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Espaces Vectoriels

Applications linéaires : exercices en vues du devoir - Exercice 1

40 min
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Soit E\mathcal{E} le R\mathbb{R}-espace vectoriel des fonctions de classe C\mathcal{C}^\infty et 2π2\pi-périodique. On considère l'application φ\varphi suivante :
φ:{EEff\varphi : \left\lbrace \begin{array}{ccc} \mathcal{E} & \longrightarrow & \mathcal{E} \\ f & \longmapsto & f'' \end{array} \right.
Question 1

Montrer que φL(E)\varphi \in \mathcal{L}(\mathcal{E}).

Correction
Soient f1f_1 et f2f_2, deux éléments de E\mathcal{E}, et λ\lambda un réel. On a par φ\varphi :
(f1+λf2)=f1+λf2φL(E)(f_1 + \lambda f_2)'' = f''_1 + \lambda f''_2 \,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\, \varphi \in \mathcal{L}(\mathcal{E})
Question 2

Déterminer kerφ\ker \varphi.

Correction
Soit ff un élément de kerφ\ker \varphi. Dans ce cas, avec xRx \in \mathbb{R}, on a :
fkerφφ(f)=0f=0f(x)=ax+b(a;b)R2f \in \ker \varphi \,\,\, \Longleftrightarrow\,\,\, \varphi (f) = 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, f'' = 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, f(x) = ax + b \,\, (a\,;\,b) \in \mathbb{R}^2
Or, par hypothèse, ff est 2π2\pi-périodique. D'où :
f(x+2π)=f(x)a(x+2π)+b=ax+bax+b+2πa=ax+ba=0f(x+2\pi) = f(x) \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, a(x+2\pi) + b = ax + b \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, ax + b +2\pi a = ax+b \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, a=0
Ainsi f=bf=b. En conclusion :
kerφ={fE,f=bR}\ker \varphi = \left\lbrace f \in \mathcal{E}, \,\, f=b \in \mathbb{R} \right\rbrace

Question 3

Démontrer que imφ={fE,02πf(t)dt=0}\mathrm{im} \, \varphi = \left\lbrace f \in \mathcal{E}, \, \displaystyle{\int_{0}^{2\pi}} f(t) \, dt = 0 \right\rbrace .

Correction
Soit fEf \in \mathcal{E} un élément de imφ\mathrm{im} \, \varphi. Dans ce cas, avec xRx \in \mathbb{R}, il existe gEg \in \mathcal{E} tel que φ(g)=f\varphi (g) = f. Et on a :
gE,fimφ,φ(g)=g=f\exists g \in \mathcal{E}, \,\, \forall f \in \mathrm{im} \, \varphi, \,\,\, \varphi(g) = g'' = f
Ainsi, on en déduit, par intégration sur la période, que :
02πf(t)dt=[g(t)]02π=g(2π)g(0)\int_{0}^{2\pi} f(t) dt = \left[ g'(t) \right]_{0}^{2\pi} = g'(2\pi) - g'(0)
Or, par hypothèse, gEg \in \mathcal{E}, et est 2π2\pi-périodique, ainsi, il en est de même pour sa dérivée gg'. Donc, on en déduit que :
g(2π)g(0)=002πf(t)dt=0g'(2\pi) - g'(0) = 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \int_{0}^{2\pi} f(t) dt = 0
On en déduit donc que :
imφ={fE,02πf(t)dt=0}\mathrm{im} \, \varphi = \left\lbrace f \in \mathcal{E}, \, \int_{0}^{2\pi} f(t) \, dt = 0 \right\rbrace

Question 4

Démontrer que E=kerφimφ\mathcal{E} = \ker \varphi \oplus \mathrm{im} \, \varphi.

Correction
Pour démontrer que E=kerφimφ\mathcal{E} = \ker \varphi \oplus \mathrm{im} \, \varphi, on procède en deux étapes :
Premieˋreeˊtape:kerφimφ=0E\,\,\,\, \blacktriangledown \,\, \bf{Première \,\,étape : \,\, } \bf{\ker \varphi \cap \mathrm{im} \, \varphi = 0_{\mathcal{E}}}
On considère ff un élément de kerφimφ\ker \varphi \cap \mathrm{im} \, \varphi. Dans ce cas, on a :
fkerφimφ{fkerφf=bRfimφ02πf(t)dt=002πbdt=0f \in \ker \varphi \cap \mathrm{im} \, \varphi \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} f \in \ker \varphi & \Longrightarrow & f = b \in \mathbb{R} \\ f \in \mathrm{im} \, \varphi & \Longrightarrow & \displaystyle{\int_{0}^{2\pi}} f(t) \, dt = 0 \\ \end{array} \right. \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \int_{0}^{2\pi} b \, dt = 0
Soit :
b02πdt=02πb=0b=0f=0b \int_{0}^{2\pi} dt = 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 2\pi b = 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, b = 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, f = 0
Finalement on a :
kerφimφ=0E\ker \varphi \cap \mathrm{im} \, \varphi = 0_{\mathcal{E}}
Deuxieˋmeeˊtape:kerφ+imφ=E\,\,\,\, \blacktriangledown \blacktriangledown \,\, \bf{Deuxième \,\, étape : \,\, } \bf{\ker \varphi + \mathrm{im} \, \varphi = \mathcal{E}}
Soit ff un élément quelconque de E\mathcal{E} et bb un réel, donc bkerφb \in \ker \varphi. Dans ce cas, on a :
02π(f(t)b)dt=02πf(t)dt2πb\int_{0}^{2\pi} \left(f(t) - b \right) \, dt = \int_{0}^{2\pi} f(t) \, dt - 2 \pi b
Donc, (f(t)b)imφ\left(f(t) - b \right) \in \mathrm{im} \, \varphi si on a :
(f(t)b)imφ02πf(t)dt2πb=0b=12π02πf(t)dt\left(f(t) - b \right) \in \mathrm{im} \, \varphi \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \int_{0}^{2\pi} f(t) \, dt - 2 \pi b = 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, b = \dfrac{1}{2\pi}\int_{0}^{2\pi} f(t) \, dt
Soit encore :
(f(t)b)imφb=fˉ[0;2π]\left(f(t) - b \right) \in \mathrm{im} \, \varphi \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, b = \bar{f}_{[0\,;\,2\pi]}
Donc, on peut toujours écrire que :
f=fˉ[0;2π]+(ffˉ[0;2π])avec:{fˉ[0;2π]kerφffˉ[0;2π]imφf = \bar{f}_{[0\,;\,2\pi]} + (f - \bar{f}_{[0\,;\,2\pi]}) \,\,\,\, \mathrm{avec \,:} \left\lbrace \begin{array}{rcl} \bar{f}_{[0\,;\,2\pi]} & \in & \ker \varphi \\ f - \bar{f}_{[0\,;\,2\pi]} & \in & \mathrm{im} \, \varphi \end{array} \right.
Ainsi on a :
E=kerφ+imφ \mathcal{E} = \ker \varphi + \mathrm{im} \, \varphi
Conclusion:\rightrightarrows \,\, \bf{Conclusion : }
Les deux sous-espaces vectoriels, kerφ\ker \varphi et imφ\mathrm{im} \, \varphi, sont supplémentaire l'un de l'autre sur E\mathcal{E} :
E=kerφimφ\mathcal{E} = \ker \varphi \oplus \mathrm{im} \, \varphi