Université du Littoral - Côte d Opale Laurent SMOCH. Septembre PDF
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1 ISCID - PRÉPA 2ème année MATHÉMATIQUES APPLIQUÉES À L ÉCONOMIE ET À LA GESTION 2 Université du Littoral - Côte d Opale Laurent SMOCH Septembre 202 Laboratoire de Mathématiques Pures et Appliquées Joseph Liouville Université du Littoral, zone universitaire de la Mi-Voix, bâtiment H Poincarré 50, rue F Buisson, BP 699, F Calais cedex
3 Table des matières Calcul matriciel Les matrices 2 Calcul pratique d un déterminant 9 2 Systèmes linéaires 2 2 Intersection de droites et de plans 2 22 Ensemble des solutions 4 23 Transformations équivalentes 6 24 Forme échelonnée 7 25 Forme résolue Les formules de Cramer Calcul de l inverse de A 28 3 Dimension finie 3 3 Espaces et sous-espaces 3 32 Combinaisons linéaires Bases Morphismes Images et noyaux Écriture matricielle Détermination pratique de l image et du noyau 46
5 Chapitre 3 Dimension finie Ce chapitre est fondamental : les espaces vectoriels vous accompagneront tout au long de vos études mathématiques, et il est indispensable d avoir compris les espaces de dimension finie avant d aller plus loin Même si les espaces vectoriels vous sont présentés ici sous forme assez générale, l objectif principal est de comprendre le cas de R n, l espace vectoriel des n-uplets de réels N hésitez pas à vous reporter à l intuition géométrique que vous avez des vecteurs en dimension 2 et 3 3 Espaces et sous-espaces Nous considérons dans ce chapitre la théorie des espaces vectoriels de dimension finie Dans la mesure où il ne sera question que de vecteurs, abandonner les flèches au-dessus de leurs écritures ne devrait pas introduire de confusion Un espace vectoriel est un ensemble sur lequel sont définies une addition interne (on peut ajouter entre eux deux éléments de l ensemble) ; une multiplication externe (on peut multiplier un élément de l ensemble par un nombre réel) Ces deux opérations doivent vérifier certaines propriétés de compatibilité qui sont listées dans la Définition 3 Définition 3 On dit que E est un espace vectoriel sur R si E est muni d une addition et d une multiplication externe{ vérifiant les propriétés suivantes E E E Addition : (v, w) v + w Associativité : u, v, w E, u + (v + w) = (u + v) + w 2 Élément neutre : e E, v E, v + e = e + v = v 3 Opposé : v E, v E, v + v = v + v = e 4 Commutativité : v, w E, v + w = w + v { R E E Multiplication externe : (λ, v) λv 5 Associativité : λ, µ R, v E, λ(µv) = (λµ)v 6 Elément neutre : v E, v = v 7 Distributivité () : λ, µ R, v E, (λ + µ)v = λv + µv 8 Distributivité (2) : λ R, v, w E, λ(v + w) = λv + λw La proposition suivante nous autorisera à noter 0 l élément neutre pour l addition (nous l appellerons vecteur nul ) et v l opposé de v Proposition 3 Soit E un espace vectoriel Le produit par le réel 0 d un vecteur v quelconque est l élément neutre pour l addition : v E, 0v = e
6 32 CHAPITRE 3 DIMENSION FINIE 2 Le produit par le réel d un vecteur v quelconque est son opposé pour l addition : v E, v + ( )v = e Exercice 53 Parmi les espaces suivants, quels sont ceux qui sont des espaces vectoriels? {( ) } a A = M b 2, (R) telle que a + b = a 2 B = b M 3, (R) telle que 2a 5b + c = 0 et b + c = 0 c α 3 C = β γ M 4,(R) telle que α + γ 2δ = et 2α β + 3γ = 0 δ {( ) } a 4 D = M b 2, (R) telle que a 2 + b = 0 a 5 E = b c M 4,(R) telle que a 2b 3c 4d = 0 d a a 2b + c = 0 6 F = b M 3, (R) telle que b 2a + c = 0 c c 2b + a = 0 { ( ) } G = X M 2, (R) telle que X = 3X 3 { ( ) ( )} H = X