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
(uE, 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
,uE, λ.(µ.u) = (λ×µ).u
.
-
pseudo distributive à gauche :
(λ, µ)K
2
,uE, (λ+µ).u =λ.u +µ.u
.
-
pseudo distributive à droite :
λK,(u, v)E
2
, λ.(u+v) = (λ.u) + (λ.v).
-
1 est un pseudo-élément neutre à gauche :
uE, 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)
,
λK, 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 +vF; 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
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
)
iI
=<(u
i
)
iI
>engendré par une famille (u
i
)
iI
Théorème : Si (u
i
)
iI
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
)
iI
ou <(u
i
)
iI
>.
Luc Bouttier, Lycée Camille Vernet, Valence
ECS 2, Cours chapitre 8 Espaces vectoriels, applications linéaires, matrices 2
Démonstration :
un tel espace est stable par combinaisons linéaires.
Exemples :
très souvent, on repère un sous-espace vectoriel (de dimension finie) comme un ensemble de combinaisons linéaires.
I.2.b Famille génératrice
On dit que ce sous-espace vectoriel F= Vect(u
i
)
iI
, ensemble de toutes les combinaisons linéaires de vecteurs de la famille,
est engendré par (u
i
)
iI
ou encore que la famille (u
i
)
iI
est une famille génératrice de F.
Dans le cas de la famille finie (u
1
, u
2
, ..., u
n
), cela s’écrit :
wVect(u
1
, u
2
, ..., u
n
) = u
1
, u
2
, ..., u
n
 ⇔ ∃(λ
1,
λ
2
, ..., λ
n
)K
n
tel que w=λ
1
u
1
+λ
2
u
2
+... +λ
n
u
n
Exemples :
l’ensemble des polynômes de
K[X]
de degrés inférieurs ou égaux à
n
est
K
n
[X] = Vect(1, X, X
2
, ..., X
n
)
,
l’ensemble des matrices symétriques, de la forme
a
b
b
d
(a, b, d K),
est
S
2
(K)
=
Vect 
1
0
0
0
,
0
1
1
0
,
0
0
0
1
,
I.2.c Familles libres
La famille finie (u
1
, u
2
, ..., u
n
)de nvecteurs de Eest libre,
ou encore les nvecteurs u
1
, u
2
, ..., u
n
sont linéairement indépendants si :
La combinaison linéaire nulle λ
1
u
1
+λ
2
u
2
+... +λ
n
u
n
= 0
E
ne peut être obtenue que si λ
1
=... =λ
n
= 0 .
Ou encore l’équation λ
1
u
1
+λ
2
u
2
+... +λ
n
u
n
= 0
E
a pour unique solution λ
1
=λ
2
=... =λ
n
= 0.
La famille “infinie” (u
i
)
iI
est une famille libre, si toute famille finie extraite de (u
i
)
iI
est libre.
I.2.d Familles liées
La famille finie (u
1
, u
2
, ..., u
n
)de vecteurs de Eest liée si n’est pas libre, ou encore si les vecteurs u
1
, u
2
, ..., u
n
sont linéaire-
ment dépendants, c’est à dire aussi si :
l’un (au moins) des vecteurs de la famille est combinaison linéaire des autres vecteurs de la famille. C’est à dire
j∈ {1, ..., n},(a
1
, ..., a
j1
, a
j+1
, ..., a
n
)K
n1
tel que u
j
=a
1
u
1
+... +a
j1
u
j1
+a
j+1
u
j+1
+... +a
n
u
n
Démonstration :
- si
(u
1
, u
2
, ..., u
n
)
est liée, l’égalité :
u
j
=a
1
u
1
+... +a
j1
u
j1
+a
j+1
u
j+1
+... +a
n
u
n
fournit un
n
-uplet
(λ
1
, ..., λ
n
) =
(a
1
, ..., a
j1
,1, a
j+1
, ..., a
n
)
différent de
(0, ..., 0)
tel que :
λ
1
u
1
+λ
2
u
2
+... +λ
n
u
n
= 0
E
.
