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31 106.01 Définition, sous-espace

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Exercice 950

Déterminer lesquels des ensemblesE1,E2,E3etE4sont des sous-espaces vectoriels deR3. E1={(x,y,z)∈R3 | 3x−7y=z}

E2={(x,y,z)∈R3 | x2−z2=0}

E3={(x,y,z)∈R3 | x+y−z=x+y+z=0} E4={(x,y,z)∈R3 | z(x2+y2) =0}

IndicationH CorrectionH Vidéo [000886]

Exercice 951

Soit R+ muni de la loi interne⊕définie para⊕b=ab,∀a,b∈R+ et de la loi externe ⊗telle queλ⊗a= aλ,∀a∈R+,∀λ ∈R. Montrer queE= (R+,⊕,⊗)est unR-espace vectoriel. [000887]

Exercice 952

Parmi les ensembles suivants reconnaître ceux qui sont des sous-espaces vectoriels.

E1=

(x,y,z)∈R3|x+y+a=0 etx+3az=0 E2={f ∈F(R,R)|f(1) =0}

E3={f ∈F(R,R)|f(0) =1} E4=

(x,y)∈R2|x+αy+1>0

IndicationH CorrectionH Vidéo [000888]

Exercice 953

Parmi les ensembles suivants, reconnaître ceux qui sont des sous-espaces vectoriels : E1={(x,y,z)∈R3/x+y=0}; E10 ={(x,y,z)∈R3/xy=0}.

E2={(x,y,z,t)∈R4/x=0,y=z}; E20 ={(x,y,z)∈R3/x=1}.

E3={(x,y)∈R2/x2+xy>0}; E30 ={(x,y)∈R2/x2+xy+y2>0}. E4={f∈RR/f(1) =0}; E40 ={f∈RR/f(0) =1};

E4”={f ∈RR/f est croissante}.

[000889]

Exercice 954

Déterminer siR2, muni des lois internes et externes suivantes, est ou n’est pas unR-espace vectoriel : 1. (a,b) + (c,d) = (a+c,b+d);λ(a,b) = (a,λb),λ ∈R.

2. (a,b) + (c,d) = (a+c,b+d);λ(a,b) = (λ2a,λ2b),λ ∈R. 3. (a,b) + (c,d) = (c,d);λ(a,b) = (λa,λb),λ ∈R.

[000890]

Exercice 955

Dire si les objets suivants sont des espaces vectoriels :

1. L’ensemble des fonctions réelles sur[0,1], continues, positives ou nulles, pour l’addition et le produit par un réel.

2. L’ensemble des fonctions réelles surR vérifiant limx+∞f(x) =0 pour les mêmes opérations.

3. L’ensemble des solutions(x1,x2,x3)du système :



2x1−x2+x3 = 0 x1−4x2+7x3 = 0 x1+3x2−6x3 = 0.

4. L’ensemble des fonctions continues sur[0,1]vérifiant f(1/2) =0.

5. L’ensembleR+pour les opérationsx⊕y=xyetλ·x=xλ,(λ ∈R).

6. L’ensemble des fonctions impaires surR.

7. L’ensemble des fonctions sur[a,b]continues, vérifiant f(a) =7f(b) +Rabt3f(t)dt.

8. L’ensemble des fonctions surRqui sont nulle en 1 ou nulle en 4.

9. L’ensemble des fonctions surRqui peuvent s’écrire comme somme d’une fonction nulle en 1 et d’une fonction nulle en 4. Identifier cet ensemble.

10. L’ensemble des polynômes de degré exactementn.

11. L’ensemble des fonctions de classeC2vérifiant f002f =0.

12. L’ensemble des fonctions surRtelles que f(3) =7.

13. L’ensemble des primitives de la fonctionxex surR.

14. L’ensemble des nombres complexes d’argumentπ/4+kπ,(k∈Z).

15. L’ensemble des points(x,y)deR2, vérifiant sin(x+y) =0.

16. L’ensemble des vecteurs(x,y,z)deR3orthogonaux au vecteur(−1,3,−2).

17. L’ensemble des fonctions continues sur[0,1]vérifiantR01sinx f(x)dx=0.

18. L’ensemble des polynômes ne comportant pas de terme de degré 7.

19. L’ensemble des fonctions paires surR.

[000891]

Exercice 956

Montrer que l’ensembleE ={f ∈RR/(∃(a,ϕ)∈R2)(∀x∈R)f(x) =acos(x−ϕ)}est unR-espace vectoriel.

[000892]

Exercice 957

SoitEun espace vectoriel.

1. SoientF etGdeux sous-espaces deE. Montrer que

F∪Gest un sous-espace vectoriel deE ⇐⇒ F⊂GouG⊂F.

