Chapitre 3Espaces vectoriels
1Notions fondamentales • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
D´
efinition (Espace vectoriel)
Soit Eun ensemble non vide. On dit que Eest un espace vectoriel sur K(Rou C)s’il est muni de
deux op´
erations not´
ees +et ·telles que :
(i)Pour tous u,v∈Eet λ∈K, on a u+v∈Eet λ·u∈E(r`
egle de stabilit´
e);
(ii)L’addition ‘+’ est associative, commutative, poss`
ede un ´
el´
ement neutre 0 et tout ´
el´
ement u∈E
admet oppos´
e−u∈Etel que u+ (−u) = 0 ;
(iii)Pour tous u,v∈Eet λ,µ∈K,
1·u=u,λ·(u+v) = λ·u+λ·v,(λ+µ)·u=λ·u+µ·uet λ·(µ·u) = (λµ)·u
Proposition (Sous-espace vectoriel)
Soit F⊂Eun sous-ensemble non vide de E. Si Fv´
erifie la r`
egle de stabilit´
e(i)de la d´
efinition,
alors Fest un espace vectoriel sur K. On dit que c’est un sous-espace vectoriel de E.
D´
efinition (Produit d’espaces vectoriels)
Soient E1et E2deux espaces vectoriels sur K. On note E=E1×E2l’ensemble des couples
de vecteurs (u1,u2)o`
uu1∈E1et u2∈E2et on pose pour λ∈K,(u1,u2)et (v1,v2)∈E,
λ·(u1,u2) = (λu1,λu2)et (u1,u2)+(v1,v2) = (u1+v1,u2+v2).
Muni de ces op´
erations, Ea une structure d’espace vectoriel sur K. On l’appelle produit des espaces
vectoriels E1et E2.
Proposition (Sous-espace vectoriel engendr´
e)
Soit U= (u1, . . . , un)une famille de vecteurs de E. L’ensemble de toutes les combinaisons lin´
eaires
des vecteurs de Uest un sous-espace vectoriel de E. On l’appelle sous-espace vectoriel engendr´
e
par Uet on le note Vect(U).
D´
efinition (Famille libre, famille li´
ee)
On dit qu’une famille U= (u1, . . . , un)de vecteurs de Eest libre si la seule combinaison lin´
eaire
des vecteurs de U´
egale au vecteur nul est celle dont tous les coefficients sont nuls. Dans le cas
contraire, on dit que la famille Uest li´
ee.
D´
efinition et proposition (Base, coordonn´
ees)
On dit qu’une famille B= (e1, . . . , en)est une base de Esi elle est libre et si elle engendre E.
Dans ce cas, tout vecteur ude Es’´
ecrit de mani`
ere unique u=x1e1+· · · +xneno`
ux1, . . . , xn∈K
sont appel´
es coordonn´
ees de udans B.
Cours de math´
ematiques, Sp´
e PC – [Rapha¨
el Dieu - 12/2016]page 1
Th´
eor`
eme fondamental de la dimension
Si Eest un espace vectoriel de dimension finie, alors toutes les bases de Eont le mˆ
eme cardinal n
appel´
e dimension de E, not´
en=dim E. Plus pr´
ecis´
ement, pour toute famille Ude vecteurs de E,
•Si card(U)>n, alors Uest li´
ee,
•Si card(U)<n, alors Un’engendre pas E,
•Si card(U) = n, alors Uest une base de E⇐⇒ U est libre ⇐⇒ U engendre E.
2Somme de sous-espaces vectoriels • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
D´
efinition (Somme de sous-espaces vectoriels)
On appelle somme des sous-espaces vectoriels F1,F2, . . . , Fqde El’ensemble Fdes vecteurs de E
de la forme u=u1+u2+· · · +uq=
q
X
i=1
uiavec ui∈Fi,i∈v1, qw.
Fest un sous-espace vectoriel de E. On le note F=F1+F2+· · · +Fq=
q
X
i=1
Fi.