- si
λ
1
u
1
+λ
2
u
2
+... +λ
n
u
n
= 0
E
et
(λ
1
, ..., λ
n
)= (0, ..., 0)
,
k∈ {1, ..., n}
tel que
λ
k
= 0
, on a une relation de dépendance
linéaire :
u
k
=
λ
1
λ
k
u
1
λ
k1
λ
k
u
k1
λ
k+1
λ
k
u
k+1
...
λ
n
λ
k
u
n
, la famille est donc liée.
Remarque :
Si la famille
(u
i
)
iI
est libre et si
JI
, alors la famille extraite
(u
i
)
iJ
est libre ;inversement
(u
i
)
iJ
liée
(u
i
)
iI
liée.
Il suffit de voir qu’une combinaison linéaire de vecteurs de la famille extraite
(u
i
)
iJ
peut être prolongée en une combinaison linéaire de
vecteurs de la famille
(u
i
)
iI
en ajoutant des coefficients nuls aux autres vecteurs.
I.2.e Base
Une base (u
1
, u
2
, ..., u
n
)de l’espace vectoriel Eest une famille libre et génératrice.
Tout vecteur de Epeut s’écrire de façon unique comme combinaison linéaire des vecteurs de la famille :
wE, !(λ
1
, λ
2
, ..., λ
n
)K
n
tel que w=λ
1
u
1
+λ
2
u
2
+... +λ
n
u
n
.
Ce n-uplet s’appelle “les coordonnées ou les composantes” du vecteur wdans la base (u
1
, u
2
, ..., u
n
).
Plus généralement une base (u
i
)
iI
(Iquelconque, fini ou infini) de l’espace vectoriel Eest une famille libre et génératrice : à
tout vecteur wde Ecorrespond une famille de coordonnées ou composantes (λ
i
)
iI
mais dans ces coordonnées seul un nombre
fini de λ
i
n’est pas nul, car on travaille toujours avec des “combinaisons linéaires finies”.
Exemple : (1, X, X
2
, ..., X
n
, ...)
est une base de
K(X)
, un polynôme est une somme finie de monomes.
I.2.f Calculs sur les coordonnées ou composantes
Si B= (u
1
, ..., u
n
)est une base de l’espace vectoriel E, à tout vecteur vde E, qui s’écrit sous la forme x
1
u
1
+... +x
n
u
n
correspond des coordonnées : v
x
1
¨x
n
de M
n,1
(K)( ou (x
1
, ..., x
n
)de K
n
) .
Il y a “unicité” des coordonnées : si v
x
1
¨x
n
, w
y
1
...
y
n
,v=w⇔ ∀i∈ {1, ..., n}, x
i
=y
i
.
et λv +µw a pour coordonnées:λ
x
1
¨x
n
+µ
y
1
...
y
n
=
λx
1
+µy
1
λx
n
...
+µy
n
I.3 Opérations sur les sous-espaces vectoriels
I.3.a Intersection
Théorème : si (F
k
)
kI
est une famille de sous-espaces vectoriels de l’espace vectoriel E, alors l’intersection
kI
F
k
des
sous-espaces vectoriels de la famille (finie ou infinie) est un sous espace vectoriel.
Démonstration immédiate :
si des vecteurs appartiennent à tous les sous-espaces, une combinaison linéaire de ces vecteurs appartient à
chacun des sous espaces vectoriels stable par combinaison linéaire.
Remarque sur la réunion :
si
F
1
et
F
2
sont deux sous-espaces vectoriels, alors leur réunion n’est pas un sous-espace vectoriels, (sauf s’il
y a une relation d’inclusion entre les deux sous-espaces).
Luc Bouttier, Lycée Camille Vernet, Valence.
ECS 2, Cours chapitre 8 Espaces vectoriels, applications linéaires, matrices 3
En effet si
u
est un vecteur de
F
1
qui n’est pas dans
F
2
et
v
est un vecteur de
F
2
qui n’est pas dans
F
1
la somme
s=u+v
des deux
vecteurs n’est pas dans
F
1
(sinon
v=su
serait dans
F
1
) ni dans
F
2
.