M 2, (R) telle que X = 4X K = X M 3,(R) telle que 3 2 X = X 2 3 L exemple fondamental est l ensemble des n-uplets de réels : R n = {(x,, x n ), x,, x n R} L ensemble des n-uplets de réels (couples pour n = 2, triplets pour n = 3, ), est muni de l addition et de la multiplication par un réel, coordonnée par coordonnée Addition : (, 2, 3, 4) + (3,, 2, 2) = (4,,, 6), Multiplication externe : ( 2)(3,, 2, 2) = ( 6, 2, 4, 4) Le singleton contenant seulement le vecteur nul est un espace vectoriel particulier L associativité de l addition permet d écrire (sans parenthèses) des combinaisons linéaires de vecteurs Définition 32 Soient v,, v n n vecteurs d un espace vectoriel E On appelle combinaison linéaire de v,, v n, tout vecteur s écrivant : où λ,, λ n sont des réels λ v + + λ n v n = n λ i v i, i=
7 32 COMBINAISONS LINÉAIRES 33 Il est inutile de s inquiéter de la quantité de propriétés à vérifier dans la Définition 3 Dans tous les exemples que l on rencontrera, les opérations sont parfaitement naturelles et leurs propriétés évidentes On ne vérifie d ailleurs jamais les 8 propriétés de la Définition 3 La raison pour laquelle c est inutile est que tous les espaces vectoriels que l on utilise sont des sous-espaces d un espace vectoriel, c est-à-dire qu ils sont des sous-ensembles, sur lesquels on applique localement les opérations de l espace entier Définition 33 Soit E un espace vectoriel et F un sous-ensemble non vide de E On dit que F est un sous-espace vectoriel de E s il est un espace vectoriel pour l addition et la multiplication externe de E Observons que tout sous-espace vectoriel de E contient au moins le vecteur nul La notion prend tout son intérêt grâce au théorème suivant Théorème 3 Soit E un espace vectoriel et F E un sous-ensemble non vide de E L ensemble F est un sous-espace vectoriel de E si et seulement si : v, w F v + w F ; v F, λ R λv F (3) Théorème 32 Soit E un espace vectoriel et F E un sous-ensemble non vide de E Les trois affirmations suivantes sont équivalentes F est un sous-espace vectoriel de E 2 F contient toutes les combinaisons linéaires de 2 de ses vecteurs v, w F, λ, µ R, λv + µw F 3 Pour tout n >, F contient toutes les combinaisons linéaires de n de ses vecteurs v,, v n F, λ,, λ n R, i= λ i v i F Exercice 54 Vrai-Faux Parmi les sous-ensembles suivants de R 3, lesquels sont des sous-espaces vectoriels, lesquels ne le sont pas et pourquoi? {(x, y, z) R 3, x = 0}, 2 {(x, y, z) R 3, x + y = }, 3 {(x, y, z) R 3, x = 0 et x + y + z = 0}, 4 {(x, y, z) R 3, x = 0 et x + y + z = }, 5 {(x, y, z) R 3, sin(x) = 0}, 6 {(x, y, z) R 3, x = y = z}, 7 {(x, y, z) R 3, x = y = z }, 8 {(x, y, z) R 3, x 2 + y 2 + z 2 = }, 9 {(x, y, z) R 3, x 2 + y 2 + z 2 = 0} 32 Combinaisons linéaires D après le Théorème 32, un sous-espace vectoriel contient toutes les combinaisons linéaires d un nombre quelconque de vecteurs : pour tout entier n, pour tous vecteurs v,, v n de E, et pour tous réels λ,, λ n, λ v + + λ n v n = n λ i v i E i=
8 34 CHAPITRE 3 DIMENSION FINIE Une des manières de fabriquer un sous-espace vectoriel est de partir d un ensemble quelconque d éléments, puis de lui ajouter toutes les combinaisons linéaires de ces éléments Définition 32 Soit E un espace vectoriel et V un ensemble non vide (fini ou non) de vecteurs de E On appelle sous-espace engendré par V l ensemble des combinaisons linéaires d un nombre fini quelconque d éléments de V L ensemble des combinaisons linéaires d éléments de V est un espace vectoriel, d après le Théorème 32 Le même théorème implique