Voici le corrigé du contrôle de maths de L1 sur le thème : espaces vectoriels et sous-espaces.
Voici la correction complète du partiel sur les espaces vectoriels, rédigée comme on l’attend d’un étudiant de L1. Chaque sous-espace est établi par la caractérisation usuelle : ensemble non vide, stable par combinaison linéaire. Chaque refus s’appuie sur un contre-exemple numérique précis.
Pour les sommes, la correction sépare nettement l’intersection réduite au vecteur nul et l’écriture de tout vecteur comme somme. La décomposition en parties paire et impaire est obtenue par analyse-synthèse, et une somme non directe montre ce qui manque. Le barème détaillé clôt chaque exercice pour vous permettre de noter votre copie.
L’énoncé se trouve sur la page contrôle de maths l1 : espaces vectoriels et sous-espaces.
| Exercice | Points |
| Exercice 1 : Question de cours : intersection et union de sous-espaces | 3 points |
| Exercice 2 : Une structure d’espace vectoriel inhabituelle | 4 points |
| Exercice 3 : Sous-espaces vectoriels ou non | 5 points |
| Exercice 4 : Sous-espace engendré et somme directe dans R3 | 4 points |
| Exercice 5 : Problème : fonctions paires et fonctions impaires | 4 points |
| Total | 20 points |
Exercice 1 : Question de cours : intersection et union de sous-espaces (3 points)
- Caractérisation. Une partie \(F\) de \(E\) est un sous-espace vectoriel de \(E\) si et seulement si \(F\) contient le vecteur nul \(0_E\) et, pour tous \(u, v \in F\) et tout \(\lambda \in \mathbb{K}\), \(\lambda u + v \in F\).
- Soit \(F\) et \(G\) deux sous-espaces vectoriels de \(E\). D’abord, \(0_E \in F\) et \(0_E \in G\), donc \(0_E \in F \cap G\). Ensuite, soit \(u, v \in F \cap G\) et \(\lambda \in \mathbb{K}\). Comme \(u, v \in F\) et que \(F\) est un sous-espace, \(\lambda u + v \in F\). De même, \(\lambda u + v \in G\). Donc \(\lambda u + v \in F \cap G\). Par la caractérisation, \(F \cap G\) est un sous-espace vectoriel de \(E\).
- Dans \(\mathbb{R}^2\), prenons \(F = \mathbb{R} \times \{0\}\) (l’axe des abscisses) et \(G = \{0\} \times \mathbb{R}\) (l’axe des ordonnées), qui sont des sous-espaces vectoriels. On a \((1, 0) \in F \cup G\) et \((0, 1) \in F \cup G\), mais \((1, 0) + (0, 1) = (1, 1)\) n’appartient ni à \(F\) ni à \(G\). La réunion \(F \cup G\) n’est pas stable par addition : ce n’est pas un sous-espace vectoriel.
Barème : a) 1 point (0,5 pour le vecteur nul, 0,5 pour la stabilité) ; b) 1 point : 0,5 pour le vecteur nul, 0,5 pour la stabilité ; c) 1 point pour un contre-exemple complet et vérifié.
Exercice 2 : Une structure d’espace vectoriel inhabituelle (4 points)
- La loi \(\oplus\) est interne : le produit de deux réels strictement positifs est strictement positif. Elle est associative et commutative, car la multiplication des réels l’est. L’élément neutre est \(1 \in E\), puisque \(x \oplus 1 = x \times 1 = x\). Enfin, tout \(x \in E\) admet un symétrique, à savoir \(\dfrac{1}{x} \in E\), car \(x \oplus \dfrac{1}{x} = 1\). Donc \((E, \oplus)\) est un groupe commutatif, de neutre \(1\), et le symétrique de \(x\) est \(\dfrac{1}{x}\).
- La loi \(\odot\) est bien à valeurs dans \(E\), car \(x^{\lambda} = e^{\lambda \ln x} > 0\). Soit \(x, y \in E\) et \(\lambda, \mu \in \mathbb{R}\). On vérifie alors les quatre axiomes :
\(\lambda \odot (x \oplus y) = (xy)^{\lambda} = x^{\lambda} y^{\lambda} = (\lambda \odot x) \oplus (\lambda \odot y)\) ;
\((\lambda + \mu) \odot x = x^{\lambda + \mu} = x^{\lambda} x^{\mu} = (\lambda \odot x) \oplus (\mu \odot x)\) ;
\(\lambda \odot (\mu \odot x) = (x^{\mu})^{\lambda} = x^{\lambda \mu} = (\lambda \mu) \odot x\) ;
\(1 \odot x = x^1 = x\).
Avec a), \((E, \oplus, \odot)\) est un \(\mathbb{R}\)-espace vectoriel, dont le « vecteur nul » est le réel \(1\). - La loi \(\lambda \cdot x = \lambda x\) n’est pas une loi externe sur \(E\) : par exemple \((-1) \cdot 2 = -2 \notin E\). L’axiome de base « \(\lambda \cdot x \in E\) » tombe, donc on n’obtient pas un espace vectoriel. On peut aussi remarquer que \(0 \cdot x = 0\) devrait être le neutre \(1\), ce qui est faux.