I.3.b Somme de sous-espaces vectoriels
Si F
1
et F
2
sont deux sous-espaces vectoriels de E, la somme des sous-espaces F
1
+F
2
=Sest l’ensemble des vecteurs vqui
s’écrivent sous la forme : v=v
1
+v
2
, avec (v
1
, v
2
)F
1
×F
2
.
On obtient une famille génératrice de F
1
+F
2
=Sen juxtaposant des familles génératrices ou des bases de F
1
et F
2
.
Plus généralement, si F
1
,F
2
,..., F
n
sont nsous-espaces vectoriels, on définit une somme F
1
+... +F
n
=Sen prenant tous
les vecteurs vqui sont des sommes v
1
+... +v
n
de vecteurs appartenant respectivement à F
1
, ..., F
n
.
Une famille génératrice de Ss’obtient par juxtaposition de familles génératrices (ou de bases) de F
1
, ..., F
n
.
I.3.c Somme directe de sous-espaces vectoriels
1. Somme directe de 2 sous-espaces
Il y a unicité dans la décomposition v=v
1
+v
2
d’un vecteur de F
1
+F
2
si et seulement si F
1
F
2
={0
E
}.
On dit dans ce cas que la somme F
1
+F
2
est directe, on écrit : F
1
+F
2
=F
1
F
2
.
2. Somme directe de nsous-espaces
Plus généralement la somme S
n
=F
1
+F
2
+... +F
n
est directe s’il y a unicité de la décomposition de tout vecteur vde S
n
en somme de vecteurs de F
1
,F
2
, ..., F
n
et on écrit dans ce cas : S
n
=F
1
F
2
... F
n
.
Règle :S
n
=F
1
+F
2
+... +F
n
est directe S
n1
=F
1
+F
2
+... +F
n1
est directe et S
n1
+F
n
est directe.
Démonstration :
on applique la définition à un vecteur
v
de
S
n1
+F
n
, qui s’écit de façon unique sous la forme
v=s
n1
+v
n
puis à
s
n1
qui s’écrit de façon unique sous la forme
s
n1
=v
1
+... +v
n1
.
Donc on a une décomposition unique
v= (v
1
+... +v
n1
) + v
n
=v
1
+... +v
n1
+v
n
.
Conséquences :
S=F
1
+... +F
n
est directe toute famille (v
1
, ..., v
n
)de vecteurs non nuls de F
1
×... ×F
n
est libre.
La propriété est vraie pour
n= 2
et on la suppose vraie jusqu’au rang
(n1
) : on pose
w
=a
1
v
1
+...+a
n1
v
n1
, avec
w
S
n1
,
et
w=w
+a
n
v
n
S
n
. La somme
S
n1
+F
n
est directe
(
w= 0
E
w
= 0
E
et
a
n
v
n
= 0
E
), donc en utilisant l’hypothèse
de récurrence, cela équivaut à :
a
1
v
1
= 0
E
,
...
,
a
n1
v
n1
= 0
E
et
a
n
v
n
= 0
E
. D’où la conclusion.
S=F
1
+...+F
n
est directe une base de Ss’obtient par juxtaposition de bases de F
1
, .., F
n
.
La propriété a été établie dans le cas
n= 2
, elle s’étend par récurrence à une somme de
n
sous-espaces.
I.3.d Sous-espaces vectoriels supplémentaires
Définition :F
1
et F
2
sont deux sous-espaces vectoriels supplémentaires du K-espace vectoriel Esi et seulement si la somme
F
1
+F
2
est directe et égale à E.
Cela implique que F
1
F
2
={0
E
}. On a encore la propriété caractéristique suivante : tout vecteur ude Ese décompose de
façon unique sous forme d’une somme d’un vecteur u
1
de F
1
et d’un vecteur u
2
de F
2
,u=u
1
+u
2
.
I.4 Espace vectoriel de dimension finie
I.4.a Nombres d’éléments d’une famille
1
libre et d’une famille génératrice
Un espace vectoriel Eest de dimension finie s’il possède une famille génératrice finie.
Théorème : On peut construire une base de Een partant d’une famille génératrice finie (u
1
, u
2
, ...., u
n
) :
- si la famille (u
1
, u
2
, ...., u
n
)est libre, on a une base, il n’ y a rien de plus à faire.
