Rappels de cours d’alg`ebre lin´eaire et bilin´eaire
pour le CAPES
Table des mati`eres
1 Espaces vectoriels 2
1.1 G´en´eralit´es ............................................ 2
1.2 Applicationslin´eaires....................................... 3
1.3 Bases ............................................... 4
1.4 Espaces vectoriels de dimension finie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Matrices et applications lin´eaires 6
2.1 Propri´et´es ´el´ementaires et vocabulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Structures d’espace vectoriel et d’alg`ebre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Op´erationssurlesmatrices ................................... 9
2.4 Exemples remarquables (culture) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3 D´eterminant 12
3.1 Permutations ........................................... 12
3.2 Applications multilin´eaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.3 Led´eterminant .......................................... 14
4 Syst`emes lin´eaires 16
4.1 Propri´et´es............................................. 16
4.2 R´esolution d’un syst`eme lin´eaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5 R´eduction 20
5.1 Valeurspropres.......................................... 20
5.2 Polynˆomes d’endomorphismes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5.3 Diagonalisation et trigonalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5.4 Exemples d’utilisation de la diagonalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
6 Espaces euclidiens et hermitiens 24
6.1 Formes bilin´eaires et quadratiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
6.2 Espaceseuclidiens ........................................ 26
6.3 Espaceshermitiens........................................ 30
1
Chapitre 1
Espaces vectoriels
Dans tout ce chapitre Kesignera un corps commutatif.
1.1 G´en´eralit´es
efinition 1.1.1 Un espace vectoriel sur Kest un ensemble Emuni d’une loi interne “+” et d’une loi
externe “·” de K×Edans Ev´erifiant :
1. (E,+) est un groupe abelien
2. Pour tout (λ, µ)K×K, pour tout (x, y)E×E
λ·(µ·x) = (λµ)·x
(λ+µ)·x=λ·x+µ·y
λ·(x+y) = λ·x+λ·y
1·x=x
On omettra d´esormais le “·” pour la loi externe.
Cons´equences imm´ediates : Pour tout couple (λ, µ) d’´el´ements de Ket tout couple (x, y) de vecteurs
de E
1. 0x= 0E
2. λ0E= 0E
3. λ(x) = λx
4. (1)x=x
5. λx = 0Eλ= 0 ou x= 0E
efinition 1.1.2 Soit Eun espace vectoriel sur Ket Fune partie non vide de E. On dit que Fest un
sous-espace vectoriel de Esi pour tout (λ, µ)K×K, pour tout (x, y)F×F,λx +µy F.
Fest alors un espace vectoriel sur K.
Si Fet Gsont des sous-espaces vectoriels de Ealors FGest un sous-espace vectoriel de E ; mais en
g´en´eral FGn’est pas un sous-espace vectoriel de E (le d´emontrer).
2
efinition 1.1.3 Soient E1et E2deux sous-espaces vectoriels d’un espace vectoriel E. On appelle somme
de E1et E2l’ensemble
E1+E2={x1+x2;x1E1, x2E2}.
L’ensemble E1+E2est un sous-espace vectoriel de E. C’est le plus petit sous-espace vectoriel de Equi
contient E1et E2.
On dit que que la somme est directe si E1E2={0}, on la note alors E1LE2.
On dit que E1et E2sont suppl´ementaires si E=E1LE2.
Proposition 1.1.4 On a E=E1LE2si et seulement si pour tout xE, il existe un unique couple
(x1, x2)E1×E2tel que x=x1+x2.
Proposition 1.1.5 Soit Eun espace vectoriel et Fun sous-espace vectoriel de E. On peut munir le groupe
quotient E/F d’une structure d’espace vectoriel. E/F est alors appel´e espace vectoriel quotient de E par F.
Th´eor`eme 1.1.6 Tout sous-espace Fd’un espace vectoriel Eadmet un suppl´ementaire (on n’a pas unicit´e
du suppl´ementaire).
La preuve de ce th´eor`eme en g´en´eral n´ecessite l’application du lemme de Zorn, on peut s’en passer si l’on
sait que Eposs`ede une partie g´en´eratrice finie.
