Applications linéaires : exercices en vues du devoir - Exercice 1
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Soit E le R-espace vectoriel des fonctions de classe C∞ et 2π-périodique. On considère l'application φ suivante : φ:{Ef⟶⟼Ef′′
Question 1
Montrer que φ∈L(E).
Correction
Soient f1 et f2, deux éléments de E, et λ un réel. On a par φ : (f1+λf2)′′=f1′′+λf2′′⟹φ∈L(E)
Question 2
Déterminer kerφ.
Correction
Soit f un élément de kerφ. Dans ce cas, avec x∈R, on a : f∈kerφ⟺φ(f)=0⟺f′′=0⟺f(x)=ax+b(a;b)∈R2 Or, par hypothèse, f est 2π-périodique. D'où : f(x+2π)=f(x)⟺a(x+2π)+b=ax+b⟺ax+b+2πa=ax+b⟺a=0 Ainsi f=b. En conclusion :
kerφ={f∈E,f=b∈R}
Question 3
Démontrer que imφ={f∈E,∫02πf(t)dt=0}.
Correction
Soit f∈E un élément de imφ. Dans ce cas, avec x∈R, il existe g∈E tel que φ(g)=f. Et on a : ∃g∈E,∀f∈imφ,φ(g)=g′′=f Ainsi, on en déduit, par intégration sur la période, que : ∫02πf(t)dt=[g′(t)]02π=g′(2π)−g′(0) Or, par hypothèse, g∈E, et est 2π-périodique, ainsi, il en est de même pour sa dérivée g′. Donc, on en déduit que : g′(2π)−g′(0)=0⟺∫02πf(t)dt=0 On en déduit donc que :
imφ={f∈E,∫02πf(t)dt=0}
Question 4
Démontrer que E=kerφ⊕imφ.
Correction
Pour démontrer que E=kerφ⊕imφ, on procède en deux étapes : ▼Premieˋreeˊtape:kerφ∩imφ=0E On considère f un élément de kerφ∩imφ. Dans ce cas, on a : f∈kerφ∩imφ⟺⎩⎨⎧f∈kerφf∈imφ⟹⟹f=b∈R∫02πf(t)dt=0⟺∫02πbdt=0 Soit : b∫02πdt=0⟺2πb=0⟺b=0⟺f=0 Finalement on a : kerφ∩imφ=0E ▼▼Deuxieˋmeeˊtape:kerφ+imφ=E Soit f un élément quelconque de E et b un réel, donc b∈kerφ. Dans ce cas, on a : ∫02π(f(t)−b)dt=∫02πf(t)dt−2πb Donc, (f(t)−b)∈imφ si on a : (f(t)−b)∈imφ⟺∫02πf(t)dt−2πb=0⟺b=2π1∫02πf(t)dt Soit encore : (f(t)−b)∈imφ⟺b=fˉ[0;2π] Donc, on peut toujours écrire que : f=fˉ[0;2π]+(f−fˉ[0;2π])avec:{fˉ[0;2π]f−fˉ[0;2π]∈∈kerφimφ Ainsi on a : E=kerφ+imφ ⇉Conclusion: Les deux sous-espaces vectoriels, kerφ et imφ, sont supplémentaire l'un de l'autre sur E :