aussi que tout espace vectoriel contenant V doit contenir toutes les combinaisons linéaires de ses éléments Donc le sous-espace engendré par V est inclus dans tout sous-espace contenant V Une famille finie de vecteurs est un n-uplet de vecteurs F = (v,, v n ) L espace vectoriel engendré par F est l ensemble des combinaisons linéaires de v,, v n { n } λ i v i, i =,, n, λ i R i= À cause de la commutativité de l addition, changer l ordre dans lequel on écrit les vecteurs de la famille, ne modifie pas l espace engendré Pour n =, l espace engendré par un seul vecteur v (non nul) est une droite vectorielle : {λv, λ R} Pour n = 2, l espace engendré par deux vecteurs v et w (non proportionnels) est un plan vectoriel : L espace vectoriel R n est engendré par les n vecteurs {λv + µw, λ, µ R} (, 0,, 0), (0,,, 0),,(0, 0,, ) En effet, on peut écrire tout vecteur (x, x 2,, x n ) de R n, comme la combinaison linéaire : x (, 0,, 0) + x 2 (0,,, 0) + + x n (0, 0,, ) Deux familles de vecteurs différentes peuvent engendrer le même espace vectoriel Par exemple R 2 est engendré par mais aussi par En effet, tout vecteur (x, y) s écrit : (x, y) = x + y 2 Exercice 55 On pose e = et e 2 = 2 F = ((, 0), (0, )), G = ((, ), (, )) (, ) + x y (, ) 2 Déterminer tous les vecteurs de R 3 qui sont combinaisons linéaires de e et e 2 2 Parmi les vecteurs suivants, repérer ceux qui sont combinaisons linéaires de e et e 2 puis expliciter la combinaison linéaire correspondante
9 32 COMBINAISONS LINÉAIRES A =, B =, C = 4, D = 3, E = 5, F = Exercice 56 On considère les vecteurs e =, e 2 = 2, e 3 = Montrer que tout vecteur X de M 3, (R) est combinaison linéaire de e, e 2, e 3 2 Est-ce le cas si l on considère seulement la famille e, e 2? 3 Est-ce le cas si l on remplace e 3 par le vecteur ẽ 3 = 4? Est-ce le cas si l on choisit la famille, 2, 3,? 2 3 Exercice 57 Pour chacune des familles des vecteurs suivantes, déterminer son rang et donner une base de l espace vectoriel qu elle engendre ((, 0, ), (, 0, ), (2, 0, 2)) 2 ((, 0, ), (, 0, ), (2, 0, 2), (0,, 0), (,, ), (, 2, )) 3 ((, 0, ), (, 0, ), (2, 0, 2), (0,, 0), (,, ), (, 2, )) 4 ((, 0,, 0), (, 0,, 0), (,,, ), (0,, 0, ), (, 2,, 2)) 5 ((, 0,, 0), (, 0,, 0), (,,, ), (0,, 0, ), (, 2,, 0)) 6 ((, 0,, 0), (, 0,, 0), (,,, 0), (0,, 0, ), (, 2,, 0)) Définition 322 Soit E un espace vectoriel et F une famille d éléments de E On dit que F est une famille génératrice si l espace engendré par F est égal à E Par exemple F = ((, 0), (0, )) et G = ((, ), (, )) sont deux familles génératrices de R 2 Par contre ((0, ), (0, 2)) n est pas une famille génératrice de R 2 Les familles suivantes sont aussi des familles génératrices de R 2 ((, 0), (0, ), (, )) ; ((, ), (, ), (0, )) ; ((, 0), (0, ), (, ), (, )) Par rapport à F et G, elles contiennent des vecteurs superflus Si dans une famille de vecteurs, un vecteur est combinaison linéaire des autres, on peut l enlever de la famille sans changer l espace engendré Une famille de laquelle on ne peut rien enlever sans changer l espace engendré est une famille libre Définition 323 Soit F = (v,, v n ) une famille finie de vecteurs On dit que F est une famille libre si pour tous λ,, λ n R, n λ i v i = 0 ( i =,, n, λ i = 0) i= Elle est dite liée dans le cas contraire On dit aussi que les vecteurs v,, v n sont linéairement indépendants quand leur famille est libre Comme cas particuliers, une famille contenant le vecteur nul est liée ; une famille contenant un seul vecteur non nul est libre On utilise souvent la caractérisation suivante : Proposition 32 Soit n un entier au moins égal à 2 Une famille de n vecteurs est liée si et seulement si l un des vecteurs est combinaison linéaire des autres
