Applications linéaires et rang en L1 de maths : exercices corrigés
Ces dix-neuf exercices rang L1 entraînent tous les gestes du chapitre : tester la linéarité, calculer un noyau et une image, exploiter l’image d’une base et appliquer le théorème du rang pour conclure sans calcul superflu.
La série commence par des applications concrètes de \(\mathbb{R}^n\) et d’espaces de polynômes, puis passe aux projecteurs, aux formes linéaires et aux inégalités sur le rang. Elle se termine par un problème sur l’opérateur de différence, qui mène à une formule de sommation. Cherchez chaque exercice au brouillon pendant au moins vingt minutes avant d’ouvrir le corrigé. Notez ensuite la méthode qui vous a manqué : c’est elle qui fera la différence le jour du partiel.
Pour démarrer
Exercice 1 – Quatre applications à tester
Dire si chacune des applications suivantes est linéaire, en justifiant la réponse.
- \(a : \mathcal{M}_2(\mathbb{R}) \to \mathbb{R}\), \(M \mapsto \mathrm{tr}(AM)\), où \(A = \begin{pmatrix} 2 & -1 \\ 0 & 5 \end{pmatrix}\).
- \(b : \mathbb{R}^2 \to \mathbb{R}^2\), \((x,y) \mapsto (x – y, xy)\).
- \(c : \mathbb{R}[X] \to \mathbb{R}[X]\), \(P \mapsto XP^{\prime} – 3P\).
- \(d : \mathcal{C}([0,1], \mathbb{R}) \to \mathbb{R}\), \(g \mapsto g(1) + 1\).
Exercice 2 – Noyau et image d’une application de R3 dans R2
Soit \(u : \mathbb{R}^3 \to \mathbb{R}^2\) définie par \(u(x,y,z) = (x – y + 2z,\ 2x + y + z)\).
- Montrer que \(u\) est linéaire.
- Déterminer une base de \(\mathrm{Ker}\, u\).
- En déduire \(\mathrm{Im}\, u\). L’application \(u\) est-elle injective ? surjective ?
Exercice 3 – Évaluation en trois points
Soit \(v : \mathbb{R}_2[X] \to \mathbb{R}^3\), \(P \mapsto \big(P(0), P(1), P(3)\big)\).
- Montrer que \(v\) est linéaire et déterminer son noyau.
- En déduire que \(v\) est un isomorphisme.
- Déterminer le polynôme \(P \in \mathbb{R}_2[X]\) tel que \(v(P) = (1, 0, 0)\).
Exercice 4 – Retrouver une application à partir de deux images
On cherche \(f \in \mathcal{L}(\mathbb{R}^2, \mathbb{R}^3)\) telle que \(f(1,1) = (1,0,2)\) et \(f(1,-1) = (3,2,0)\).
- Justifier l’existence et l’unicité de \(f\).
- Calculer \(f(x,y)\) pour tout \((x,y) \in \mathbb{R}^2\).
- Déterminer le rang de \(f\). L’application \(f\) est-elle injective ?
Exercice 5 – Projecteur ou symétrie du plan
On considère les endomorphismes de \(\mathbb{R}^2\) définis par \(p(x,y) = (-x + 2y,\ -x + 2y)\) et \(q(x,y) = (y, x)\).
- Montrer que \(p\) est un projecteur et déterminer ses éléments caractéristiques.
- Montrer que \(q\) n’est pas un projecteur, mais que c’est une symétrie dont on précisera les éléments.
Exercice 6 – Équation d’un hyperplan de R4
Dans \(\mathbb{R}^4\), on note \(H = \mathrm{Vect}(w_1, w_2, w_3)\) avec \(w_1 = (1,2,0,-1)\), \(w_2 = (0,1,1,1)\) et \(w_3 = (2,0,1,0)\).
- Montrer que \((w_1, w_2, w_3)\) est libre.
- Déterminer une équation de \(H\).
- Montrer que \(\mathbb{R}^4 = H \oplus \mathrm{Vect}\big((1,1,1,1)\big)\).
Pour s’entraîner
Exercice 7 – Endomorphisme de polynômes et base adaptée
Pour \(P \in \mathbb{R}_3[X]\), on pose \(\varphi(P) = (X – 1)P^{\prime} – 2P\).
- Montrer que \(\varphi\) est un endomorphisme de \(\mathbb{R}_3[X]\).
- Calculer \(\varphi\big((X-1)^k\big)\) pour \(k \in \{0,1,2,3\}\).
- En déduire le noyau, l’image et le rang de \(\varphi\), et vérifier le théorème du rang.
Exercice 8 – Multiplication à gauche dans les matrices carrées d’ordre 2
Soit \(A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 2 & 4 \end{pmatrix}\) et \(g : \mathcal{M}_2(\mathbb{R}) \to \mathcal{M}_2(\mathbb{R})\), \(M \mapsto AM\).
