15-Espace_vectoriel
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PCSI2 Exercices: Chapitre 15 - Espaces vectoriels Eléments de correction en ligne Sous-espaces vectoriels 15.1 Démontrer que les ensembles suivants sont des sous-espaces vectoriels de E. a. A = { (x,x,y) 3 b. B = { (x,y,z) 3 , x,y } dans E = 3 . , x + 2y = 0 } dans E = 3 . c. D = { (un)n tel que n , un+2 = 3un+1 - 2un } dans E = d. F = { x acosx + bsinx, (a,b) ² } dans E = e. G = { f0([0,1], ) , 1 0 . . f( t ) dt 0 } dans E = 0([0,1], ). f. H = { f( , ), x , f'(x) = 2f(x) } dans E = ( , ). a b g. F = , a b c d 0 dans E = M2( ) c d 15.2 Expliquer pourquoi la partie F n'est pas un sous-espace vectoriel de E a. E = ² et F = { (x,y) ², x+y = 1 }. b. E = ² et F = { (x,y) ², x²-y² = 0 }. c. E = 0( , ) et F = { fE, x , f(x) 0 }. 15.3 Les ensembles suivants sont-ils des sous-espaces vectoriels de a. L’ensemble des suites décroissantes ? Des suites monotones ? b. L’ensemble des suites bornées ? c. L’ensemble des suites arithmétiques ? Des suites géométriques ? ℕ ? d. L’ensemble des suites (un) telles que : nℕ, un + 2 = a.un + 1 + b.un où a et b sont deux réels fixés. 15.4 Les ensembles suivants sont-ils des sous-espaces vectoriels de a. L’ensemble des fonctions lipschitziennes sur ? b. L’ensemble des fonctions f telles que f (0) = 1 ? c. L’ensemble des fonctions f telles que f (1) = 0 ? d. L’ensemble des fonctions de signe constant ? ? 15.5 a. Dans 3, a-t-on Vect{(2, 3, –1), (3, 7, 0)} = Vect{(1, –1, –2), (5, 0, –7)} ? b. Soit x et y deux vecteurs de E, montrer que Vect(x, y) = Vect(x, y, x + y) 15.6 Dans E = 3 , on donne u = (1, 0, 0), v = (0, 1, 0), w = (0, 1, 1) et t = (1, 0, 1). On pose F = vect( u, v ) et G = vect( w, t ), Déterminer FG et F+G. 15.7 Equations de sous-espaces vectoriels. a. Soit u = (1, 1, 1) et v = (1, 2 ,3) deux vecteurs de ℝ3. Trouver une CNS sur les réels x, y et z pour que X = (x, y, z)Vect(u, v). b. Soit u = (1, 1, 1, 0) et v = (0, 0, 1, 1) deux vecteurs de ℝ4. Trouver une CNS sur les réels x, y, z et t pour que X = (x, y, z, t)Vect(u, v). 15.8 Soit E un -espace vectoriel et F et G deux sous-espaces vectoriels de E. a. Montrer que FG est un sous-espace vectoriel de E si et seulement si F G ou G F. b. Montrer que FG = F+G F = G 15.9 Sous-espaces supplémentaires: Dans chacun des cas suivants, démontrer que E = F G a. F = Vect ( (1,-1) ), G = vect( (1,2) ) et E = ² b. F = { (x,y,z) 3 , x + y - z = 0 }, G = vect((2,-1,0)) et E = 3 . N.Véron-LMB-mars 2015 PCSI2 c. F = { (x1,x2,...xn) d. F = { f0( , ), n , x1 + x2 + ...+ xn = 0 }, G = vect( u ) avec u = (1,1,...,1) et E = 1 f(t)dt 0 }, G le SEV des fonctions constantes sur 0 e. F = { f1( , ), f(0) = f'(0) = 0 }, G = { x n . et E = 0( , ) ax+b, (a,b) ² } et E = 1( , ) Applications linéaires 15.10 Dire si f :E→F est linéaire dans les cas suivants : a. E = ², F= 3 et f:(x,y) (x+y, x-2y, 0) b. E = F = 3 et f:(x,y,z) (x²+x, y-z, x+y-z) c. E = F = ² et f:(x,y) (1, x-2y) d. E = 3, F = et f:(x,y,z) = x – y + z e. E = ², F = et f:(x,y) = xy f. E = C1( , ), F = C0( , ) et uE, f(u) :x u’(x) + (x²+1)u(x) g. E = F = et f(u) = u h. E = et F = ² et f:(un) (u0,u1) i. E = {suites réelles convergentes}, F = et f :(un) lim un 15.11 On considère les applications linéaires suivantes : 3 3 3 2 2 , g: , h: . f: (x 2y, y, y z) x yz (x y, x y) (x, y,z) (x, y,z) (x, y) a. Préciser lesquelles sont des endomorphismes, des formes linéaires. b. Déterminer gf. Quelle est sa nature ? c. Montrer que f est un automorphisme et expliciter f-1. d. Déterminer h² = hh, puis hn = hh...h où n . 