10 36 CHAPITRE 3 DIMENSION FINIE Dans R 2, la famille ((0, ), (0, 2)) est liée A l inverse, les familles F = ((, 0), (0, )) et G = ((, ), (, )) sont deux familles libres de R 2 Dans R n, ((, 0,, 0), (0,,, 0),, (0, 0,, )) est une famille libre Exercice 58 Vrai-Faux 2 Parmi les familles suivantes de vecteurs de R 3, lesquelles sont génératrices, lesquelles ne le sont pas, et pourquoi? ((,, 0), (0,, )), 2 ((0, 0, ), (0,, ), (,, )), 3 ((0,, ), (, 0, ), (,, 0)), 4 ((, 2, 3), (4, 5, 6), (7, 8, 9)), 5 ((0, 0, ), (0,, ), (,, ), (, 2, )) Exercice 59 Vrai-Faux 3 Parmi les familles suivantes de vecteurs de R 4, lesquelles sont génératrices, lesquelles ne le sont pas, et pourquoi? ((0,, 2, ), (,, 0, 3), ( 2, 7, 0, )), 2 ((0, 0, 0, ), (0, 0,, ), (0,,, ), (,,, )), 3 ((, 2, 3, 4), (5, 6, 7, 0), (8, 9, 0, 0), (, 0, 0, 0)), 4 ((0,,, 0), (, 0,, 0), (,, 0, 0), (0, 0, 0, )), 5 ((,,, 2), (,, 2, ), (, 2,, ), (2,,, )) Exercice 60 Vrai-Faux 4 Parmi les familles suivantes de vecteurs de R 3, lesquelles sont libres, lesquelles ne le sont pas, et pourquoi? ((,, 0), (0,, )), 2 ((,, 0), (,, 0)), 3 ((0, 0, ), (0,, ), (,, )), 4 ((0,, ), (, 0, ), (,, 0)), 5 ((0, 0, ), (0,, ), (,, ), (, 2, )) Exercice 6 Vrai-Faux 5 Parmi les familles suivantes de vecteurs de R 4, lesquelles sont libres, lesquelles ne le sont pas, et pourquoi? ((0,, 2, ), (,, 0, 3), ( 2, 7, 0, )), 2 ((0,, 2, ), (,, 0, 3), (, 4, 6, 0)), 3 ((0, 0, 0, ), (0, 0,, ), (0,,, ), (,,, )), 4 ((0,,, 0), (, 0,, 0), (,, 0, 0), (0, 0, 0, )), 5 ((,,, 2), (,, 2, ), (, 2,, ), (2,,, )) 33 Bases Ce chapitre ne traite que des espaces finiment engendrés Définition 33 On dit qu un espace vectoriel est finiment engendré s il est engendré par un nombre fini de vecteurs Voici deux observations symétriques Si on ajoute un vecteur à une famille génératrice, alors elle ne peut plus être libre En effet, tout vecteur ajouté est forcément combinaison linéaire des précédents, ce qui n est pas possible dans une famille libre
11 33 BASES 37 2 Si on enlève un vecteur à une famille libre, alors elle ne peut plus être génératrice En effet, le vecteur que l on vient d enlever n est pas combinaison linéaire des autres, donc il n est pas dans l espace engendré par les autres Définition 332 On appelle base toute famille à la fois génératrice et libre Nous avons déjà rencontré plusieurs bases Les familles ((, 0), (0, )) et ((, ), (, )) sont deux bases de R 2 Dans R n, ((, 0,, 0), (0,,, 0),, (0, 0,, )) est une base, que l on appelle la base canonique Exercice 62 Soit B = (e, e 2, e 3 ) la base naturelle de R 3 (ou base canonique) On considère les trois vecteurs v, v 2 et v 3 définis par : v = 2e 4e 2 + 5e 3, v 2 = 3e + 4e 2 5e 3, v 3 = 4e 7e 2 + 0e 3 Montrer que B = (v, v 2, v 3 ) est une base de R 3 La proposition suivante nous permettra de parler de bases en étant assurés de leur existence Sa démonstration montrera aussi qu on peut extraire une base de toute famille génératrice Proposition 33 Dans un espace vectoriel, différent de {0} et finiment engendré, il existe une base Exercice 63 Montrer que la famille S = ((, 0), (, )) R 2 engendre R 2 2 La famille S est-elle une base de R 2? Pourquoi? Le résultat principal de cette section est le suivant Théorème 33 Dans un espace vectoriel, différent de {0} et finiment engendré, toutes les bases ont le même nombre d éléments Le Théorème 33 permet de définir rigoureusement la notion de