2. SoitHun troisième sous-espace vectoriel deE. Prouver que

G⊂F=⇒F∩(G+H) =G+ (F∩H).

IndicationH CorrectionH Vidéo [000893]

Exercice 958

On munitR2de l’addition usuelle et de la loi externeλ(x,y) = (λx,y). Est-ce unR-espace vectoriel ? [000894]

Exercice 959 Montrer que

(x,y,z)∈R3/x+y+z=0 et 2x−y+3z=0 est un sous-espace vectoriel deR3. [000895]

Exercice 960 Montrer que

F={f∈C(R,R)|∃(A,φ)∈R2,∀x∈R,f(x) =Acos(x+φ)}

est un espace vectoriel. [000896]

Exercice 961

VRAIOUFAUX 1. L’ensemble{0}est un espace vectoriel réel.

2. L’ensemble{0,1}est un espace vectoriel réel.

3. Tout sous-espace vectoriel autre que{0}possède un sous-espace strict.

4. L’intersection de deux sous-espaces vectoriels (d’un même espace plus grand) est un espace vectoriel.

5. La réunion de deux sous-espaces vectoriels est un espace vectoriel.

6. La somme de deux sous-espaces vectoriels est un espace vectoriel.

7. Le produit cartésienE×Fde deux espaces vectoriels est un espace vectoriel.

[002425]

Exercice 962

On note Rn l’ensemble des n-uplets (x1, . . . ,xn) de nombres réels ;R[X]l’ensemble des polynômes à coef-ficients réels en la variable X ; R[X]p le sous-ensemble des polynômes de degré6 p;R(X) l’ensemble des fractions rationnelles à coefficients réels en la variable X ;R(X)p le sous-ensemble des fractions rationnelles de degré6p;Ck(R)l’ensemble des fonctions réelles définies sur Retk fois continûment dérivables (k>0 entier) ;C(R)l’ensemble des fonctions indéfiniment dérivables surR.

1. Dotés des opérations d’addition et de multiplication usuelles, lesquels de ces ensembles sont des espaces vectoriels ?

2. Montrer queR[X]p⊂R[X]⊂R(X)et queC(R)⊂Ck(R)⊂C0(R), et que ce sont des sous-espaces vectoriels.

3. Si l’on identifie les polynômes et les fractions rationnelles aux fonctions correspondantes, a-t-onR[X]⊂ C(R)etR(X)⊂C(R)?

[002427]

Exercice 963

SoitEun espace vectoriel de dimension finie,F,Gdeux sous-espaces deE. Montrer que dim(F+G) =dimF+

dimG−dim(F∩G). [002428]

Exercice 964

SoitE=R[X]n(polynômes de degré6n), etP∈E.

1. Montrer que l’ensembleFPdes polynômes deEmultiples dePest un sous-espace vectoriel deE. Quelle en est la dimension en fonction du degré deP?

2. SoitQ∈E un polynôme sans racine commune avecP, et tel que degP+degQ=n+1. Montrer que E=FP⊕FQ.

3. En déduire qu’il existe deux polynômesUetV tels queU P+V Q=1.

[002429]

Exercice 965

SoitEl’espace vectoriel des fonctions réelles indéfiniment dérivables à valeurs dansR.

1. Montrer que les quatre fonctions définies par

x1(t) =costcosht, x2(t) =sintcosht, x3(t) =costsinht, x4(t) =sintsinht appartiennent àEet sont linéairement indépendantes.

2. SoitFle sous-espace vectoriel deEengendré par ces quatres vecteurs, etul’endomorphisme deEdéfini paru(f) = f0. Montrer queF est stable paruet déterminer la matriceMdeudans la bae(x1,x2,x3,x4) deF.

3. CalculerMn.

[002447]

Exercice 966

1. En utilisant les opérations d’addition+et de multiplication ·de deux nombres, définir, pour chaque ensembleEde la liste ci-dessous :

— une addition⊕ :E×E→E;

— une multiplication par un nombre réel :R×E→E.

(a) E=Rn;

(b) E=l’ensemble des trajectoires d’une particule ponctuelle dans l’espaceR3; (c) E=l’ensemble des solutions(x,y,z)∈R3 de l’équation S1 :x−2y+3z=0;

(d) E=l’ensemble des solutions(x,y,z)∈R3 du système d’équations.

