3 Applications lin´eaires et bases
Dans toute cette section, on suppose que Eadmet une base finie, que l’on notera (~e1, ~e2, ..., ~en).
3.1 D´etermination d’une application lin´eaire par l’image d’une base
Th´eor`eme
Soit Eun K−ev admettant une base finie ( ~e1, ~e2, ..., ~en) et soit ~
f1, ..., ~
fnnvecteurs fix´es quelconques de F.
Alors, il existe une unique application lin´eaire f:E→F, telle que ∀k∈[[0, n]], f(~ek) = ~
fk.
C’est l’application fqui `a tout ~x =x1~e1+... +xn~enassocie f(~x) = x1~
f1+... +xn~
fn.
D´emonstration
Analyse : si une telle application existe, alors par lin´earit´e elle doit ˆetre d´efinie comme ci-dessus.
En effet, pour tout ~x =x1~e1+... +xn~en∈E,f(~x) = x1f(~e1) + ... +xnf(~en) = x1~
f1+... +xn~
fn.
Donc il en existe au plus une.
Synth`ese : il reste `a v´erifier que cette application convient bien.
Remarques :
1. pour d´efinir une application lin´eaire f∈L(E, F ) il suffit de donner les nimages : f(~e1), f(~e2), ..., f(~en).
2. pour montrer que deux applications lin´eaires fet gde Evers Fsont ´egales, il suffit de v´erifier qu’elles
co¨ıncident sur les vecteurs de la base cad : ∀i∈[[1, n]], f(~ei) = g(~ei).
Exemples :
1. d´eterminer l’unique application lin´eaire fde R2dans R3telle que f((1,0)) = (1,0,1) et f((0,1)) = (1,1,2).
2. d´eterminer l’unique application lin´eaire f:R2[X]→R3telle que f(1) = (1,1,1), f(X) = (1,0,1) et
f(X2)=(−1,0,2).
3.2 Caract´erisation de l’image
Proposition
Soit Eun K−espace vectoriel admettant une base finie (~e1, ..., ~en).
Alors Im(f) = V ect(f(~e1), ..., f(~en)) .
D´emonstration
Montrons la double inclusion :
1. Montrons que Im(f)⊂V ect(f(~e1), ..., f(~en)). Rappel : V ect(~u1, ..., ~un) = {λ1~u1+...+λn~un, λ1, ...λn∈K})
Soit ~y ∈Im(f). Alors ∃~x ∈Etel que f(~x) = ~y.
Or (~e1, ..., ~en) est une base de E, donc ~x ∈E⇒ ∃(λ1, ..., λn)∈Kn|~x =λ1~e1+... +λn~en. Et par lin´earit´e,
~y =f(~x) = f(λ1~e1+... +λn~en) = λ1f(~e1) + ... +λnf(~en)∈V ect((f(~e1), ..., f(~en)).
2. Montrons que V ect(f(~e1), ..., f(~en)) ⊂Im(f).
R´edaction 1 :
Im(f) est un sev de Fqui contient les vecteurs f(e1), ...,f(en) (sont des images !) donc contient V ect(f(~e1), ..., f(~en)))
(plus petit sev contenant ces vecteurs). D’o`u V ect(f(~e1), ..., f(~en)) ⊂Im(f).
Ou r´edaction 2 : dans l’esprit de l’autre inclusion ...
soit ~y ∈V ect(f(~e1), ..., f(~en)). Alors il existe (λ1, ..., λn)∈Kntels que ~y =λ1f(~e1) + ... +λnf(~en) et par
lin´earit´e, on obtient ~y =f(λ1~e1+... +λn~en)∈Im(f).)
Exemple : Soit f:R2→R3d´efinie par f((x, y)) = (x+y, y, x + 2y). Donner une base de l’image.
Im(f) = V ect(f(1,0)), f (0,1)) = V ect((1,0,1),(1,1,2)). Or ces deux vecteurs sont libres (car non colin´eaires),
donc ils forment une base de Im(f).
−→ crit`ere tr`es pratique lorsque fest d´efinie via l’image d’une base, ou lorsque fest surjective ...
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