Barème : a) 1,5 point : 0,5 pour loi interne, associativité et commutativité, 0,5 pour le neutre, 0,5 pour le symétrique ; b) 2 points : 0,5 par axiome ; c) 0,5 point pour un contre-exemple explicite.
Exercice 3 : Sous-espaces vectoriels ou non (5 points)
- On a \(0 + 2 \times 0 – 0 = 0\), donc \((0, 0, 0) \in F_1\). Soit \(u = (x, y, z)\) et \(u^{\prime} = (x^{\prime}, y^{\prime}, z^{\prime})\) dans \(F_1\), et \(\lambda \in \mathbb{R}\). Alors \[(\lambda x + x^{\prime}) + 2(\lambda y + y^{\prime}) – (\lambda z + z^{\prime}) = \lambda(x + 2y – z) + (x^{\prime} + 2y^{\prime} – z^{\prime}) = 0.\] Donc \(F_1\) est un sous-espace vectoriel de \(\mathbb{R}^3\).
- Le vecteur nul vérifie \(0 + 0 = 0 \neq 1\). \(F_2\) ne contient pas \((0, 0, 0)\), ce n’est pas un sous-espace vectoriel.
- On a \((1, 0) \in F_3\) et \((0, 1) \in F_3\), car \(1 \times 0 = 0\). Mais leur somme \((1, 1)\) vérifie \(1 \times 1 = 1 \neq 0\). \(F_3\) n’est pas stable par addition : ce n’est pas un sous-espace vectoriel. C’est la réunion des deux axes, comme dans l’exercice 1.
- Le polynôme nul vérifie les deux conditions, donc il appartient à \(F_4\). Soit \(P, Q \in F_4\) et \(\lambda \in \mathbb{R}\). D’une part, \((\lambda P + Q)(1) = \lambda P(1) + Q(1) = 0\). D’autre part, la dérivation est linéaire, donc \((\lambda P + Q)^{\prime}(1) = \lambda P^{\prime}(1) + Q^{\prime}(1) = 0\). Donc \(F_4\) est un sous-espace vectoriel de \(\mathbb{R}[X]\).
- La fonction nulle est solution de \(f^{\prime\prime} + f = 0\). Si \(f, g \in F_5\) et \(\lambda \in \mathbb{R}\), alors \((\lambda f + g)^{\prime\prime} + (\lambda f + g) = \lambda(f^{\prime\prime} + f) + (g^{\prime\prime} + g) = 0\). \(F_5\) est un sous-espace vectoriel de \(\mathcal{C}^2(\mathbb{R}, \mathbb{R})\). En revanche, la fonction nulle vérifie \(0^{\prime\prime} + 0 = 0 \neq 1\). \(F_6\) ne contient pas la fonction nulle : ce n’est pas un sous-espace vectoriel (c’est un ensemble de solutions d’une équation non homogène).
Barème : 1 point par item : 0,5 pour la bonne réponse, 0,5 pour la justification (démonstration complète ou contre-exemple vérifié). Au e), 0,5 pour \(F_5\) et 0,5 pour \(F_6\).
Exercice 4 : Sous-espace engendré et somme directe dans R3 (4 points)
- Pour \((x, y, z) \in \mathbb{R}^3\), on a les équivalences : \[(x, y, z) \in F \iff y = x + z \iff (x, y, z) = (x, x + z, z) = x\,(1, 1, 0) + z\,(0, 1, 1).\] Ainsi tout vecteur de \(F\) est combinaison linéaire de \((1, 1, 0)\) et \((0, 1, 1)\). Réciproquement, toute combinaison \(x\,(1, 1, 0) + z\,(0, 1, 1)\) appartient à \(F\) par ces équivalences. Donc \(F = \operatorname{Vect}\big((1, 1, 0), (0, 1, 1)\big)\) : c’est un plan vectoriel.
- Soit \(v \in F \cap G\). Comme \(v \in G\), il existe \(t \in \mathbb{R}\) tel que \(v = (t, t, t)\). Or \(v \in F\), donc \(t – t + t = 0\), c’est-à-dire \(t = 0\). Ainsi \(F \cap G = \{0\}\).