dimension Définition 333 Soit E un espace vectoriel, différent de {0} et finiment engendré On appelle dimension de E le nombre d éléments commun à toute base de E On étend la définition à un espace vectoriel contenant seulement le vecteur nul, en convenant que sa dimension est 0 Les espaces de dimension sont les droites vectorielles, ceux de dimension 2 sont les plans vectoriels L espace R n est de dimension n Les sous-espaces de dimension n dans R n s appellent les hyperplans de R n Si on connaît la dimension de l espace, il est facile de vérifier si une famille de vecteurs est ou non une base, grâce au Théorème suivant Théorème 332 Dans un espace vectoriel de dimension n : toute famille libre a au plus n éléments, 2 toute famille libre de n éléments est une base, 3 toute famille génératrice a au moins n éléments, 4 toute famille génératrice de n éléments est une base Comme il est naturel, tout sous-espace vectoriel d une espace vectoriel de dimension finie est lui-même de dimension finie Proposition 332 Soit E un espace vectoriel de dimension n Tout sous-espace vectoriel de E est de dimension finie, inférieure ou égale à n La dimension de l espace engendré par une famille de vecteurs est le rang de cette famille Définition 334 On appelle rang d une famille de vecteurs la dimension de l espace vectoriel qu elle engendre
12 38 CHAPITRE 3 DIMENSION FINIE Les observations suivantes sont des conséquences faciles du Théorème 332 : le rang d une famille de n vecteurs est au plus n, le rang d une famille de n vecteurs est n si et seulement si cette famille est libre, le rang d une famille de n vecteurs est n si et seulement si cette famille est une base de l espace vectoriel qu elle engendre Nous verrons plus loin un moyen systématique pour déterminer le rang d une famille de vecteurs, et en extraire une base de l espace engendré L intérêt des bases est qu elles permettent d identifier tout espace de dimension finie à R n, grâce à la notion de coordonnées Théorème 333 Soit E un espace de dimension n et (b,, b n ) une base de E Pour tout vecteur v E il existe un n-uplet de réels (x,, x n ) unique tel que : v = n x i b i i= Les réels x,, x n sont les coordonnées de v dans la base (b,, b n ) Par exemple, les coordonnées de (2, 3) dans la base ((, 0), (0, )) sont 2 et 3 Dans la base ((, ), (, )), ses coordonnées sont 5 2, 2 Les coordonnées de (x,, x n ) dans la base canonique de R n sont x,, x n Exercice 64 Déterminer, parmi les familles suivantes, celles qui sont des bases de M 3, (R) B =, 2, B 2 =,,, B 3 = 0,,, 0 B 4 =,,, B 5 =,,, 3 2 Exercice 65 On considère l ensemble F = X M 3,(R) telle que X = 2X Montrer que F est un espace vectoriel 2 Donner une famille génératrice 3 Cette famille génératrice est-elle une base de F? Exercice 66 On considère les espaces vectoriels (ev) suivants E = {(x, y) R 2, x + y = 0}, E = {(x, y) R 2, x = y} E = {(x, y, z) R 3, x + y + z = 0}, E = {(x, y, z) R 3, x = y = z} Déterminer la dimension de E 2 Donner une base de E Exercice 67 Compléter les familles suivantes de vecteurs de R 3 en une base de R 3 ((,, )) 2 ((,, 0)) 3 ((,, ), (,, )) 4 ((,, 0), (,, 0)) 5 ((,, 0), (,, )) 6 ((,, 0), (,, ))