- Montrer que \(g\) est un endomorphisme.
- Déterminer une base de \(\mathrm{Ker}\, g\).
- Déterminer une base de \(\mathrm{Im}\, g\), puis vérifier le théorème du rang.
Exercice 9 – Dérivation et primitive sur les polynômes
Sur \(\mathbb{R}[X]\), on note \(D(P) = P^{\prime}\) et \(I(P)\) l’unique primitive de \(P\) qui s’annule en \(0\).
- Montrer que \(D\) et \(I\) sont des endomorphismes de \(\mathbb{R}[X]\).
- Montrer que \(D\) est surjective mais pas injective, et que \(I\) est injective mais pas surjective.
- Calculer \(D \circ I\) et \(I \circ D\). Expliquer pourquoi ce résultat est impossible en dimension finie.
Exercice 10 – Projecteur de R3 donné par ses formules
Soit \(p\) l’endomorphisme de \(\mathbb{R}^3\) défini par
\[p(x,y,z) = \left(\frac{-y + z}{2},\ \frac{-2x + y + z}{2},\ \frac{-2x – y + 3z}{2}\right).\]
- Montrer que \(p \circ p = p\).
- Déterminer \(\mathrm{Ker}\, p\) et \(\mathrm{Im}\, p\). Donner une équation de \(\mathrm{Im}\, p\).
- Calculer \(p(1,2,0)\) et interpréter le résultat.
- Expliciter la symétrie \(s = 2p – \mathrm{id}\) et préciser ses éléments caractéristiques.
Exercice 11 – Rang d’une application de R4 dans R3
Soit \(f : \mathbb{R}^4 \to \mathbb{R}^3\), \((x,y,z,t) \mapsto (x + y + z + t,\ x – y + 2z,\ 2x + 3z + t)\).
- Déterminer une base de \(\mathrm{Ker}\, f\).
- En déduire le rang de \(f\) par le théorème du rang.
- Donner une base et une équation de \(\mathrm{Im}\, f\).
Exercice 12 – Deux formes linéaires sur les polynômes
Sur \(\mathbb{R}_2[X]\), on considère \(\alpha(P) = P^{\prime}(0)\) et \(\beta(P) = P(1) – P(-1)\).
- Montrer que \(\alpha\) et \(\beta\) sont des formes linéaires non nulles.
- Montrer que \(\mathrm{Ker}\, \alpha\) est un hyperplan et en donner une base.
- Comparer \(\alpha\) et \(\beta\), puis en déduire \(\mathrm{Ker}\, \beta\).
- On définit les mêmes formules sur \(\mathbb{R}_3[X]\). Montrer qu’elles n’ont plus le même noyau.
Exercice 13 – Endomorphismes de carré nul
Soit \(E\) un espace de dimension finie \(n\) et \(u \in \mathcal{L}(E)\).
- Montrer que \(u \circ u = 0\) si et seulement si \(\mathrm{Im}\, u \subset \mathrm{Ker}\, u\).
- En déduire que si \(u \circ u = 0\), alors \(\mathrm{rg}\, u \leqslant \frac{n}{2}\).
- Dans \(\mathbb{R}^4\), on pose \(u(x,y,z,t) = (z, t, 0, 0)\). Vérifier que \(u \circ u = 0\), puis déterminer \(\mathrm{Ker}\, u\) et \(\mathrm{Im}\, u\).
Exercice 14 – Interpolation de Hermite en deux points
Soit \(\Phi : \mathbb{R}_3[X] \to \mathbb{R}^4\), \(P \mapsto \big(P(0), P^{\prime}(0), P(2), P^{\prime}(2)\big)\). La figure représente les conditions imposées à la question 3.

- Montrer que \(\Phi\) est linéaire.
- Déterminer \(\mathrm{Ker}\, \Phi\) et en déduire que \(\Phi\) est un isomorphisme.
- Déterminer l’unique \(P \in \mathbb{R}_3[X]\) tel que \(\Phi(P) = (0, 0, 4, 0)\).
Exercice 15 – Matrices de trace nulle et projection
Soit \(n \geqslant 2\) et \(H = \{M \in \mathcal{M}_n(\mathbb{R}) \mid \mathrm{tr}\, M = 0\}\).
- Montrer que \(H\) est un hyperplan de \(\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\) et donner sa dimension.
- Montrer que \(\mathcal{M}_n(\mathbb{R}) = H \oplus \mathrm{Vect}(I_n)\).
- Exprimer la projection \(\pi\) sur \(H\) parallèlement à \(\mathrm{Vect}(I_n)\).
- Calculer \(\pi(M)\) pour \(n = 2\) et \(M = \begin{pmatrix} 3 & 1 \\ 4 & -1 \end{pmatrix}\).