S2 :

2x+4y−6z=0 y+z=0 ;

(e) E=l’ensemble des solutions de l’équation différentielley00+2y0+3y=0 ; (f) E=l’ensemble des fonctionsy(x)telles que

y00(x)sinx+x3y0(x) +y(x)logx=0, ∀x>0;

(g) E=l’ensemble des fonctionsΨ(t,x), à valeurs complexes, solutions de l’équation de Schrödinger : i¯h∂

∂tΨ(t,x) =− h¯ 2m

2

∂x2Ψ(x,t) +x2Ψ(t,x) où ¯hetmsont des constantes ;

(h) E= l’ensemble des suites(xn)n∈Nde nombres réels ; (i) E=l’ensemble des polynômesP(x)à coefficients réels ;

(j) E=l’ensemble des polynômesP(x)à coefficients réels de degré inférieur ou égal à 3 ; (k) E=l’ensemble des polynômesP(x)à coefficients réels divisibles par(x−1);

(l) E=l’ensemble des fonctions continues sur l’intervalle[0,1]à valeurs réelles ;

(m) E=l’ensemble des fonctions continues sur l’intervalle[0,1]à valeurs réelles et d’intégrale nulle ; (n) E=l’ensemble des fonctions dérivables sur l’intervalle]0,1[à valeurs réelles ;

(o) E=l’ensemble des fonctions réelles qui s’annulent en 0∈R.

(p) E=l’ensemble des fonctions réelles qui tendent vers 0 lorsquextend vers+∞;

2. Pour les opérations d’addition⊕construites, montrer queEpossède un élément neutre (terme à définir), et que chaque élément deEpossède un inverse.

[002778]

Exercice 967

Qu’est -ce qui empêche de définir les mêmes opérations que dans l’exercice précédent sur les ensembles sui-vants ?

(a) E=l’ensemble des solutions (x,y,z)∈R3 de l’équation S3 :x−2y+3z=3 ;

(b) E=l’ensemble des fonctionsy(x)telles quey00(x)sinx+x3y2(x) +y(x)logx=0,∀x>0 ; (c) E=N;

(d) E=Z; (e) E=R+;

(f) E=Qn;

(g) E= l’ensemble des suites (xn)n∈Nde nombres positifs ;

(h) E=l’ensemble des fonctions réelles qui prennent la valeur 1 en 0 ;

(i) E=l’ensemble des fonctions réelles qui tendent vers+∞lorsquextend vers+∞;

[002779]

Exercice 968 Somme de sous-espaces

SoientF,G,Htrois sous-espaces d’un espace vectorielE. ComparerF∩(G+ (F∩H))et(F∩G) + (F∩H).

CorrectionH [003298]

Exercice 969 F∩G=F0∩G0 SoientF,G,F0,G0des sev d’un evE.

Montrer que siF∩G=F0∩G0alors F+ (G∩F0)

∩ F+ (G∩G0)

=F.

CorrectionH [003299]

Exercice 970 En’est pas union de sous-espaces stricts

SoitEunK-ev non nul etF1, . . . ,Fndes sev stricts deE. On veut montrer queE6=F1∪ ··· ∪Fn: 1. Traiter le casn=2.

2. Cas général : on supposeFn6⊂F1∪ ··· ∪Fn−1et on choisit~x∈Fn\(F1∪ ··· ∪Fn−1)et~y∈/Fn. (a) Montrer que :∀λ ∈K,λ~x+~y∈/Fn.

(b) Montrer que :∀i6n−1, il existe au plus unλ∈Ktel queλ~x+~y∈Fi. (c) Conclure.

[003300]

Exercice 971 Intersection et somme de sev

SoitEun ev de dimension finie et(Fi)iIune famille de sous-espaces deE.

On noteH=TiIFi etS=∑iIFi=vect S

iIFi

.

Montrer qu’il existe une partie finie,J, deItelle que :H=TiJFietS=∑iJFi. [003323]

Exercice 972 *T

SoitE leR-espace vectoriel des applications de[0,1]dansR(muni de f+g etλ.f usuels) (ne pas hésiter à redémontrer queEest unRespace vectoriel). SoitFl’ensemble des applications de[0,1]dansRvérifiant l’une des conditions suivantes :

1) f(0) +f(1) =0 2) f(0) =0 3) f(12) =14 4)∀x∈[0,1], f(x) +f(1−x) =0 5)∀x∈[0,1], f(x)>0 6)2f(0) = f(1) +3

Dans quel casFest-il un sous-espace vectoriel deE?

CorrectionH [005164]

Exercice 973 **T

On munit Rn des lois produit usuelles. Parmi les sous-ensembles suivantsF de Rn, lesquels sont des sous-espaces vectoriels ?

1)F={(x1, ...,xn)∈Rn/x1=0} 2)F={(x1, ...,xn)∈Rn/x1=1}

3)F={(x1, ...,xn)∈Rn/x1=x2} 4)F={(x1, ...,xn)∈Rn/x1+...+xn=0} 5)F={(x1, ...,xn)∈Rn/x1.x2=0}

CorrectionH [005165]

Exercice 974 **

Soit E un K-espace vectoriel. Soient A, B etC trois sous-espaces vectoriels de E vérifiant A∩B=A∩C, A+B=A+CetB⊂C. Montrer queB=C.

