Familles libres, génératrices, bases, dimension - IMJ-PRG

Universit´e Paris 6
Ann´ee universitaire 2011-2012
Master enseignement, premi`ere ann´ee, cours d’alg`ebre.
R´esum´e de la s´eance du 14 septembre.
On d´esigne toujours par Kun corps de caract´eristique nulle.
Structure naturelle de K-espace vectoriel sur l’ensemble L(E, F ) des appli-
cations lin´eaires d’un K-ev Edans un K-ev F. Si Gest un troisi`eme K-ev, si
λK, si fet f0sont deux applications lin´eaires de Evers Fet get g0deux
applications lin´eaires de Fvers G, alors
(g+g0)f=gf+g0f, (λg)f=λ(gf),
g(f+f0) = gf+gf0et g(λf) = λ(gf).
Remarque : les ´egalit´es de la premi`ere ligne se d´emontrent en n’utilisant que
les d´efinitions de la somme de deux applications lin´eaires et du produit d’une
application lin´eaire par un scalaire, et non la lin´earit´e elle-mˆeme ; cette derni`ere
est par contre cruciale pour ´etablir les ´egalit´es de la seconde ligne.
Familles libres, g´en´eratrices, bases, dimension
D´efinition d’une famille libre, d’une famille g´en´eratrice, et d’une base d’un
K-ev E, et premiers exemples.
Si (ei) est une famille d’´el´ements de Etelle que tout ´el´ement de Esoit
l’un des eialors eiest une famille g´en´eratrice.
La famille vide est libre ; `a ce propos, courte digression : toute assertion
de la forme
x∈ ∅ , P (x)
est vraie, ind´ependamment de la proposition logique P.
Si l’on d´esigne par eil’´el´ement (0,...,0,1
|{z}
au rang i
,0,...,0) de KNalors (ei)
est une base de Kn.
La famille (Xi)iNest une base de K[X].
Toute sous-famille d’une famille libre est libre.
Toute famille contenant une famille g´en´eratrice est g´en´eratrice.
Quelques remarques : si (ei) est une famille libre de Ealors ei6=ejd`es que
i6=j, et ei6= 0 pour tout i. Si (ei) est une famille g´en´eratrice de Eet si (fj)
est une famille d’´el´ements de Etelle que chaque eisoit combinaison lin´eaire des
fj, alors (fj) est ´egalement g´en´eratrice.
Th´eorie de la dimension. ´
Etant donn´ee son importance, j’ai choisi de faire en
cours toutes les d´emonstrations la concernant. On a ainsi tout d’abord d´efini un
espace de dimension finie comme un espace admettant une famille g´en´eratrice
finie, puis ´etabli successivement les r´esultats suivants.
Lemme. Soit Eun K-ev, soit Pun sous-ensemble de E, et soit (ei) une
famille libre d´el´ements de Pqui est maximale en tant que famille libre d’´el´ements
de P. Tout ´el´ement de Pest alors combinaison lin´eaire des ei.
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Lemme. Soit Eun K-ev, soit (e1, . . . , en) une famille libre de Eet soit
(f1, . . . , fm) une famille g´en´eratrice de E. Il existe alors un sous-ensemble Jde
{1, . . . , m}tel que ((ei)16i6n,(fj)jJ) soit une base de E.
Corollaire (th´eor`eme de la base incompl`ete). Si Eest un K-espace
vectoriel de dimension finie, toute famille libre finie de Epeut ˆetre prolong´ee
en une base (finie) de E.
Corollaire. Tout K-espace vectoriel de dimension finie admet une base fi-
nie. Remarque. On peut montrer que tout espace vectoriel (sans hypoth`ese de
dimension) admet une base, mais la preuve fait alors appel `a un r´esultat d´elicat
de th´eorie des ensembles (lemme de Zorn).
Lemme. Soit Eun K-espace vectoriel, soit (e1, . . . , en) une famille libre de
Eet soit (f1, . . . , fm) une famille g´en´eratrice de E. On a alors n´ecessairement
n6m.
Remarque. La preuve consiste en r´ealit´e `a montrer le r´esultat suivant, plus
fort, par r´ecurrence : pour tout r6non a r6met il existe un sous-ensemble
Jde {1, . . . , m}de cardinal mrtel que ((ei)16i6r,(fj)jJ)soit g´en´eratrice.
Soit Eun K-espace vectoriel de dimension finie. On montre `a l’aide de ce
qui pr´ec`ede que les bases de Esont toutes finies et de mˆeme cardinal, appel´e
dimension de E. Si on note ncette dimension alors toute famille libre de Eest
finie de cardinal inf´erieur ou ´egal `a n, et est une base si et seulement si son
cardinal est ´egal `a n.
Toute famille g´en´eratrice de Econtient une base de E, est de cardinal
sup´erieur ou ´egal `a n, et est une base si et seulement si elle est de cardinal
´egal `a n.
Un K-espace vectoriel est de dimension nulle si et seulement si il est r´eduit
`a {0}.
Si Eest un K-espace vectoriel de dimension finie net si Fest un sous-espace
vectoriel de Ealors Fest de dimension finie major´ee par n, et dim F=nsi et
seulement si F=E. Le sous-espace Fadmet un suppl´ementaire et pour tout
suppl´ementaire Gde Fon a dim E= dim F+ dim G.
Comportement vis-`a-vis des applications lin´eaires.
Soient Eet Fdeux K-espaces vectoriels et soit f:EFune application
lin´eaire. Soit (ei) une famille d’´el´ements de E. Si fest injective et si (ei) est
libre alors f(ei) est libre ; si fest surjective et si (ei) est g´en´eratrice alors f(ei)
est g´en´eratrice ; si fest bijective et si (ei) est une base alors (f(ei)) est une
base.
Il s’ensuit que si fest bijective alors Eest de dimension finie si et seulement
si Fest de dimension finie, et si c’est le cas dim E= dim F.
Si Sest un sous-espace vectoriel de Esuppl´ementaire de Ker falors f|S
induit une bijection S'Im f. On en tire la formule du rang : si Eest de
dimension finie alors Im faussi et
dim Ker f+ dim Im f= dim E.
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Notons que lorsque E=Fcette ´egalit´e ne signifie pas, en g´en´eral, que Ker fet
Im fsoient suppl´ementaires.
La formule du rang a un corollaire fondamental : si Eet Fsont tous deux
de dimension finie et si dim E= dim F(ce qui s’appliquera notamment lorsque
E=F) alors on a ´equivalence entre les assertions suivantes :
i) fest injective ;
ii) fest surjective ;
iii) fest bijective.
La d´erivation et la multiplication par Xdans le R-espace vectoriel R[X]
constituent des contre-exemples `a cette ´equivalence en dimension infinie.
Exercices trait´es en cours
Nous avons fait les exercices 1, 2 et 3 de la feuille 1. Pour l’exercice 1 deux
preuves ont ´et´e donn´ees (m’une en exhibant une base, l’autre en appliquant la
formule du rang `a une application lin´eaire bien choisie).
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