Pour approfondir
Exercice 16 – Noyaux itérés d’un endomorphisme
Soit \(E\) de dimension finie \(n \geqslant 1\) et \(u \in \mathcal{L}(E)\). On pose \(N_k = \mathrm{Ker}\, u^k\) pour \(k \in \mathbb{N}\), avec \(u^0 = \mathrm{id}_E\).
- Montrer que \(N_k \subset N_{k+1}\) pour tout \(k\).
- Montrer que si \(N_m = N_{m+1}\) pour un entier \(m\), alors \(N_{m+j} = N_m\) pour tout \(j \in \mathbb{N}\).
- En déduire qu’il existe \(m \leqslant n\) tel que la suite \((N_k)\) soit constante à partir du rang \(m\).
- Déterminer les \(N_k\) lorsque \(u\) est la dérivation de \(\mathbb{R}_3[X]\).
Exercice 17 – Inégalités sur le rang
Les espaces \(E\), \(F\), \(G\) sont de dimension finie.
- Pour \(u, v \in \mathcal{L}(E,F)\), montrer que \(\mathrm{rg}(u + v) \leqslant \mathrm{rg}\, u + \mathrm{rg}\, v\).
- En déduire que \(|\mathrm{rg}\, u – \mathrm{rg}\, v| \leqslant \mathrm{rg}(u – v)\).
- Pour \(u \in \mathcal{L}(E,F)\) et \(v \in \mathcal{L}(F,G)\), montrer que \(\mathrm{rg}(v \circ u) \leqslant \min(\mathrm{rg}\, u, \mathrm{rg}\, v)\).
- On note \(w\) l’application obtenue en ne faisant agir \(v\) que sur les vecteurs de \(\mathrm{Im}\, u\). Étudier le noyau et l’image de \(w\), puis prouver que \(\mathrm{rg}(v \circ u) \geqslant \mathrm{rg}\, u + \mathrm{rg}\, v – \dim F\).
Exercice 18 – Somme de deux projecteurs
Soit \(E\) un \(\mathbb{R}\)-espace vectoriel et \(p, q\) deux projecteurs de \(E\).
- Montrer que \(p + q\) est un projecteur si et seulement si \(p \circ q + q \circ p = 0\).
- En composant cette égalité par \(p\) à gauche puis à droite, montrer qu’elle équivaut à \(p \circ q = q \circ p = 0\).
- Dans ce cas, montrer que \(\mathrm{Im}(p + q) = \mathrm{Im}\, p \oplus \mathrm{Im}\, q\) et \(\mathrm{Ker}(p + q) = \mathrm{Ker}\, p \cap \mathrm{Ker}\, q\).
Exercice 19 – Problème : opérateur de différence et sommes de cubes
Soit \(n \geqslant 1\). Pour \(P \in \mathbb{R}_n[X]\), on pose \(\Delta(P) = P(X+1) – P(X)\).
- Montrer que \(\Delta\) est un endomorphisme de \(\mathbb{R}_n[X]\). Montrer que si \(\deg P = d \geqslant 1\), alors \(\deg \Delta(P) = d – 1\).
- Montrer que \(\mathrm{Ker}\, \Delta\) est l’ensemble des polynômes constants.
- En déduire que \(\mathrm{Im}\, \Delta = \mathbb{R}_{n-1}[X]\).
- Montrer que pour tout \(Q \in \mathbb{R}_{n-1}[X]\), il existe un unique \(P \in \mathbb{R}_n[X]\) tel que \(\Delta(P) = Q\) et \(P(0) = 0\).
- On prend \(n = 4\) et \(Q = X^3\). Vérifier que \(P = \frac{1}{4}X^2(X-1)^2\) convient.
- En déduire une expression de \(S_N = \sum_{k=0}^{N-1} k^3\) pour \(N \geqslant 1\), dont la figure donne les premières valeurs, puis de \(\sum_{k=1}^{N} k^3\).
- Montrer que \(\Delta^{n+1} = 0\) et que \(\Delta^n \neq 0\).

Pour aller plus loin
- Revoir la leçon : cours de L1 de maths sur applications linéaires et rang
- Bases utiles : Espaces vectoriels : bases et dimension
- Chapitre d’avant : Espaces vectoriels : bases et dimension
- Chapitre d’après : Matrices de passage et matrices semblables
- Vérifier ses acquis : QCM de L1 de maths sur applications linéaires et rang
- Contrôle corrigé en temps limité : Noyau, image et projecteurs : contrôle de maths en L1
- Le même thème en maths sup (MPSI) : Noyau, image et théorème du rang
- Tous les chapitres : le sommaire de la L1 de maths
- Après le bac : les maths post-bac, de la MPSI à la L3
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