- sinon, l’un des vecteurs, u
k
par exemple, peut s’écrire comme combinaison linéaire des autres vecteurs de la famille et
Vect(u
1
, u
2
, ..., u
n
) = Vect(u
1
, ..., u
k1
, u
k+1
, ..., u
n
): dans toute combinaison linéaire de u
1
, u
2
, ..., u
n
on peut remplacer u
k
par son expression en fonction de u
1
, ..., u
k1
, u
k+1
, ..., u
n
,donc (u
1
, ..., u
k1
, u
k+1
, ..., u
n
)est génératrice
- on enlève des vecteurs jusqu’à ce qu’on obtienne “une famille génératrice minimale”, n’étant pas liée, c’est une base.
Théorème : si G= (u
1
, ..., u
p
)est une famille génératrice et L= (v
1
, ..., v
r
)est libre de E, alors |G|=p≥ |L|=r.
Démonstration :
on écrit
v
1
=
p
k=1
α
k
u
k
(
G
est génératrice), les coefficients
α
k
n’étant pas tous nuls (
v
1
= 0
car
L
est libre). On
suppose (quite à changer l’ordre des éléments de
G)
que
α
1
= 0
: on a alors
u
1
=
1
α
1
v
1
p
k=2
α
k
α
1
u
k
.
La famille
G
1
= (v
1
, u
2
, ..., u
p
)
est génératrice car (en remplaçant
u
1
) une combinaison linéaire de
u
1
, ..., u
p
est une combinaison linéaire de
v
1
, u
2
, ..., u
p
..
Si
p= 1
, c’est fini, sinon on continue : on suppose que
G
h
= (v
1
, ..., v
h
, u
h+1
, ..., u
p
)
est génératrice (
h < p
et
h < r).
On peut écrire
v
h+1
=
h
k=1
α
k
v
k
+
p
k=h+1
α
k
u
k
, les coefficients
α
h+1
, ..., α
p
n’étant pas tous nuls (
L
est libre
v
h+1
/Vect (v
1
, ...v
h
)
)
et en supposant (quitte à permuter les
ph
derniers vecteurs) que
α
h+1
= 0,
on remplacera dans une combinaison linéaire des éléments de
1
On utilise le mot famille d’éléments lorsque les éléments sont repérés par des indices iI. Ici IN
,cette famille est en quelque sorte une suite
(finie ou infinie).
Luc Bouttier, Lycée Camille Vernet, Valence
ECS 2, Cours chapitre 8 Espaces vectoriels, applications linéaires, matrices 4
G
h
, u
h+1
=
h
k=1
α
k
α
h+1
v
k
+
1
α
h+1
v
h+1
p
k=h+2
α
k
α
h+1
u
k
,
on obtiendra une famille génératrice
G
h+1
.
Si
r > p
alors
(v
1
, ..., v
p
)
est libre et génératrice donc une base :
v
p+1
, ..., v
r
s’expriment comme combinaisons linéaires de
v
1
, ..., v
p
et
la famille
(v
1
, ..., v
r
)
est liée ! Ceci contredit l’hypothèse, donc
rp
.
Et si
rp,
les substitutions s’arrêtent lorsque
h=r,
la famille
(v
1
, ..., v
r
, u
r+1
, ..., u
p
)
étant génératrice, d’où le théorème
I.4.b Dimension d’un espace vectoriel
Théorème de la dimension
Si Epossède une base (e
1
, ..., e
n
)de nvecteurs, toute autre base a nécessairement nvecteurs et ce nombre ns’appelle la
dimension de Eet se note dim(E).
Et si dim(E) = n, alors toute famille libre a au plus nvecteurs ;si elle possède nvecteurs, c’est une base ;
toute famille génératrice a au moins nvecteurs ;si elle possède nvecteurs, c’est une base.
Démonstration :
Si on a 2 bases
B
1
= (e
1
, ..., e
p
)
et
B
2
= (v
1
, ..., v
r
)
de
E,
l’une des familles étant une famille génératrice l’autre étant
une base, d’après le théorème précédent on aura à la fois
pr
et
rp
en inversant les rôles, donc
p=r.