CorrectionH [005166]

Exercice 975 **T

SoitFle sous-espace vectoriel deR4engendré paru= (1,2,−5,3)etv= (2,−1,4,7). Déterminerλ etµ réels tels que(λ,µ,−37,−3)appartienne àF.

CorrectionH [005168]

Exercice 976 **T

Montrer que a= (1,2,3) et b= (2,−1,1) engendrent le même sous espace de R3 que c= (1,0,1) etd = (0,1,1).

CorrectionH [005169]

Exercice 977 **

SoientEunK-espace vectoriel etA,BetCtrois sous-espaces deE.

1. Montrer que :(A∩B) + (A∩C)⊂A∩(B+C).

2. A-t-on toujours l’égalité ?

3. Montrer que :(A∩B) + (A∩C) =A∩(B+ (A∩C)).

CorrectionH [005172]

Exercice 978 **T

DansE=R4, on considèreV ={(x,y,z,t)∈E/x−2y=0 ety−2z=0}etW={(x,y,z,t)∈E/x+z=y+t}. 1. Montrer queV etW sont des sous espaces vectoriels deE.

2. Donner une base deV,W etV∩W. 3. Montrer queE=V+W.

CorrectionH [005173]

Exercice 979 ***

Soit f : [0,+∞[×[0,2π[ → R2 (x,y) 7→ (xcosy,xsiny)

. 1. f est-elle injective ? surjective ?

2. Soient a, b, α et β quatre réels. Montrer qu’il existe (c,γ)∈R2 tel que : ∀x∈R, acos(x−α) + bcos(x−β) =ccos(x−γ).

3. SoitEleR-espace vectoriel des applications deRdansR. SoitF={u∈E/∃(a,b,α,β)∈R4tel que∀x∈ R,u(x) =acos(x−α) +bcos(2x−β)}. Montrer queF est un sous-espace vectoriel deE.

4. Déterminer{cosx,sinx,cos(2x),sin(2x),1,cos2x,sin2x} ∩F.

5. Montrer que(cosx,sinx,cos(2x),sin(2x))est une famille libre deF.

CorrectionH [005174]

Exercice 980 **

SoitCl’ensemble des applications deRdansR, croissantes surR.

1. Cest-il un espace vectoriel (pour les opérations usuelles) ?

2. Montrer queV={f ∈RR/∃(g,h)∈C2tel que f =g−h}est unR-espace vectoriel.

CorrectionH [005175]

Exercice 981 **

Montrer que la commutativité de la loi +est une conséquence des autres axiomes de la structure d’espace vectoriel.

CorrectionH [005176]

Exercice 982 ***

SoientEunK-espace vectoriel etA,BetCtrois sous-espaces vectoriels deE. Montrer que (A∩B) + (B∩C) + (C∩A)⊂(A+B)∩(B+C)∩(C+A).

CorrectionH [005177]

Exercice 983 ** I

SoientFetGdeux sous-espaces vectoriels d’un espace vectorielE.

Montrer que :[(F∪Gsous-espace deE)⇔(F⊂GouG⊂F)].

CorrectionH [005563]

Exercice 984 ****

Généralisation de l’exercice983. Soientnun entier supérieur ou égal à 2 puisF1, ... ,Fnnsous-espaces deEoù Eest un espace vectoriel sur un sous-corpsKdeC. Montrer que

"

(F1∪...∪Fnsous-espace deE)⇔(il existei∈[[1,n]]/ [

j6=i

Fj⊂Fi)

# .

CorrectionH [005564]

Exercice 985

Montrer que les ensembles ci-dessous sont des espaces vectoriels (surR) :

— E1=

f :[0,1]→R : l’ensemble des fonctions à valeurs réelles définies sur l’intervalle[0,1], muni de l’addition f+gdes fonctions et de la multiplication par un nombre réelλ·f.

— E2=

(un):N→R : l’ensemble des suites réelles muni de l’addition des suites définie par(un) + (vn) = (un+vn)et de la multiplication par un nombre réelλ·(un) = (λ×un).

— E3=

P∈R[x]|degP6n : l’ensemble des polynômes à coefficients réels de degré inférieur ou égal ànmuni de l’additionP+Qdes polynômes et de la multiplication par un nombre réelλ·P.

IndicationH CorrectionH Vidéo [006868]

Exercice 986

1. Décrire les sous-espaces vectoriels deR; puis deR2etR3.

2. DansR3donner un exemple de deux sous-espaces dont l’union n’est pas un sous-espace vectoriel.

IndicationH CorrectionH Vidéo [006869]

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