Lösung.

1.
Für Polynome $ \mbox{$f(X),\, g(X)\,\in\,\mathbb{R}[X]$}$ und $ \mbox{$\lambda,\,\mu\,\in\,\mathbb{R}$}$ gilt
$ \mbox{$\displaystyle
(\lambda f(X) + \mu g(X))' \;=\; \lambda f'(X)+ \mu g'(X)\;.
$}$
Also ist die Abbildung $ \mbox{$f(X)\mapsto f'(X)$}$ linear.

Durch Verkettung dieser Abbildung mit sich selbst folgt die Linearität der Abbildung $ \mbox{$f(X)\mapsto f''(X)$}$ . Verkettet man schließlich die letztere Abbildung mit der Abbildung, welche ein Polynom mit $ \mbox{$X^2$}$ multipliziert, so erhält man die Linearität der Abbildung $ \mbox{$f(X)\mapsto X^2f''(X)$}$ .

Verkettung von $ \mbox{$f(X)\mapsto f''(X)$}$ mit $ \mbox{$g(X)\mapsto g(X^2)$}$ gibt die Linearität von $ \mbox{$f(X)\mapsto f''(X^2)$}$ . Hierbei ist wegen

$ \mbox{$\displaystyle
(\lambda g + \mu h)(X^2) \;=\; \lambda g(X^2)+ \mu h(X^2)
$}$
für $ \mbox{$g(X),\, h(X)\,\in\,\mathbb{R}[X]$}$ und $ \mbox{$\lambda,\,\mu\,\in\,\mathbb{R}$}$ die Abbildung $ \mbox{$g(X)\mapsto g(X^2)$}$ in der Tat linear.

Die Abbildung $ \mbox{$f(X)\mapsto f(X)^2$}$ ist nicht linear. So z.B. ist $ \mbox{$(1+1)^2 = 4$}$ , während $ \mbox{$1^2 + 1^2 = 2$}$ ist.

Die Abbildung $ \mbox{$f(X)\mapsto f(f(X))$}$ ist nicht linear. So z.B. $ \mbox{$2f(X)\mapsto 2f(2f(X))=4f(f(X))$}$ .

2.
Es wird
$ \mbox{$\displaystyle
\varphi(f(X)) \;=\; f'(X) + X^2 f''(X) + f''(X^2)\;.
$}$
Somit ist
$ \mbox{$\displaystyle
\begin{array}{lcl}
1 &\stackrel{\varphi}{\mapsto} & 0 \\...
...^2\\
X^3 &\mapsto & 9X^2+6X^3\\
X^4 &\mapsto & 4X^3+24 X^4\;.
\end{array}$}$
Also ist bezüglich $ \mbox{$\underline{b}:=(1,X,X^2,X^3,X^4)$}$
$ \mbox{$\displaystyle
\text{M}(\varphi)_{\underline{b},\underline{b}} \;=\;
\...
...& 9 & 0\\
0 & 0 & 0 & 6 & 4\\
0 & 0 & 0 & 0 & 24
\end{array}\right)\;.
$}$

3.
Die Zeilenstufenform von $ \mbox{$\text{M}(\varphi)_{\underline{b},\underline{b}}$}$ ist unter Vernachlässigung von Nullzeilen
$ \mbox{$\displaystyle
\text{M}(\varphi)_{\underline{b},\underline{b}} \;=\;
\...
... & 0\\
0 & 0 & 0 & 1 & 0\\
0 & 0 & 0 & 0 & 1\\
\end{array}\right)\;.
$}$

Also ist $ \mbox{$(\begin{pmatrix}1\\  0\\  0\\  0\\  0\end{pmatrix})$}$ eine Basis von $ \mbox{$\text{Kern }\text{M}(\varphi)_{\underline{b},\underline{b}}$}$ und $ \mbox{$(\begin{pmatrix}1\\  0\\  0\\  0\\  0\end{pmatrix},\begin{pmatrix}2\\  ...
...  9\\  6\\  0\end{pmatrix}\begin{pmatrix}0\\  0\\  0\\  4\\  24\end{pmatrix})$}$ eine Basis von $ \mbox{$\text{Bild} \text{M}(\varphi)_{\underline{b},\underline{b}}$}$ .

Folglich ist $ \mbox{$(1)$}$ ( $ \mbox{$= (X^0)$}$ ) eine Basis von $ \mbox{$\text{Kern}\varphi$}$ und $ \mbox{$(1, 2+2X+2X^2, 9X^2+6X^3, 4X^3+24X^4)$}$ eine Basis von $ \mbox{$\text{Bild}\varphi$}$ .

Da $ \mbox{$\dim\text{Kern}\varphi=1>0$}$ ist, ist $ \mbox{$\varphi$}$ nicht injektiv. Da $ \mbox{$\dim\text{Bild}\varphi=4<5$}$ ist, ist $ \mbox{$\varphi$}$ nicht surjektiv.

4.
Es ist
$ \mbox{$\displaystyle
\text{M}(\varphi\circ\varphi)_{\underline{b},\underline{...
... 36\\
0 & 0 & 0 & 36 & 120\\
0 & 0 & 0 & 0 & 576
\end{array}\right)\;.
$}$