Il faut connaître les bases canoniques et dimension de K
n
,et K
n
[X].
Théorème de la base incomplète
Une famille libre (u
1
, u
2
, ..., u
r
)d’un espace vectoriel de dimension npeut-être complétée en une base de E.
- Si
r=n
, on a une base (théorème de la dimension).
- sinon il y a au moins un vecteur
w
de
E
qui n’est pas combinaison linéaire de
u
1
, ..., u
r
:
w /Vect(u
1
, ..., u
r
)
.
On pose alors
u
r+1
=w
, la famille
(u
1
, u
2
, ..., u
r
, u
r+1
)
est libre et on recommence, si
r+ 1 < n
en choisissant un vecteur
u
r+2
/
Vect(u
1
, ..., u
r+1
)
jusqu’à ce qu’on obtienne une famille libre “maximale”
(u
1
, ..., u
n
)
.
I.4.c Sous-espaces vectoriels supplémentaires
Théorème : tout sous-espace vectoriel Fde dimension pde l’espace vectoriel Ede dimension npossède (au moins) un
supplémentaire Gde dimension np.
Si
F
est un sous-espace vectoriel de
E,
si
(v
1
, ..., v
p
)
est une base de
F,
la famille libre
(v
1
, ..., v
p
)
de vecteurs de
E
peut être prolongée
en une base
(v
1
, ..., v
n
)
de
E(
cf. théorème de la base incomplète
) :
si
n > p,
la famille
(v
p+1
, ..., v
n
)
engendre un sous-espace vectoriel
G
supplémentaire de
F
dans
E
: tout vecteur de
E
s’écrit de façon unique :
u=
n
k=1
α
i
v
i
=
p
k=1
α
i
v
i
+
n
k=p+1
α
i
v
i
=u
1
+u
2
,
avec
u
1
=
p
k=1
α
i
v
i
F
et
u
2
=
n
k=p+1
α
i
v
i
G
(remarque :
dim (G) = np).
Théorème : en juxtaposant des bases des sous-espaces supplémentaires F
et F
′′
de E, on obtient une base de E.
Si
F
et
F
′′
sont supplémentaires, si
e
1
, ..., e
p
est une base de
F, e
′′
1
, ..., e
′′
q
est une base de
F
′′
,
par unicité de la décomposition d’un
vecteur quelconque
u
de
E=F
F
′′
en une somme
u
+u
′′
,
telle que
(u
, u
′′
)F
×F
′′
,
puis de
u
et
u
′′
en combinaison linéaires
de
e
1
, ..., e
p
et
e
′′
1
, ..., e
′′
q
,
on obtient une décomposition unique de
u
en combinaison linéaire des vecteurs de
e
1
, ..., e
p
, e
′′
1
, ..., e
′′
q
qui est
une base de
E
et
dim (E) = p+q.
Réciproque
, si
(e
1
, ..., e
n
)
est une base de
E
et
p∈ {1, ..., n},Vect (e
1
, ..., e
p
)
et
Vect (e
p+1,
..., e
n
)
sont supplémentaires.
I.4.d Dimension d’une somme de sous-espaces vectoriels
Théorème : si F
1
et F
2
sont des sous-espaces vectoriels, dim(F
1
+F
2
) = dim(F
1
) + dim(F
2
)dim(F
1
F
2
)
Démonstration :
si
F
1
et
F
2
sont de dimensions finies
p
et
q
, on construit une base de
F
1
+F
2
de la façon suivante :
- On choisit une base de
F
1
F
2
:
(u
1
, ..., u
k
)
.
- On complète cette base
(u
1
, ..., u
k
)
en ajoutant des
(pk)
vecteurs
u
k+1
, ..., u
p
pour obtenir une base
(u
1
, ..., u
p
)
de
F
1
.
- On complète aussi la base
(u
1
, ..., u
k
)
en ajoutant des
(qk)
vecteurs
u
p+1
, ..., u
q+pk
pour obtenir une base de
F
2
.
Les
p+qk
vecteurs ainsi obtenus forment une famille libre d’une part et engendre
F
1
+F
2
: c’est une base de
F
1
+F
2
.
