Espaces vectoriels, applications linéaires — Polytechnique

Exercices corrigés de Polytechnique sur le thème « espaces vectoriels, applications linéaires », regroupés par filière.

MP–MPI


Exercice 1. (★★★) Noyau et image ; Supplémentaires ; Sous-espaces stables
Pour {n\ge3}, caractériser les {u\in\mathcal L(K^n)} admettant dans une base la matrice {\begin{pmatrix}0&0_{1,n-2}&0\\[4pt]0_{n-2,1}&M&0_{n-2,1}\\[4pt]0&0_{1,n-2}&0\end{pmatrix}, \qquad M\in\mathcal M_{n-2}(K).}
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Exercice 2. (★★★★) Topologie des espaces vectoriels normés ; Accroissements finis ; Injectivité
Soit {B} la boule unité fermée de {\mathcal C([0,1],\mathbb{R})} pour la norme infinie, et {E} un sous-espace.
1) Pour {x_1,\ldots,x_N\in[0,1]}, posons {\Phi(f)=(f(x_k))_{k=1}^N}.

Montrer que, pour tout {\delta>0}, {\Phi(B\cap E)} possède un {\delta}-réseau fini constitué d’images de fonctions de {B\cap E}.

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2) Si {E\subset\mathcal C^1} et {\lVert f'\rVert_\infty\le C\lVert f\rVert_\infty} sur {E}, montrer que {E} est de dimension finie.
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Exercice 3. (★★★) Projecteurs ; Rang ; Groupe symétrique, déterminants
Pour un projecteur {P\in\mathcal M_n(K)}, poser {R_P=\det(I_n+(X-1)P)}.
a) Calculer {R_P}.
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b) Si {P,Q} sont des projecteurs avec {PQ=QP=0}, montrer {R_PR_Q=R_{P+Q}}.
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c) Soit {\varphi} un automorphisme de la {K}-algèbre {\mathcal M_n(K)}.

i) Montrer que {\varphi(E_{ii})} est un projecteur de rang {1}.

ii) Déterminer le rang de {\varphi(E_{ij})}.

iii) Montrer que {K^n=\bigoplus_{i=1}^n\operatorname{Im}\varphi(E_{i1})}.

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Exercice 4. (★★) Bases ; Itérés ; Ensembles finis
Soit {f\in\mathcal L(E)} sur un espace complexe de dimension finie, tel que {\left\{f^n(x):n\in\mathbb{N}\right\}} soit fini pour tout {x}.
a) Si {f} est inversible, montrer que {f^k=I} pour un {k\ge1}.

b) Dans le cas général, montrer qu’il existe {p\ge0}, {k\ge1} tels que {f^{p+k}=f^p}.

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Exercice 5. (★★★★) Projecteurs orthogonaux ; Vecteurs tangents ; Dérivation
a) Si {p} est un projecteur et {pu+up=u}, montrer {\operatorname{tr}u=0}.
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b) Dans un espace euclidien de dimension {n}, soit {G} l’ensemble des projecteurs orthogonaux de rang {r}.

Déterminer l’espace tangent à {G} en {p\in G}.

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Exercice 6. (★★) Formes linéaires ; Familles libres ; Rang
Une réalisation de {M=(m_{ij})\in M_n(\mathbb{C})} est un triplet {(V,A,B)}, où {V} a dimension {d}, {A=(a_1,\ldots,a_n)} est une famille libre de formes linéaires, {B=(b_1,\ldots,b_n)} une famille libre de vecteurs, et {a_i(b_j)=m_{ij}}.
1) Montrer qu’une réalisation en dimension {d} en donne une en toute dimension {d'\ge d}.
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2) Réaliser {M_0=\begin{pmatrix}1&-1\\[4pt]-1&1\end{pmatrix}}.
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3) Déterminer la dimension minimale d’une réalisation de {M_0}.
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Exercice 7. (★★★★) Dimension d'une intersection ; Groupe symétrique, déterminants ; Matrices triangulaires
Soit {E} de dimension {n}. Un drapeau est une chaîne stricte {F_0\subsetneq\cdots\subsetneq F_n} de sous-espaces.
1) Déterminer {\dim F_k}.

Considérons deux drapeaux {(F_i)} et {(G_j)}.

