Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Linear algebraExercise

Les fonctions paires et impaires font la paire

by FiniteField·
27
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  1. 1–10First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 11–25Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 26–50Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 51–70Advanced / graduateAvancé / master
  5. 71–90Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91–100Research levelNiveau recherche
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Français

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Soient EE l’espace vectoriel des fonctions de R\mathbb{R} à valeurs dans R\mathbb{R}, FF l’ensemble des fonctions paires et GG l’ensemble des fonctions impaires.

  1. Montrer que FF et GG sont des sous-espaces vectoriels de EE.
  2. Montrer par analyse-synthèse que FF et GG sont supplémentaires dans E.E.
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Solutions

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Solution by darktoaster

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Question 1

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Soient f1,f2∈Ff_{1}, f_{2} \in F , g1,g2∈Gg_{1}, g_{2} \in G et λ,μ∈R\lambda, \mu \in \R
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FF est un sous-espace vectoriel de EE :

  • La fonction nulle est dans FF, en effet en posant ∀x∈R,f(x)=0\forall x \in \R, f(x) =0, on a ∀x∈ f(−x)=0=f(x)\forall x \in \, f(-x) = 0 =f(x)
  • λf1+μf2∈F\lambda f_{1} + \mu f_{2} \in F, en effet : ∀x∈R,(λf1+μf2)(−x)=λf1(−x)+μf2(−x)=λf1(x)+μS2(x)\forall x \in \R, (\lambda f_{1} + \mu f_{2})(-x) = \lambda f_{1}(-x) + \mu f_{2}(-x) = \lambda f_{1}(x) + \mu S_{2}(x)
    \newline
    GG est un sous-espace vectoriel de EE :
  • La fonction nulle est dans GG, en effet en posant ∀x∈R,g(x)=0\forall x \in \R, g(x) =0, on a ∀x∈ g(−x)=0=−0=−g(x)\forall x \in \, g(-x) = 0 = -0 =-g(x)
  • λg1+μg2∈G\lambda g_{1} + \mu g_{2} \in G, en effet : ∀x∈R,(λg1+μg2)(−x)=λg1(−x)+μg2(−x)=−(λg1(x)+μg2(x))\forall x \in \R, (\lambda g_{1} + \mu g_{2})(-x) = \lambda g_{1}(-x) + \mu g_{2}(-x) = -(\lambda g_{1}(x) + \mu g_{2}(x))

Question 2

On souhaite montrer que F⊕G=EF \oplus G = E
Pour cela on montre par analyse-synthèse que toute fonction h∈Eh \in E est décomposable de manière unique comme une somme d’une fonction paire et d’une fonction impaire.

Analyse

Soit h∈Eh \in E.
On suppose qu’ils existent f∈Ff \in F et g∈Gg \in G telles que h=f+gh = f + g, c’est-à-dire ∀x∈R,h(x)=f(x)+g(x)\forall x \in \R, h(x)= f(x) + g(x)

En substituant xx par −x-x : h(−x)=f(−x)+g(−x)=f(x)−g(x)h(-x) = f(-x) + g(-x) = f(x) - g(x)

En sommant les deux égalités : ∀x∈R,h(x)+h(−x)=2f(x)\forall x \in \R, h(x) + h(-x) = 2f(x), on déduit ainsi la fonction ff qui est x↦h(x)+h(−x)2x \mapsto \frac{h(x) + h(-x)}{2}
En soustrayant les deux égalités : ∀x∈R,h(x)−h(−x)=2g(x)\forall x \in \R, h(x) - h(-x) = 2g(x), on déduit ainsi la fonction gg qui est x↦h(x)−h(−x)2x \mapsto \frac{h(x) - h(-x)}{2}

L’unique couple (f,g)(f,g) candidat est (x↦h(x)+h(−x)2,x↦h(x)−h(−x)2)(x \mapsto \frac{h(x) + h(-x)}{2}, x\mapsto \frac{h(x)-h(-x)}{2}).
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Synthèse

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Soit h∈Eh \in E

Posons les fonctions f:x↦h(x)+h(−x)2f : x \mapsto \frac{h(x) + h(-x)}{2} et g:x↦h(x)−h(−x)2g : x \mapsto \frac{h(x) - h(-x)}{2}
Vérifions que f∈Ff \in F , que g∈Gg \in G et que h=f+gh = f+ g
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∀x∈R,f(−x)=h(−x)+h(−(−x))2=h(−x)+h(x)2=f(x)\forall x \in \R, f(-x) = \frac{h(-x)+ h(-(-x))}{2} = \frac{h(-x) + h(x)}{2} = f(x), donc f∈Ff \in F
∀x∈R,g(−x)=h(−x)+h(−(−x))2=h(−x)−h(x)2=−g(x)\forall x \in \R, g(-x) = \frac{h(-x)+ h(-(-x))}{2} = \frac{h(-x) - h(x)}{2} = -g(x), donc g∈Gg \in G
∀x∈R,f(x)+g(x)=h(x)+h(−x)2+h(x)−h(−x)2=2h(x)2=h(x)\forall x \in \R, f(x)+ g(x) = \frac{h(x) + h(-x)}{2} + \frac{h(x) - h(-x)}{2} = \frac{2h(x)}{2} = h(x)
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La phase de synthèse est terminée.
Nous avons montré l’existence (synthèse) et l’unicité (analyse) d’une décomposition, pour toute fonction de EE comme somme d’une fonction paire et d’une fonction impaire.

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