- Analyse. Si \(v = u + t\,w\) avec \(u \in F\), alors \(u = (x – t, y – t, z – t)\) doit vérifier l’équation de \(F\) : \[(x – t) – (y – t) + (z – t) = 0, \quad \text{soit} \quad t = x – y + z.\] Le réel \(t\) est donc imposé, puis \(u = v – t\,w\) l’est aussi : il y a unicité. Synthèse. Posons \(t = x – y + z\) et \(u = v – t\,w = (y – z,\; 2y – x – z,\; y – x)\). On vérifie que \((y – z) – (2y – x – z) + (y – x) = 0\), donc \(u \in F\), et \(v = u + t\,w\). Tout vecteur s’écrit de façon unique comme somme d’un vecteur de \(F\) et d’un vecteur de \(G\) : \(F \oplus G = \mathbb{R}^3\), les sous-espaces \(F\) et \(G\) sont supplémentaires. Pour \(v = (2, 0, 1)\) : \(t = 2 – 0 + 1 = 3\) et \(u = (-1, -3, -2)\). On contrôle que \(-1 + 3 – 2 = 0\). Donc \((2, 0, 1) = (-1, -3, -2) + 3\,(1, 1, 1)\).
Barème : a) 1,5 point : 1 point pour l’équivalence, 0,5 pour la conclusion ; b) 1 point ; c) 1,5 point : 0,5 pour le calcul de \(t\) et l’unicité, 0,5 pour l’existence et la conclusion, 0,5 pour l’exemple numérique.
Exercice 5 : Problème : fonctions paires et fonctions impaires (4 points)
- La fonction nulle est paire. Si \(f, g \in \mathcal{P}\) et \(\lambda \in \mathbb{R}\), alors pour tout réel \(x\), \((\lambda f + g)(-x) = \lambda f(-x) + g(-x) = \lambda f(x) + g(x) = (\lambda f + g)(x)\). Donc \(\lambda f + g \in \mathcal{P}\). De même, la fonction nulle est impaire, et si \(f, g \in \mathcal{I}\), alors \((\lambda f + g)(-x) = -\lambda f(x) – g(x) = -(\lambda f + g)(x)\). \(\mathcal{P}\) et \(\mathcal{I}\) sont des sous-espaces vectoriels de \(E\).
- Si \(f\) est à la fois paire et impaire, alors pour tout \(x\), \(f(x) = f(-x) = -f(x)\), donc \(2f(x) = 0\) et \(f(x) = 0\). Ainsi \(\mathcal{P} \cap \mathcal{I} = \{0\}\).
- Analyse. Supposons \(f = p + i\) avec \(p\) paire et \(i\) impaire. Alors, pour tout \(x\), \(f(x) = p(x) + i(x)\) et \(f(-x) = p(x) – i(x)\). En additionnant puis en soustrayant, on obtient \[p(x) = \frac{f(x) + f(-x)}{2}, \qquad i(x) = \frac{f(x) – f(-x)}{2}.\] Synthèse. Définissons \(p\) et \(i\) par ces formules. On a \(p(-x) = p(x)\), donc \(p \in \mathcal{P}\), et \(i(-x) = -i(x)\), donc \(i \in \mathcal{I}\). Enfin \(p + i = f\). Donc \(E = \mathcal{P} + \mathcal{I}\). Avec b), \(E = \mathcal{P} \oplus \mathcal{I}\) : les fonctions paires et les fonctions impaires forment deux sous-espaces supplémentaires.
- Pour \(f = \exp\) : \(p(x) = \dfrac{e^x + e^{-x}}{2} = \operatorname{ch} x\) et \(i(x) = \dfrac{e^x – e^{-x}}{2} = \operatorname{sh} x\). Pour \(f(x) = (x+1)^2 = x^2 + 2x + 1\) : la partie paire est \(x \mapsto x^2 + 1\) et la partie impaire \(x \mapsto 2x\) ; de même, \(e^x = \operatorname{ch} x + \operatorname{sh} x\).
- Soit \(f \in E\). La fonction constante \(c : x \mapsto f(0)\) est paire, et \(g = f – c\) vérifie \(g(0) = 0\), donc \(g \in \mathcal{G}\). Comme \(f = c + g\), on a \(\mathcal{P} + \mathcal{G} = E\). Cependant, la fonction \(x \mapsto x^2\) est paire, non nulle et s’annule en \(0\) : elle appartient à \(\mathcal{P} \cap \mathcal{G}\). Donc \(\mathcal{P} \cap \mathcal{G} \neq \{0\}\) et la somme \(\mathcal{P} + \mathcal{G}\) n’est pas directe.
Erreur fréquente : croire que \(\mathcal{P} + \mathcal{G} = E\) suffit pour parler de supplémentaires ; il faut aussi une intersection réduite au vecteur nul.
Barème : a) 1 point (0,5 par sous-espace) ; b) 0,5 point ; c) 1,5 point : 0,5 pour l’analyse, 0,5 pour la synthèse, 0,5 pour la conclusion avec b) ; d) 0,5 point (0,25 par décomposition) ; e) 0,5 point (0,25 pour la somme, 0,25 pour le contre-exemple).
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Après le corrigé du contrôle : espaces vectoriels et sous-espaces
Pour consolider ce que le corrigé vous a appris, relisez le cours « Espaces vectoriels » en L1 puis entraînez-vous avec les exercices corrigés espaces vectoriels.
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