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Algèbre linéaire Matrice de changement de base
Composantes et changement de base
Si B=
e1,
e2,...,
enest une base et
vV, alors
vs’écrit de manière
unique comme combinaison linéaire des éléments de B:
v=v1
e1+v2
e2+· · · +vn
en
Définition
Les coefficients (v1,...,vn)sont appelés les composantes de
vdans la
base B. On notera généralement (v)Bla colonne formée de ces nombres :
(v)B=
v1
.
.
.
vn
.
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Algèbre linéaire Matrice de changement de base
Composantes et changement de base
Si B=
e1,
e2,...,
enet B0=n
e0
1,
e0
2,...,
e0
nosont des bases, on peut
écrire chaque élément de la seconde base B0comme combili des éléments
de la base B(puisque Best une base), c’est-à-dire qu’il existe des
constantes Mij avec :
e0
1=M11
e1+M21
e2+· · · Mn1
en
.
.
.
e0
n=M1n
e1+M2n
e2+· · · Mnn
en
On peut écrire les relations ci-dessus sous la forme condensée :
e0
j=
n
X
i=1
Mij
ei.
Les nombres Mij (les composantes de la base B0dans la premiere base B)
peuvent se ranger dans une matrice, appelée la matrice de changement de
base de BàB0:
M=
M11 . . . M1n
.
.
.....
.
.
Mn1. . . Mnn
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Algèbre linéaire Matrice de changement de base
Composantes et changement de base
Considérons maintenant trois bases : B,B0et B. Notons Mla matrice de
changement de la base BàB0, notons M0celle passant de B0àB, et notons
enfin Mla matrice passant de BàB.
On a :
e0
j=
n
X
i=1
Mij
eiet
e00
j=
n
X
i=1
M0
ij
e0
iet
e00
j=
n
X
i=1
M00
ij
ei
donc nous pouvons exprimer les composantes des éléments de B00 dans la toute
première base B:
e00
j=
n
X
k=1
M00
kj
ek=
n
X
i=1
M0
ij
e0
i=
n
X
i=1
M0
ij
n
X
k=1
Mki
ek=
n
X
k=1 n
X
i=1
Mki M0
ij !
ek.
On en déduit donc :
M00
kj = n
X
i=1
Mki M0
ij !.
ce qui apparait comme un produit matriciel.On peut donc écrire matriciellement :
Résultat
M” = MM0.
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Algèbre linéaire Matrice de changement de base
Composantes et changement de base
Considérons maintenant le cas particulier où B=B00 (la troisième base est
en fait la première), alors M00 a une forme particulière. En effet l’équation
e00
j=
n
X
i=1
M00
ij
ei.
se ré-écrit
ej=
n
X
i=1
M00
ij
ei.
(puisqu’en fait
e00
j=
ej). Il faut donc M00
jj =1 et M00
ij =0 lorsque i6=j
(car
ejne peut pas s’écrire comme combili des autres
ei). Une telle
matrice n’est autre que la matrice identité. Or cette matrice vaut aussi le
produit MM0. On peut en fait prouver le résultat suivant :
Corollaire
Une matrice de changement de base est inversible.
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Algèbre linéaire Matrice de changement de base
Composantes et changement de base
Démonstration.
Nous avons montré que lorsque B=B00 , la matrice de changement de base M00
est égale à la matrice identité, or, MM0=M00 , donc MM0=Id, ce qui prouve
que M0est l’inverse de M, donc que Mest inversible.
Nous avons le résultat suivant qui vient préciser le corollaire précédent :
Théorème
Soit B = (
e1,...,
en)une base, et soit B0= (
f1,...,
fn)un n-uple de
vecteurs. Soit M la matrice dont les coefficients sont les composantes des
éléments de B0dans la base B :
fj=
n
X
i=1
Mij
ei.
Alors B0est une base si et seulement si M est inversible.
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