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2) Si {F_{i-1}+G_{j_0}=F_i+G_{j_0}}, montrer la même égalité pour {j\ge j_0}.
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3) Montrer qu’il existe {1\le j\le n} tel que cette égalité soit vraie.
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4) Montrer que {\sigma(i)=\min\left\{j:F_{i-1}+G_j=F_i+G_j\right\}} est une permutation.
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5) Construire une base {(e_i)} telle que {e_i\in F_i\cap G_{\sigma(i)}}.
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6) Pour {A\in GL_n(K)}, montrer qu’il existe une unique permutation {\tau} telle que {A=UP_\tau V}, avec {U,V} triangulaires supérieures. On pose {(P_\tau)_{ij}=\delta_{i,\tau(j)}}.

Montrer qu’on peut imposer à {U} de n’avoir que {1} comme valeur propre.

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Exercice 8. (★★★★) Rang ; Convexité, Optimisation ; Orthogonalité
Dans {\mathbb{R}^3} euclidien, soit {u} unitaire et {\sigma_u(x)=x-2\langle x,u\rangle u}. On pose {\Omega_u=\left\{x:\langle x,u\rangle\ge0, \ \langle x,\sigma_u(x)\rangle\le0\right\}}.
1) Décrire {\Omega_u}.
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2) Montrer qu’il est auto-dual : {\Omega_u=\left\{y:\langle x,y\rangle\ge0\text{ pour tout }x\in\Omega_u\right\}}.
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3) Un point {x} est extrémal si toute décomposition {x=x_1+x_2} avec {x_i\in\Omega_u} impose la colinéarité de {x,x_1,x_2}.

Déterminer ces points.

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4) Un endomorphisme préservant {\Omega_u} est extrémal si toute décomposition en deux endomorphismes préservant ce cône est colinéaire.

Déterminer ceux de rang {1}.

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Exercice 9. (★★★) Théorème des accroissements finis ; Noyau et image ; Dérivées successives
Soit {E=\left\{f\in C^\infty(\mathbb{R},\mathbb{R}):f(x)\to0 \text{ en }+\infty\right\}} et {\Delta f(x)=f(x+1)-f(x)}.
1) Montrer que {\Delta} est un endomorphisme de {E}.

Est-ce un automorphisme ?

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2) Pour {f\in E}, {x\in\mathbb{R}} et {n\ge1}, montrer qu’il existe {x_n\in]x,x+n[} tel que {\Delta^nf(x)=f^{(n)}(x_n)}.
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Exercice 10. (★★★★) Rang ; Matrices par blocs ; Noyau
* Pour {A,B\in M_n(\mathbb{R})}, posons {k=\dim\ker(AB)}.

Quelles sont les valeurs possibles de {\dim\ker(BA)} ?

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Exercice 11. (★★★★) Racines communes ; Rang ; Déterminant de Vandermonde
Soient {P,Q\in\mathbb{C}[X]}, avec {P} de degré {n\ge1} à racines simples et {\deg Q\le n}. On admet qu’il existe {B=(b_{ij})_{0\le i,j\lt n}} telle que {\frac{P(x)Q(y)-P(y)Q(x)}{x-y}=\sum_{i,j=0}^{n-1}b_{ij}x^iy^j.}Montrer que {\dim\ker B} est le nombre de racines communes de {P,Q}.
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Exercice 12. (★★★★★) Continuité uniforme ; Projecteurs ; Chemins
** Soit {\rho:[0,1]\to M_n(\mathbb{C})} continue avec {\rho(t)^2=\rho(t)}.
a) Montrer que son rang est constant.
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b) Construire {u:[0,1]\to\mathrm{GL}_n(\mathbb{C})} continue telle que {\rho(t)=u(t)\rho(0)u(t)^{-1}}.
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c) Si {\rho(1)=\rho(0)}, imposer de plus {u(0)=u(1)}.
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Exercice 13. (★★★★) Additivité ; Convergence uniforme ; Exponentielle et logarithme
Soit {F:\mathbb{R}\to\mathbb{R}_+^\star} et {\alpha,\eta>0} telles que {\alpha F(x)F(y)\le F(x+y)\le\eta F(x)F(y)}.
a) Si {F\in C^1} et {F'/F} est bornée, montrer {F(x)=e^{\gamma x}H(x)} avec {H>0} bornée.
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b) Dans le cas général, montrer qu’il existe une unique fonction multiplicative {G>0}, c’est-à-dire {G(x+y)=G(x)G(y)}, telle que {F/G} soit bornée.
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PSI


Exercice 1. (★★) Noyau et image ; Théorème du rang ; Supplémentaires
Soient {E} un espace vectoriel de dimension finie et {F,G} deux sous-espaces de {E}.

Donner une condition nécessaire et suffisante pour qu’il existe {u\in\mathcal L(E)} tel que {\operatorname{Im}u=G} et {\ker u=F}.