Conséquences
·La somme F
1
+F
2
est directe dim(F
1
F
2
) = 0 dim(F
1
+F
2
) = dim(F
1
) + dim(F
2
).
·Les sous-espaces F
1
et F
2
de Esont supplémentaires dim(F
1
F
2
) = 0 et dim(F
1
) + dim(F
2
) = dim (E).
·Plus généralement F
1
+... +F
n
est directe dim(F
1
+F
2
+... +F
n
) = dim(F
1
) + dim(F
2
) + ... + dim(F
n
).
En effet une famille génératrice de
S
s’obtient par juxtaposition de bases de
F
1
, .., F
n
,
et cette famille est libre si et seulement si la somme
est directe par unicité des décompositions en somme de vecteurs de
F
1
, .., F
n
,
et en combinaison linéaire d’éléments de
S.
Remarque : dim(F
1
+... +F
n
)dim(F
1
) + ... + dim(F
n
), il y a égalité si et seulement si la somme est directe.
Je ne donne pas de théorème sur la dimension de la somme de plusieurs sous-espaces vectoriels, il n’y a rien de simple.
Luc Bouttier, Lycée Camille Vernet, Valence.
ECS 2, Cours chapitre 8 Espaces vectoriels, applications linéaires, matrices 5
II Applications linéaires
II.1 Généralités
II.1.a Définition
Une application φdu K-espace vectoriel Evers le K-espace vectoriel est dite linéaire (ou K-linéaire) si :
(u, v)E
2
, φ(u+v) = φ(u) + φ(v) ; (λ, u)K×E, φ(λ.u) = λ.φ(u).
ou encore ce qui est équivalent, (u, v)K
2
,(λ, µ)E
2
, φ(λ.u +µ.v) = λφ(u) + µφ(v).
Cas particulier : si F=K, on dit aussi que φest une “forme linéaire”.
Exemples :
Parmi les situations innombrables, on peut citer par exemple une application de
K
3
vers
K
2
qui au triplé
(a, b, c)
fait
correspondre le couple
(a+c, a+b3c)
. On peut citer en géométrie des transformations sur les “vecteurs” associées à des transformations
du plan (exemple à une rotation du plan de centre
C
, d’angle
α
correspond une rotation des vecteurs d’angle
α
, à une projection des points du
plan sur la droite
D
correspond à une projection des vecteurs sur une droite vectorielle).
De
K[X]
vers
K[X]
, étant donné un polynôme
P
0
,
on peut citer les applications
Φ : P→ Q
et
Ψ : P→ R
, qui associent au polynôme
P
, le quotient et le reste de
P
dans la division enclidienne par
P
0
.
Dans les espaces de fonctions, on peut citer des opérations telles que la dérivation ;si on associe à une fonction l’intégrale de cette fonction
sur un segment
[a, b]
, on a une “forme linéaire”.
II.1.b Images et images réciproques d’un sous-espace
Théorème 1 : L’image d’un espace vectoriel E(resp. d’un sous-espace vectoriel E
de E) par une application linéaire φde E
vers Fest un sous-espace vectoriel Im(φ) = φ(E)de F(resp. φ(E
)).
En particulier si E= Vect(u
1
, u
2
, ..., u
p
)alors Im(φ) = φ(E) = Vect(φ(u
1
), φ(u
2
), ..., φ(u
p
)).
Démonstration
: si
v
et
v
′′
appartiennent à l’image de
E
ou
E
, alors il existe
u
,
u
′′
E
(ou
E
) tels que
v
=φ(u
)
et
v
′′
=φ(u
′′
)
.
Donc
α
v
+α
′′
v
′′
est une image car
α
v
+α
′′
v
′′
=α
φ(u
)+α
′′
φ(u
′′
) = φ(α
u
+α
′′
u
′′
)
est l’image de
u=α
u
+α
′′
u
′′
vecteur de
E
ou
E
. En particulier
w
combinaison linéaire de
u
1
, u
2
, ..., u
p
son image s’écrit comme combinaison linéaire de
φ(u
1
), φ(u
2
), ..., φ(u
p
)
(avec les mêmes coefficients).
