Chapitre II. Indépendance linéaire, bases (version uplet). Marc de

Chapitre II. Ind´ependance lin´eaire, bases (version uplet).
Marc de Crisenoy
Convention: dans tout le cours, Kesigne un corps commutatif. (En pratique K=Q,Rou C).
D´ef. 1. Soit Eun K-ev. Soit nN. Soit (x1, . . . , xn)En.
On dit que (x1, . . . , xn) est libre si (λ1, . . . , λn)Kn n
X
i=1
λixi= 0E=⇒ ∀i∈ {1, . . . , n}λi= 0K!.
Rq. 2. Soit Eun K-ev. Soit nN. Soient x1, . . . , xnE. Alors les assertions suiv-
antes sont ´equivalentes:
i) (x1, . . . , xn) est libre,
ii) (α1, . . . , αn),(β1, . . . , βn)Kn n
X
i=1
αixi=
n
X
i=1
βixi=⇒ ∀i∈ {1, . . . , n}αi=βi!.
D´ef. 3. Soit Eun K-ev. Soit nN. Soit (x1, . . . , xn)En. On dit que (x1, . . . , xn)
est li´e s’il n’est pas libre.
Rq. 4. Soit Eun K-ev. Soit nN. Soient x1, . . . , xnE.
Alors (x1, . . . , xn) est li´e ssi il existe (λ1, . . . , λn)Kn\ {(0K,...,0K)}tel que
n
X
i=1
λixi= 0E.
Rq. 5. Soit Eun K-ev. Soit nN. Soient x1, . . . , xnE.
a) Soit σune permutation de {1, . . . , n}. Alors:
i) (xσ(1), . . . , xσ(n)) est libre ssi (x1, . . . , xn) est libre.
ii) (xσ(1), . . . , xσ(n)) est li´e ssi (x1, . . . , xn) est li´e.
b) On suppose que (x1, . . . , xn) est li´e. Soit kN. Soient xn+1, . . . , xn+kE. Alors
(x1, . . . , xn+k) est li´e.
c) On suppose que (x1, . . . , xn) est libre. Soit mN.
i) On suppose que mn. Alors (x1, . . . , xm) est libre. Plus g´en´eralement:
ii) Soient i1, . . . , im∈ {1, . . . , n}deux `a deux distincts (cela implique que mn). Alors
(xi1, . . . , xim) est libre.
Rq. 6. Soit Eun K-ev. Soit nN. Soient x1, . . . , xnE.
a)i) S’il existe i∈ {1, . . . , n}tel que xi= 0E, alors (x1, . . . , xn) est li´e.
ii) Si (x1, . . . , xn) est libre, alors i∈ {1, . . . , n}xi6= 0E.
b)i) S’il existe i, j ∈ {1, . . . , n}distincts tels que xi=xj, alors (x1, . . . , xn) est li´e.
ii) Si (x1, . . . , xn) est libre, alors x1, . . . , xnsont deux `a deux distincts (c’est `a dire, plus formelle-
ment: i, j ∈ {1, . . . , n}(i6=j=xi6=xj)).
Rq. 7. Soit Eun K-ev. Soit xE. Alors:
a) (x) est li´e ssi x= 0E, b) (x) est libre ssi x6= 0E.
Exo. 8. Soit Eun K-ev. Soient x, y E. Alors les assertions suivantes sont ´equivalentes:
i) (x, y) est li´e, ii) x= 0Eou (αKy=αx), iii) y= 0Eou (βKx=βy).
D´ef. et notation. 9. Soit Eun K-ev. Soit nN. Soit (x1, . . . , xn)En.
On appelle sev engendr´e par (x1, . . . , xn) le sev engendr´e par {x1, . . . , xn}. On le note Vect(x1, . . . , xn).
Si ce sev est E, alors on dit que (x1, . . . , xn) engendre E(ou est g´en´erateur de E).
1
Th´eo. 10. (Rappel). Soit Eun K-ev. Soit nN. Soient x1, . . . , xnE.
Alors Vect(x1, . . . , xn) = {xE| ∃(λ1,...λn)Knx=λ1x1+. . . +λnxn}.
Rq. 11. Soit Eun K-ev. Soit nN. Soient x1, . . . , xnE.
On suppose que (x1, . . . , xn) engendre E. Soit kN. Soient xn+1, . . . , xn+kE. Alors
(x1, . . . , xn+k) engendre E.
