Sommes directes, dimension et rang : contrôle de maths en MPSI
Voici un contrôle de maths en MPSI sur le thème « sommes directes, dimension et rang », avec son barème et un corrigé détaillé.
Ce devoir surveillé de quatre heures, au format concours, se place à la fin du chapitre sur les applications linéaires. Il évalue d’abord votre maîtrise des sommes directes : un plan et une droite de l’espace sont rendus supplémentaires par analyse-synthèse. Ensuite, des sous-espaces de polynômes de degré au plus 3 mettent en jeu la formule de Grassmann. Le cœur du sujet exploite le théorème du rang, d’abord pour encadrer le rang d’une composée, puis pour étudier un endomorphisme de polynômes. Enfin, le problème suit la suite des noyaux itérés d’un endomorphisme et aboutit à une décomposition de l’espace en somme directe. Les démonstrations comptent autant que les résultats.
Ce qu’évalue le contrôle : sommes directes, dimension et rang
L’essentiel du sujet
- NiveauMPSI
- Durée4 heures
- Calculatriceinterdite
- Barèmesur 20
Chapitres : Sous-espaces vectoriels, sommes et supplémentaires et Bases, dimension et formule de Grassmann et Noyau, image et théorème du rang (5 exercices)
Ce que ce devoir vérifie :
- Établir par analyse-synthèse qu’un plan et une droite de R³ sont supplémentaires et expliciter la décomposition d’un vecteur
- Calculer des dimensions de sous-espaces de polynômes et appliquer la formule de Grassmann
- Relier le rang d’une composée à l’intersection d’un noyau et d’une image grâce au théorème du rang
- Déterminer noyau et image d’un endomorphisme de polynômes à l’aide d’une base adaptée
- Démontrer que la suite des noyaux itérés stationne et en déduire une décomposition en somme directe
Avant de commencer le devoir
Avant tout calcul, comptez les dimensions : un argument de dimension remplace souvent la moitié d’une preuve de supplémentarité. Pour une analyse-synthèse, séparez nettement les deux temps, car la synthèse doit vérifier que la décomposition trouvée convient. Quand une question porte sur un noyau et une image, pensez aussi à restreindre l’application à un sous-espace. Gardez enfin une heure pour le problème, dont chaque question réutilise la précédente.
Le sujet du contrôle : sommes directes, dimension et rang
Exercice 1 – Un plan et une droite de l’espace (3 points)
On travaille dans \(\mathbb{R}^3\) avec le plan \(P\) défini par \(2x – y + z = 0\) et avec la droite \(D\) engendrée par \(u = (1, 1, 1)\). Cette figure n’est pas à l’échelle.

- Justifier que \(P\) est un sous-espace vectoriel de \(\mathbb{R}^3\) et en donner une base. Montrer ensuite que \(P \cap D = \{0\}\).
- Démontrer par analyse-synthèse que \(\mathbb{R}^3 = P \oplus D\), en exprimant les deux composantes d’un vecteur \((a, b, c)\) quelconque.
- Décomposer alors le vecteur \(w = (3, 0, -1)\) selon cette somme directe.
Exercice 2 – Grassmann dans les polynômes de degré au plus 3 (4 points)
Dans \(E = \mathbb{R}_3[X]\), on pose \(F = \{P \in E : P(1) = 0\}\) et \(G = \{P \in E : P^{\prime}(0) = 0 \text{ et } P(-1) = 0\}\).
- Montrer que \(F\) est un sous-espace vectoriel de \(E\), puis que \((X – 1, X^2 – 1, X^3 – 1)\) en est une base.
- Prouver que \((1 + X^3, X^2 + X^3)\) est une base de \(G\).
- Déterminer \(F \cap G\), puis la dimension de \(F + G\) grâce à la formule de Grassmann. La somme \(F + G\) est-elle directe ?
- On pose \(H = \mathrm{Vect}(1 + X^3)\). Montrer que \(H\) est à la fois un supplémentaire de \(F\) dans \(E\) et un supplémentaire de \(F \cap G\) dans \(G\).