15.12 Pour chacune des applications suivantes sont linéaires, déterminer Kerf et Imf puis préciser la nature de ces applications : a) E = ², F = 3 et f:(x,y) (x+y,x-y,x+y) b) E = F = ² et f(x,y) (x+y,x-y) c) E = C1( , ), F = C0( , ) et f:u u' d) E = F = C( *+, ) et f:u 2xu'-u x e) E = C0( , ), F = C1( , ) et x , f(u)(x) = u( t ) dt 0 15.13 Montrer qu'il existe une unique application f L( 3, ²) telle que f(1,0,0) = (1,1) f(0,0,1) = (-1,0) et f(1,1,1) = (0,2). Préciser f(x,y,z), Kerf et Imf. 15.14 Trace d'une matrice carrée Soit M une matrice carrée on appelle trace de M et on note Tr(M) la somme de ses éléments diagonaux. a) Montrer que M Tr(M) est une forme linéaire sur Mn(). b) Montrer que M,NMn(), Tr(MN) = Tr(NM) c) Existe-t-il un couple de matrices carrées (A,B) tel que AB – BA = In? 15.15 Résolution d’une équation linéaire Soit f : . v telle que n , vn un 1 2un u a. Montrer que f est linéaire et déterminer f(t) avec b. Déterminer Kerf c. On pose n , wn = n, résoudre f(u) = w n , tn = -n - 1 N.Véron-LMB-mars 2015 PCSI2 Endomorphismes Dans L(E) on note fn = ff...f n fois 15.16. Soit fL(E). a. Comparer Kerf et Kerf² puis Imf et Imf² au sens de l’inclusion b. Démontrer que Kerf = Kerf²ImfKerf = { 0 E } puis que Imf = Imf² E = Imf+Kerf. 15.17 Soit fL(E) tel que f²-3f+2IdE = 0 a. Justifier que fGL(E) et préciser f-1. b. Démontrer que Ker(f - IdE) et Ker(f - 2IdE) sont des SEV supplémentaires de E. 15.18 On note 0L(E) l'endomorphisme nul de L(E). Soit fL(E) tel que f5 = 0L(E). Montrer que g = IdE - f et h = IdE+fGL(E) et exprimer g-1 et h-1 en fonction de fk, k . 15.19 Soit f et g deux endomorphismes qui commutent dans L(E). Montrer que f(Kerg) Kerg et que f(Img) Img 15.20 Soit f et g deux endomorphismes de L(E) vérifiant fg = IdE. a. Montrer que Ker(gf) = Kerf et Im(gf) = Img. b. Montrer que Kerf et Img sont supplémentaires dans E. c. A quelle condition sur f peut-on affirmer que f et gGL(E) et g = f-1? Projecteurs et symétries 15.21 Soit E = 3, F = { (x,y,z) 3, x –y +3z = 0 } et G = { (x,y,z) 3, y-z = 0 et 2x + z = 0 } a. Démontrer que E = FG. b. Soit f la projection sur F parallèlement à G déterminer f(1,2,0), puis f(x,y,z) c. Donner l'expression de la symétrie par rapport à G parallèlement à F. 15.22 On a vu que F = { f0( , ), 1 f(t)dt 0 }, G le SEV des fonctions constantes sur 0 0 étaient supplémentaires dans E = ( , ) (exercice 1.8) Déterminer la projection de la fonction exponentielle sur F parallèlement à G. 15.23 Dans ² on note D1 = {(x,y) ², x=3y} et D2 = {(x,y) ², x+y = 0} a. Montrer que ² = D1D2 b. Donner l'expression de la symétrie par rapport à D1 parallèlement à D2. 15.24 Identifier l'application de ² dans ² définie par (x,y) ², s(x,y) = (y,x). 3 3 15.25 Soit p: xz x z , on note In = IdE avec E = n. ( x, y,z ) ( , 0, ) 2 2 a. Montrer que p est un projecteur et donner ses éléments caractéristiques. b. On pose q = I3-p, déterminer pq et qp c. On donne g = p+2I3. Exprimer gn = gg...g en fonction de p et q pour tout entier n1. 15.26 Soient f et g deux éléments de L(E). Montrer l’équivalence des deux propositions suivantes : a. fg = f et gf = g b. f et g sont deux projecteurs de même noyau 15.27 Soit E un -espace vectoriel. On considère p et q deux projecteurs de E. a. Montrer que : p + q projecteur ⇔ pq = qp = 0. b. Montrer que dans ce cas, on a : Im(p + q) = Im p⊕Im q et Ker(p + q) = Kerp Kerq. N.Véron-LMB-mars 2015