE IV. L axiome du choix
CHAPITRE IV L axiome du choix Résumé. L axiome du choix AC affirme qu il est légitime de construire des objets mathématiques en répétant un nombre infini de fois l opération de choisir un élément dans
Plus en détailApproximations variationelles des EDP Notes du Cours de M2
Approximations variationelles des EDP Notes du Cours de M2 Albert Cohen Dans ce cours, on s intéresse à l approximation numérique d équations aux dérivées partielles linéaires qui admettent une formulation
Plus en détailEtude de fonctions: procédure et exemple
Etude de fonctions: procédure et exemple Yves Delhaye 8 juillet 2007 Résumé Dans ce court travail, nous présentons les différentes étapes d une étude de fonction à travers un exemple. Nous nous limitons
Plus en détailMathématiques Algèbre et géométrie
Daniel FREDON Myriam MAUMY-BERTRAND Frédéric BERTRAND Mathématiques Algèbre et géométrie en 30 fiches Daniel FREDON Myriam MAUMY-BERTRAND Frédéric BERTRAND Mathématiques Algèbre et géométrie en 30 fiches
Plus en détailComment démontrer des formules sans effort? exposé de maîtrise
Comment démontrer des formules sans effort? exposé de maîtrise Marc Mezzarobba Sam Zoghaib Sujet proposé par François Loeser Résumé Nous exposons un ensemble de méthodes qui permettent d évaluer «en forme
Plus en détailI. Ensemble de définition d'une fonction
Chapitre 2 Généralités sur les fonctions Fonctions de références et fonctions associées Ce que dit le programme : Étude de fonctions Fonctions de référence x x et x x Connaître les variations de ces deux
Plus en détailNOMBRES COMPLEXES. Exercice 1 :
Exercice 1 : NOMBRES COMPLEXES On donne θ 0 un réel tel que : cos(θ 0 ) 5 et sin(θ 0 ) 1 5. Calculer le module et l'argument de chacun des nombres complexes suivants (en fonction de θ 0 ) : a i( )( )(1
Plus en détailCalcul matriciel. Définition 1 Une matrice de format (m,n) est un tableau rectangulaire de mn éléments, rangés en m lignes et n colonnes.
1 Définitions, notations Calcul matriciel Définition 1 Une matrice de format (m,n) est un tableau rectangulaire de mn éléments, rangés en m lignes et n colonnes. On utilise aussi la notation m n pour le
Plus en détailLe théorème de Perron-Frobenius, les chaines de Markov et un célèbre moteur de recherche
Le théorème de Perron-Frobenius, les chaines de Markov et un célèbre moteur de recherche Bachir Bekka Février 2007 Le théorème de Perron-Frobenius a d importantes applications en probabilités (chaines
Plus en détailDéveloppements limités, équivalents et calculs de limites
Développements ités, équivalents et calculs de ites Eercice. Déterminer le développement ité en 0 à l ordre n des fonctions suivantes :. f() e (+) 3 n. g() sin() +ln(+) n 3 3. h() e sh() n 4. i() sin(
Plus en détailProgrammation linéaire et Optimisation. Didier Smets
Programmation linéaire et Optimisation Didier Smets Chapitre 1 Un problème d optimisation linéaire en dimension 2 On considère le cas d un fabricant d automobiles qui propose deux modèles à la vente, des
Plus en détailFonctions de plusieurs variables et applications pour l ingénieur
Service Commun de Formation Continue Année Universitaire 2006-2007 Fonctions de plusieurs variables et applications pour l ingénieur Polycopié de cours Rédigé par Yannick Privat Bureau 321 - Institut Élie
Plus en détailCCP PSI - 2010 Mathématiques 1 : un corrigé
CCP PSI - 00 Mathématiques : un corrigé Première partie. Définition d une structure euclidienne sur R n [X]... B est clairement symétrique et linéaire par rapport à sa seconde variable. De plus B(P, P
Plus en détailÉquations non linéaires
Équations non linéaires Objectif : trouver les zéros de fonctions (ou systèmes) non linéaires, c-à-d les valeurs α R telles que f(α) = 0. y f(x) α 1 α 2 α 3 x Equations non lineaires p. 1/49 Exemples et
Plus en détail8.1 Généralités sur les fonctions de plusieurs variables réelles. f : R 2 R (x, y) 1 x 2 y 2
Chapitre 8 Fonctions de plusieurs variables 8.1 Généralités sur les fonctions de plusieurs variables réelles Définition. Une fonction réelle de n variables réelles est une application d une partie de R
Plus en détailContinuité et dérivabilité d une fonction
DERNIÈRE IMPRESSIN LE 7 novembre 014 à 10:3 Continuité et dérivabilité d une fonction Table des matières 1 Continuité d une fonction 1.1 Limite finie en un point.......................... 1. Continuité
Plus en détail* très facile ** facile *** difficulté moyenne **** difficile ***** très difficile I : Incontournable
Eo7 Fonctions de plusieurs variables Eercices de Jean-Louis Rouget Retrouver aussi cette fiche sur wwwmaths-francefr * très facile ** facile *** difficulté moenne **** difficile ***** très difficile I
Plus en détailCours d Analyse. Fonctions de plusieurs variables
Cours d Analyse Fonctions de plusieurs variables Licence 1ère année 2007/2008 Nicolas Prioux Université de Marne-la-Vallée Table des matières 1 Notions de géométrie dans l espace et fonctions à deux variables........
Plus en détailOptimisation des fonctions de plusieurs variables
Optimisation des fonctions de plusieurs variables Hervé Hocquard Université de Bordeaux, France 8 avril 2013 Extrema locaux et globaux Définition On étudie le comportement d une fonction de plusieurs variables
Plus en détailReprésentation des Nombres
Chapitre 5 Représentation des Nombres 5. Representation des entiers 5.. Principe des représentations en base b Base L entier écrit 344 correspond a 3 mille + 4 cent + dix + 4. Plus généralement a n a n...
Plus en détail