1.2 Applications lin´eaires
efinition 1.2.1 Soit Eet E0deux espaces vectoriels sur K. Une application f:EE0est une
application lin´eaire ou homomorphisme d’espaces vectoriels si pour tout λKet tous x, y E,
f(x+y) = f(x) + f(y)
f(λx) = λf(x).
On a alors f(0E) = 0E0.
Une forme lin´eaire est une application lin´eaire de Edans K.
Proposition et d´efinition 1.2.2 Soit Eet E0deux espaces vectoriels et fune application lin´eaire de E
dans E0. L’ensemble Kerf =f1({0}) = {xE;f(x)=0}est appel´e noyau de f. C’est un sous-espace
vectoriel de E.
L’ensemble Imf =f(E) = {f(x); xE}est appel´e image de f, c’est un sous-espace vectoriel de E0.
Proposition 1.2.3 Soit f une application lin´eaire de Edans E0, alors fest injective si et seulement si
Kerf ={0}.
Proposition 1.2.4 Soit Eet E0deux espaces vectoriels sur K. L’ensemble des applications lin´eaires de
Edans E0, not´e L(E, E0)est un espace vectoriel sur K.
Notations : On note L(E) = L(E, E), l’espace vectoriel des endomorphismes de E.
On note E=L(E, K), l’espace vectoriel des formes lin´eaires sur E;Eest appel´e le dual de E.
On note GL(E) l’ensemble des automorphismes de E.
3
Proposition 1.2.5 (GL(E),)est un groupe (en g´en´eral non commutatif) appel´e le groupe lin´eaire de
E
1.3 Bases
efinition 1.3.1 Une famille (xi)iId’´el´ements d’un espace vectoriel E est appel´e famille g´en´eratrice de
Esi tout ´el´ement de Es’´ecrit comme combinaison lin´eaire d’un nombre fini d’´el´ements de la famille ;
i.e. pour tout xE, il existe une partie finie JIet une famille (λj)jJd’´el´ements de Ktelles que
x=PjJλjxj.
efinition 1.3.2 Une famille (xi)iId’´el´ements d’un espace vectoriel E est appel´e famille libre de Esi
pour toute partie finie Jde Iet tout famille (λj)jJd’´el´ements de K
X
jJ
λjxj= 0 (jJ, λj= 0).
efinition 1.3.3 Une famille (xi)iId’´el´ements d’un espace vectoriel E est une base de Esi elle est
libre et g´en´eratrice.
Th´eor`eme 1.3.4 Une famille (xi)iId’´el´ements d’un espace vectoriel E est une base de Esi et seulement
si tout ´el´ement de Es’´ecrit de mani`ere unique comme combinaison lin´eaire d’un nombre fini d’´el´ements
de cette famille.
Th´eor`eme 1.3.5 Tout espace vectoriel Enon r´eduit au vecteur nul admet une base. Plus pr´ecisement,
soit Lune famille libre de Eet Gune famille g´en´eratrice contenant L, il existe une base Bde Etelle que
L ⊂ B ⊂ G.
De mˆeme que le th´eor`eme 1.6, ce th´eor`eme n´ecessite, en g´en´eral, l’application du lemme de Zorn.
Th´eor`eme 1.3.6 Soit Eet E0deux espaces vectoriels sur Ket fune application lin´eaire de Edans E0.
Soit (ei)iIune base de E, alors
1. fest injective si et seulement si (f(ei))iIest une famille libre de E0.
2. fest surjective si et seulement si (f(ei))iIest une famille g´en´eratrice de E0.
3. fest bijective si et seulement si (f(ei))iIest une base de E0.
1.4 Espaces vectoriels de dimension finie
efinition 1.4.1 Soit Eun espace vectoriel sur K. On dit que Eest de dimension finie si Eadmet au
moins une famille g´en´eratrice finie.
Th´eor`eme 1.4.2 Soit E6={0}un espace vectoriel de dimension finie. Alors tout famille libre de Eest
finie.
4
1 / 32 100%
La catégorie de ce document est-elle correcte?
Merci pour votre participation!

Faire une suggestion

Avez-vous trouvé des erreurs dans linterface ou les textes ? Ou savez-vous comment améliorer linterface utilisateur de StudyLib ? Nhésitez pas à envoyer vos suggestions. Cest très important pour nous !