Exercice 3 – Rang d’une composée (4 points)
On fixe un espace vectoriel réel \(E\) de dimension \(n \geq 1\), ainsi que deux endomorphismes \(u\) et \(v\) de \(E\). Le schéma ci-dessous, purement symbolique, situe les sous-espaces qui interviennent.

- Établir les inclusions \(\mathrm{Ker}\,u \subset \mathrm{Ker}(v \circ u)\) et \(\mathrm{Im}(v \circ u) \subset \mathrm{Im}\,v\). En déduire que \(\mathrm{rg}(v \circ u) \leq \min(\mathrm{rg}\,u, \mathrm{rg}\,v)\).
- On note \(w\) la restriction de \(v\) au sous-espace \(\mathrm{Im}\,u\). Déterminer le noyau et l’image de \(w\), puis démontrer que \(\mathrm{rg}(v \circ u) = \mathrm{rg}\,u – \dim(\mathrm{Ker}\,v \cap \mathrm{Im}\,u)\).
- En déduire l’inégalité \(\mathrm{rg}\,u + \mathrm{rg}\,v – n \leq \mathrm{rg}(v \circ u)\). Montrer enfin que si \(u \circ u = 0\), alors \(\mathrm{rg}\,u \leq \frac{n}{2}\).
Exercice 4 – Un endomorphisme de R3[X] diagonal sans le dire (4 points)
Pour \(P \in \mathbb{R}_3[X]\), on pose \(\varphi(P) = (X – 1)P^{\prime} – 2P\).
- Vérifier que \(\varphi\) est un endomorphisme de \(\mathbb{R}_3[X]\).
- Justifier que \(\left(1, X – 1, (X – 1)^2, (X – 1)^3\right)\) est une base de \(\mathbb{R}_3[X]\). Calculer ensuite \(\varphi\left((X – 1)^k\right)\) pour \(k \in \{0, 1, 2, 3\}\).
- Déterminer le noyau de \(\varphi\), puis son rang.
- Montrer que \(\mathrm{Im}\,\varphi = \{Q \in \mathbb{R}_3[X] : Q^{\prime\prime}(1) = 0\}\). Prouver alors que \(\mathbb{R}_3[X] = \mathrm{Ker}\,\varphi \oplus \mathrm{Im}\,\varphi\).
Exercice 5 – Problème : noyaux itérés et décomposition de Fitting (5 points)
Soit \(E\) un espace vectoriel réel de dimension \(n \geq 1\) et \(u\) un endomorphisme de \(E\). On pose \(u^0 = \mathrm{id}_E\), puis, pour tout entier \(p \geq 0\), \(K_p = \mathrm{Ker}(u^p)\) et \(I_p = \mathrm{Im}(u^p)\).
- Montrer que, pour tout \(p\), \(K_p \subset K_{p+1}\) et \(I_{p+1} \subset I_p\).
- On suppose qu’un entier \(r\) vérifie \(K_r = K_{r+1}\). Démontrer que \(K_p = K_r\) pour tout \(p \geq r\).
- Justifier l’existence d’un plus petit entier \(r \leq n\) tel que \(K_r = K_{r+1}\). Établir ensuite que \(I_p = I_r\) pour tout \(p \geq r\).
- Démontrer que \(E = K_r \oplus I_r\).
- Exemple : \((e_1, e_2, e_3)\) est une base de \(\mathbb{R}^3\) et \(u\) est défini par \(u(e_1) = 0\), \(u(e_2) = e_1\) et \(u(e_3) = e_3\). Déterminer \(K_1\), \(K_2\), \(K_3\), puis l’entier \(r\) et la décomposition obtenue. Que dire de \(K_1 \cap I_1\) ?
Réviser sommes directes, dimension et rang avant le contrôle
Si un exercice vous a bloqué, relisez le cours sous-espaces vectoriels, sommes et supplémentaires puis bases, dimension et formule de grassmann puis noyau, image et théorème du rang ; entraînez-vous sur les exercices sous-espaces vectoriels, sommes et supplémentaires et bases, dimension et formule de grassmann et noyau, image et théorème du rang avant de retenter le sujet.
La page contrôles de maths en MPSI regroupe les 25 sujets de l’année, et la page maths post-bac permet de changer d’année.
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