D´
efinition (Somme directe de sous-espaces vectoriels)
(avec les mˆ
emes notations)On dit que la somme F=
q
X
i=1
Fiest directe si pour tout vecteur u∈F,
la d´
ecomposition u=
q
X
i=1
uiavec ui∈Fi,i∈v1, qwest unique.
On note alors F=F1⊕F2⊕ · · · ⊕ Fq=
q
M
i=1
Fi(qui se lit somme directe des Fi).
Proposition (Caract´
erisations d’une somme directe)
(avec les mˆ
emes notations)Les trois propositions sont ´
equivalentes :
(i)La somme F=
q
M
i=1
Fiest directe (unicit´
e des d´
ecompositions).
(ii)∀(u1, . . . , uq)∈F1× · · · × Fq,
q
X
i=1
ui=0=⇒u1=u2=· · · =uq=0(le vecteur nul)
(iii)∀i∈v1, qw,Fi∩X
j6=i
Fj={0}(l’espace nul).
Proposition (Dimension d’une somme d’espaces vectoriels)
Soient F1, . . . , Fqdes sous-espaces vectoriels de l’espace vectoriel Ede dimension finie.
On a dim
q
X
i=1
Fi6
q
X
i=1
dim Fiavec ´
egalit´
e si et seulement si la somme est directe.
page 2 Chapitre 3 – Espaces vectoriels
dim(F+G) = dim F+dim G−dim(F∩G)
3Applications et ´
equations lin´
eaires • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
D´
efinition (Application lin´
eaire)
Soient Eet Fdes espaces vectoriels et fune application de Edans F. On dit que fest lin´
eaire si
∀u,v∈E,∀λ∈Kon a f(u+v) = f(u) + f(v)et f(λu) = λf(u)
On dit que fest un endomorphisme de Elorsque fest une application lin´
eaire de Edans E.
D´
efinition (´
Equation lin´
eaire)
On appelle ´
equation lin´
eaire une ´
equation de la forme :
f(u) = b(L)
o`
uf∈L(E,F),b∈Fest appel´
e le second membre et u∈Eest l’inconnue. On appelle ´
equation
homog`
ene associ´
ee `
a(L)l’´
equation (H),f(u) = 0(le vecteur nul).
Proposition et d´
efinition (Noyau d’une application lin´
eaire)
L’ensemble des solutions de l’´
equation homog`
ene (H)est un sous-espace vectoriel de Eappel´
e
noyau de f. On le note ker f.
Proposition (Injectivit´
e et noyau)
L’application lin´
eaire fest injective si et seulement si ker f={0}(l’espace nul).
Th´
eor`
eme (R´
esolution d’une ´
equation lin´
eaire)
L’ensemble des solutions de (L)est :
•soit vide lorsque b/∈Im f(on dit alors que l’´
equation est incompatible)
•soit de la forme u1+ker fo`
uu1est une solution (dite particuli`
ere)de (L)et ker fest l’ensemble
des solutions de l’´
equation homog`
ene (H)associ´
ee `
a(L): c’est le principe de superposition des
solutions.
M´
ethode pratique de r´
esolution des r´
ecurrences lin´
eaires d’ordre 2
On note ∆ = b2−4ac le discriminant et z1,z2les racines (complexes)de l’´
equation caract´
eristique
az2+bz +c=0. Alors il existe des constantes λet µdans Ctelles que ∀n∈N,
•un=λzn
1+µzn
2, lorsque ∆6=0.
•un= (λ+µn)zn
1, lorsque ∆ = 0.
Cours de math´
ematiques, Sp´
e PC – [Rapha¨
el Dieu - 12/2016]page 3
Rang et formule du rang
Soient Eet Fdes espaces vectoriels de dimension finie et f∈L(E,F). On appelle rang de fla
dimension de son image. On a la formule du rang
rg f=dim Im f=dim E−dim ker f
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