D´ef. 12. Soit Eun K-ev. Soit nN. Soit (x1, . . . , xn)En. On dit que (x1, . . . , xn)
est une base de Es’il est libre et g´en´erateur de E.
Prop. 13. Soit Eun K-ev. Soit nN. Soient x1, . . . , xnE.
Alors (x1, . . . , xn) est une base de Essi xE!(λ1, . . . , λn)Knx=λ1x1+. . . +λnxn.
Prop. 14. Soit Eun K-ev. Soient F, G des sev de E. On suppose que Fet Gsont en
somme directe.
Soit mN. Soient f1, . . . , fmF. On suppose que (f1, . . . , fm) est une base de F.
Soit nN. Soient g1, . . . , gnG. On suppose que (g1, . . . , gn) est une base de G.
Alors (f1, . . . , fm, g1, . . . , gn) est une base de FG.
Plus g´en´eralement:
Prop. 15. Soit Eun K-ev. Soit pN. Soient E1, . . . , Epdes sev de E.
On suppose que E1, . . . , Epsont en somme directe.
On suppose que pour tout j∈ {1, . . . , p}il existe njNet e(j)
1, . . . , e(j)
njEjtels que
e(j)
1, . . . , e(j)
njsoit une base de Ej.
Alors e(1)
1, . . . , e(1)
n1, . . . , e(p)
1, . . . , e(p)
npest une base de E1. . . Ep.
Ex. 16. Soit Eun K-ev. Soient F, G, H des sev de E. On suppose que F, G, H sont en
somme directe. On suppose que (f1, f2) est une base de F, que (g) est une base de Get que
(h1, h2, h3) est une base de H. Alors (f1, f2, g, h1, h2, h3) est une base de FGH.
Prop. 17. Soient Eet Fdeux K-ev.
Soit nN. Soient e1, . . . , enE. On suppose que (e1, . . . , en) est une base de E.
Soit mN. Soient f1, . . . , fmF. On suppose que (f1, . . . , fm) est une base de F.
Alors ((e1,0F),...,(en,0F),(0E, f1),...,(0E, fm)) est une base de E×F.
§Compl´ements.
Rq. 18. Soient E, F des K-ev. Soit u:EFune application lin´eaire. Soit nN.
Soient e1, . . . , enE.
a) On suppose que (e1, . . . , en) est li´e. Alors (u(e1), . . . , u(en)) est li´e.
b) On suppose que uest injective et que (e1, . . . , en) est libre. Alors (u(e1), . . . , u(en)) est libre.
c) On suppose que uest surjective et que (e1, . . . , en) engendre E. Alors (u(e1), . . . , u(en))
engendre F.
d) On suppose que (u(e1), . . . , u(en)) engendre F. Alors uest surjective.
Prop. 19. Soient E, F des K-ev. Soit u:EFune application lin´eaire. Soit nN.
2
Soient e1, . . . , enE. On suppose que uest un isomorphisme et que (e1, . . . , en) est une base
de E. Alors (u(e1), . . . , u(en)) est une base de F.
Prop. 20. Soit Eun K-ev. Soit nN. Soient e1, . . . , enE.
On consid`ere l’application ϕ:KnEefinie par ϕ(λ1, . . . , λn) =
n
X
i=1
λiei. Alors:
1) ϕest lin´eaire.
2)a) (e1, . . . , en) est libre ssi ϕest injective.
b) (e1, . . . , en) engendre Essi ϕest surjective.
c) (e1, . . . , en) est une base de Essi ϕest un isomorphisme.
Th´eo. 21. Soient E, F des K-ev. Soit nN. Soient e1, . . . , enE. On suppose que
(e1, . . . , en) est une base de E. Soient f1, . . . , fnF.
Alors il existe une et une seule application lin´eaire u:EFtelle que i∈ {1, . . . , n}u(ei) = fi.
Indications.
a) Soient v, w :EFlin´eaires. On suppose que i∈ {1, . . . , n}v(ei) = w(ei). Montrer que
v=w.
b) On consid`ere l’application ϕ:KnEefinie par ϕ(λ1, . . . , λn) =
n
X
i=1
λiei.
On consid`ere l’application ψ:KnFefinie par ψ(λ1, . . . , λn) =
n
X
i=1
λifi.
On pose u=ψφ1. V´erifier que uest lin´eaire et que i∈ {1, . . . , n}u(ei) = fi.
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