Théorème 2 : L’image réciproque d’un espace vectoriel F(resp. d’un sous-espace vectoriel F
de F) par une application
linéaire φde Evers Fest un sous-espace vectoriel φ
1
(F)de E(resp φ
1
(F
)).
En particulier si F
={0
F
}, l’image réciproque s’appelle le noyau de φ, et se note Ker(φ).
Démonstration
: Si
u
et
u
′′
φ
1
(F
)
, image de réciproque de
F
, les images
v
=φ(u
)
et
v
′′
=φ(u
′′
)
sont dans
F
.
Si
(α, α
)K
2
, v =a
v
+a
′′
v
′′
F
et
v=α
φ(u
)+α
′′
φ(u
′′
) = φ(α
u
+α
′′
u
′′
)
est l’image de
u=α
u
+α
′′
u
′′
φ
1
(F
)
.
Si
u
et
u
′′
Ker(φ)
alors
φ(α
u
+α
′′
u
′′
) = α
φ(u
)+α
′′
φ(u
′′
) = α
0
E
+α
′′
0
E
= 0
E
donc
(α
u
+α
′′
u
′′
)Ker(φ).
Théorème 3 : Application linéaires φde Evers Finjectives, surjectives, bijectives :
1. L’application linéaire φest surjective si et seulement Im(φ) = F.
(u
1
, ..., u
p
, ...)étant une base de E:φsurjective Im(φ) = F(φ(u
1
), ..., φ(u
p
), ...)est une famille génératrice de F.
2. L’application linéaire φest injective si et seulement Ker(φ)est réduit à {0
E
}.
(u
1
, ..., u
p
, ...)étant une base de E:φinjective Ker(φ) = {0
E
} ⇔ (φ(u
1
), ..., φ(u
p
), ...)est une famille libre de F.
3. L’application linéaire φest bijective Im(φ) = Fet Ker(φ)est réduit à {0
E
}.
(u
1
, ..., u
p
, ...)étant une base de E:φbijective (φ(u
1
), ..., φ(u
p
), ...)est une base de F.
Démonstration :
1. Chercher l’antécédent du vecteur
v
de
F
dans
E
revient à chercher ses coordonnées
(x
1
, ..., x
p
)
dans la base
(u
1
, ..., u
p
)
: on a alors
v=x
1
φ(u
1
) + ... +x
p
φ(u
p
)
et on conclut avec la définition d’une surjection ou d’une famille génératrice
...
2. Si
vF
possède déjà un antécédent
u,
alors :
φ(u) = φ(u
)φ(uu
) = 0
F
uu
Ker(φ).
Donc
φ
est injective
il y a unicité de l’antécédent de n’importe quel vecteur
vKer(φ) = {0
E
}.
Inversement si
u
0
Ker(φ)
alors
φ(u+u
0
) = φ(u) + φ(u
0
) = φ(u)
, donc le vecteur
v=φ(u)
a pour antécédent tout vecteur qui
s’écrit
u
=u+u
0
avec
u
0
Ker (φ)
Isomorphismes et dimension
Si Eet Fsont deux espaces vectoriels, tels que dim(E) = pet dim(F) = n, il ne peut y avoir de bijection linéaire φde E
vers Fque si n=p, puisque l’image d’une base de Eest une base de F.
Si dim (E) = dim (F),alors d’après le théorème de la dimension, il y a équivalence
φinjectiveφsurjectiveφbijective car (φ(u
1
),...,φ(u
p
)) libre(φ(u
1
),...,φ(u
p
)) génératrice(φ(u
1
),...,φ(u
p
)) libre.
L’application de Evers K
n
ou M
n,1
(K)qui associe au vecteur uses coordonnées dans une base est un isomorphisme.
II.2 Différents types de morphismes
II.2.a Notations
On désigne par L
K
(E, F )l’ensemble des applications linéaires de Evers F, ou morphismes d’espaces vectoriels [on dit aussi
homomorphismes, ce sont des notions très “structuralistes”]
Luc Bouttier, Lycée Camille Vernet, Valence
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