ECS 2, Cours chapitre 8 Octobre 2010
Espaces vectoriels, applications linéaires, matrices
I Espaces vectoriels, combinaisons linéaires, familles de vecteurs
I.1 Premières définitions
I.1.a Axiomes
Kétant le corps des coefficients ou des scalaires, égal à Rou à C, un K-espace vectoriel (E, +, .)est défini par :
* un ensemble Edont les éléments sont souvent appelés “vecteurs”,
* une opération (ou loi de composition interne) +qui est :
-
associative :
∀u, v, w ∈E, (u+v) + w=u+ (v+w) = u+v+w
(on fait les opérations dans l’ordre qu’on veut).
-
commutative:
∀u, v ∈E, u +v=v+u
(on peut placer les vecteurs dans l’ordre qu’on veut).
-
possédant un élément neutre noté
0
ou
0
E
ou
−→
0
appelé vecteur nul
(∀u∈E, u + 0 = 0 + u=u).
-
tout élément
u
de E possède un opposé, noté
−u
(tel que
u+ (−u) = (−u) + u= 0
).
* une opération externe notée . , application de K×Edans E, qui au couple (λ, u)associe un vecteur v=λ.u :
-
pseudo-associative :
∀(λ, µ)∈K
2
,∀u∈E, λ.(µ.u) = (λ×µ).u
.
-
pseudo distributive à gauche :
∀(λ, µ)∈K
2
,∀u∈E, (λ+µ).u =λ.u +µ.u
.
-
pseudo distributive à droite :
∀λ∈K,∀(u, v)∈E
2
, λ.(u+v) = (λ.u) + (λ.v).
-
1 est un pseudo-élément neutre à gauche :
∀u∈E, 1.u =u.
Ces axiomes fixent les règles algébriques qui permettent de “gérer” les combinaisons linéaires...
I.1.b Combinaisons linéaires
Le vecteur wde Eest combinaison linéaire des vecteurs uet vde E(ou des vecteurs u
1
, u
2
, ..., u
n
de E) s’il existe un couple
(λ, µ)de K
2
, tel que : w=λ.u +µ.v. (ou un n-uplet (λ
1
, ...λ
n
)tel que w=
n
k=1
λ
k
u
k
) .
Théorème : une combinaison linéaire de combinaisons linéaires est une combinaison linéaire.
Si w
′
=
n
k=1
λ
′
k
u
k
et w
′′
=
n
k=1
λ
′′
k
u
k
alors αw
′
+βw” = α
n
k=1
λ
′
k
u
k
+β
n
k=1
λ
′′
k
u
k
=
n
k=1
(αλ
′
k
+βλ
′′
k
)u
k
I.1.c Espaces vectoriels de référence
Historiquement, il faut citer les espaces de vecteurs
V
, associés aux espaces “affines” en géométrie (à tout couple de points
(A, B)
, on
associe un vecteur
−→
AB
). Cet exemple est utile pour faire des “dessins” sur des questions relatives aux vecteurs !
On évoquera juste le rôle stratégique de l’étude des vecteurs ou des champs de vecteurs en Physique. En économie, il y a aussi beaucoup de
situations qui obéissent à des “règles linéaires”, dès qu’il y a “proportionnalité”...
Il y a l’ensemble
K
n
des
n
-uplets
(a
1
, a
2
, ..., a
n
)
, ou l’espace
M
n,p
(K)
des matrices
n×p
muni des opérations + et . classiques.
Il y a l’ensemble
K[X]
des polynômes à une indéterminée à coefficients dans
K
, ( muni des opérations + et . ).
Il y a tous les espaces des applications
F(A, K)
d’un ensemble quelconque
A
dans l’ensemble
K
, (exemple :
F(R,R)
, ensemble des
fonctions numériques définies sur
R
ou
F([a, b],R)
, ensemble des fonctions définies sur
[a, b]
,
F(N,R)
ensemble des suites numériques
réelles....et les espaces des applications
F(A, E)
d’un ensemble
A
dans un
K
-espace vectoriel
E
Les opérations sont définies ainsi :
- si
f, g ∈ F(A, K)
ou
F(A, E)
,
f+g
est l’application définie sur
A
par :
x→ f(x) + g(x)
(on ajoute dans
K
ou
E
).
- si
f∈ F(A, K)
ou
F(A, E)
,
λ∈K, λ.f
est définie sur
A
par :
x→ λ×f(x)
(la multiplication se passe dans
K
ou
E
).
I.1.d Sous-espaces vectoriels
Si Fsous-ensemble de E,Fest un sous-espace vectoriel si Fest non vide et stable pour + et . :
1.∀(u, v)∈F
2
, u +v∈F; 2.∀(λ, u)∈K×F, λ.u ∈F
ou encore stable pour les combinaisons linéaires : ∀(u, v)∈F
2
,∀(λ, µ)∈K
2
, λ.u +µ.v ∈F
Remarque :
dans 99 % des cas, pour démontrer qu’un ensemble, muni d’opérations + et . , possède une structure d’espace vectoriel, on
démontre que c’est un sous-espace vectoriel d’un espace vectoriel
E
classique. Vérifier que ce sous-espace est non vide, c’est vérifier qu’il
contient le vecteur nul “
0
E
”
. Quelques exemples :
- les espaces
C
n
([a, b],R)
sont des sous-espaces vectoriels de
F([a, b],R)
.
- l’ensemble des suites numériques vérifiant une relation de récurrence linéaire (simple, double, multiple).
- l’ensemble
K
n
[X]
des polynômes de
K[X]
de degrés inférieurs ou égaux à
n.
- si
(Ω,F, P )
est un espace probabilisé, l’ensemble des variables aléatoires reélles est un sous-espace vectoriel de l’espace vectoriel
F(Ω,R)
des applications de
Ω
vers
R
(idem avec les vecteurs aléatoires).
- l’ensemble des solutions d’un système linéaire homogène de
n
équations à
p
inconnues (sous-espace de
K
p
).
I.2 Familles de vecteurs
I.2.a Sous-espace vectoriel Vect(u
i
)
i∈I
=<(u
i
)
i∈I
>engendré par une famille (u
i
)
i∈I
Théorème : Si (u
i
)
i∈I
est une famille (finie ou infinie) de vecteurs du K-espace vectoriel E, l’ensemble de toutes les combi-
naisons linéaires de vecteurs de la famille est un sous-espace vectoriel Fnoté aussi Vect(u
i
)
i∈I
ou <(u
i
)
i∈I
>.
Luc Bouttier, Lycée Camille Vernet, Valence