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Exercice 2. (★★★) Noyau et image ; Supplémentaires
Soient {E} de dimension finie et {f\in\mathcal L(E)}.

Montrer l’équivalence entre :

1) {\ker f=\operatorname{Im}f} ;

2) {f^2=0} et il existe {g\in\mathcal L(E)} tel que {f\circ g+g\circ f=\operatorname{id}_E}.

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Exercice 3. (★★) Projecteurs ; Dimension ; Bases
Soit {E} de dimension finie.

Montrer qu’il existe une base de {\mathcal L(E)} formée de projecteurs.

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Exercice 4. (★★) projecteurs ; commutation ; homothéties
Soit {E} un espace vectoriel réel de dimension finie.
1) Quels endomorphismes commutent avec tous les projecteurs ?
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2) Quels éléments de {GL(E)} commutent avec tous les éléments de {GL(E)} ?
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Exercice 5. (★★★★) noyau d’une application linéaire ; dimension ; familles libres
Soient {n,d\ge1} et {E_{n,d}=\left\{(i_1,\ldots,i_d)\in\mathbb{N}^d:\sum\limits i_j=n\right\}}. Soit {V_{n,d}} la famille des monômes {x_1^{i_1}\cdots x_d^{i_d}} indexés par {E_{n,d}}.
1) Montrer que cette famille est libre et déterminer son cardinal.
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2) Déterminer le noyau du laplacien {\Delta=\sum\limits_j\partial_{x_j}^2} sur l’espace qu’elle engendre.
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PC


Exercice 1. (★★★) Noyau et image ; Rang ; Supplémentaires
Montrer que {\operatorname{rg}A=\operatorname{rg}A^2} équivaut à l’existence de {B} telle que {AB=BA}, {A^2B=A} et {B^2A=B}.
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Exercice 2. (★★★) Dimension ; Éléments propres ; Inversibilité
Déterminer la dimension maximale d’un sous-espace de {M_n(\mathbb{C})} dont tout élément non nul est inversible.

Le résultat vaut-il sur {\mathbb{R}} ?

Traiter le cas réel {n=2}.

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Exercice 3. (★★★) Dimension finie ; Formes d'évaluation ; Dérivabilité
Soit {E\subset C^1(\mathbb{R},\mathbb{R})} de dimension finie et stable par toutes les translations.

Montrer que {f'\in E} pour tout {f\in E}.

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Exercice 4. (★★★) Projecteurs ; Espaces vectoriels normés ; Similitude
Soient {p,q} des projecteurs d’un espace normé réel de dimension finie, tels que {\lVert (p-q)x\rVert\lt \lVert x\rVert} pour {x\ne0}.
1) Montrer que {p} et {q} ont même rang.

2) Montrer que {u=pq+(I-p)(I-q)} est inversible et {p=uqu^{-1}}.

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Exercice 5. (★★★) dimension et base ; indépendance linéaire ; déterminant d'un système
Pour {f_1,\ldots,f_n\in C^{n-1}(I,\mathbb{R})}, noter {W_n(f_1,\ldots,f_n)=\det(f_j^{(i-1)})_{1\le i,j\le n}}.
1) Si les fonctions sont liées, que vaut {W_n} ?

2) Si {W_n=0} et {W_{n-1}(f_1,\ldots,f_{n-1})} ne s’annule pas, montrer que {f_n} est combinaison linéaire à coefficients constants des précédentes. On admet la dimension {n-1} de l’espace des solutions d’une équation linéaire homogène d’ordre {n-1} à coefficients continus.

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Exercice 6. (★★★) sous-espaces ; récurrence ; familles libres et génératrices
Montrer que {\mathbb{R}^n} ne peut être une réunion finie de sous-espaces vectoriels stricts.
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Exercice 7. (★★★★) applications ; continuité ; isomorphismes
Déterminer les homéomorphismes {f:\mathbb{R}^2\to\mathbb{R}^2} tels que l’image de toute droite soit une droite.
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Exercice 8. (★★★★★) noyau et image ; rang ; systèmes linéaires
Une ferme contient {2n+1} vaches.

Quelle que soit la vache retirée, les autres peuvent être partagées en deux groupes de {n} vaches de poids totaux égaux.

Montrer que tous les poids sont égaux.

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Exercice 9. (★★★★) noyau et image ; sommes directes ; isomorphismes
Pour {u} endomorphisme d’un espace de dimension finie, caractériser l’existence de {v} tel que {uv=0} et {u+v} soit inversible.
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Author: Jean-Michel Ferrard

Professeur de mathématiques en classe préparatoire aux grandes écoles.