13 34 MORPHISMES Morphismes Une application entre deux espaces vectoriels est dite linéaire si elle envoie une combinaison linéaire de vecteurs sur la même combinaison linéaire de leurs images Définition 34 Soient E et F deux espaces vectoriels et f une application de E dans F On dit que f est une application linéaire si v, w E v E, λ R f(v + w) = f(v) + f(w), f(λv) = λf(v) Une application linéaire f de E dans F envoie nécessairement le vecteur nul de E sur le vecteur nul de F Elle envoie l opposé de v sur l opposé de f(v) La proposition suivante se démontre facilement, dans le style du Théorème 32 Proposition 34 Soient E et F deux espaces vectoriels, et f une application de E dans F Les trois affirmations suivantes sont équivalentes f est une application linéaire 2 v, w E, λ, µ R, f(λv + µw) = λf(v)µf(w) 3 Pour tout n >, v,, v n E, λ,, λ n R ( n ) f λ i v i = i= n λ i f(v i ) Voici quelques exemples d applications linéaires : de R 2 dans R 2 : (x, y) (x + y, 2x + 3y), de R 2 dans R 3 : (x, y) (y, x, x + y), de R 3 dans R 2 : (x, y, z) (y x, 2z + y) Une application linéaire respecte la structure d espace vectoriel : l image d une somme est la somme des images, l image du produit par un réel est le produit de l image par le même réel D une application entre deux structures algébriques (groupes, corps, ) qui respecte la structure, on dit qu elle est un morphisme Le vocabulaire classique est le suivant Définition 342 Une application linéaire de E dans F est un endomorphisme si E = F, isomorphisme si elle est bijective, automorphisme si E = F et l application est bijective La composée de deux applications linéaires est une application linéaire Théorème 34 Soient E, F, G trois espaces vectoriels, f une application linéaire de E dans F et g une application linéaire de F dans G La composée g o f est une application linéaire de E dans G : i= f g E F G u f(u) g o f(u) = g(f(u)) Si une application f est un isomorphisme, son application réciproque, que nous noterons f est aussi une application linéaire Théorème 342 Soit f un isomorphisme de E dans F Sa réciproque f est un isomorphisme de F dans E
14 40 CHAPITRE 3 DIMENSION FINIE La composée de f par f est l application identique, ou identité, de E dans lui même C est un automorphisme particulier, que nous noterons Id E : Id E : E E v Id E (v) = v Une combinaison linéaire d applications linéaires est encore une application linéaire Théorème 343 Soient E et F deux espaces vectoriels Soient f et g deux applications linéaires de E dans F et λ, µ R deux réels L application λf + µg est encore une application linéaire Nous terminons la section par des interprétations géométriques d applications linéaires de R 2 dans R 2 Considérons un plan vectoriel muni d une base orthonormée ( i, j) À tout couple de réels (x, y) est associé le vecteur x i + y j Une application linéaire de R2 dans lui-même est associée à une transformation géométrique du plan, qui à un vecteur associe un autre vecteur En voici trois (cf FIGURE 3) : rotation d angle π/2 : (x, y) ( y, x), symétrie par rapport à la première bissectrice : (x, y) (y, x), projection (orthogonale) sur la première bissectrice : (x, y) ((x + y)/2, (x + y)/2) Figure 3 Interprétations géométriques de trois applications linéaires de R 2 dans R 2 : rotation d angle π/2, symétrie par rapport à la première bissectrice, projection sur la première bissectrice Les rotations et les symétries sont des automorphismes du plan vectoriel Les projections sont des endomorphismes, mais elles ne sont pas bijectives Observons que les translations, par exemple (x, y) (x + 2, y ), ne sont pas linéaires Ce sont des bijections, mais pas des automorphismes du plan vectoriel 35 Images et noyaux Qu une application linéaire respecte les combinaisons linéaires entraîne qu elle respecte aussi les sousespaces vectoriels, au sens suivant Théorème 35 Soient E, F deux espaces vectoriels, et f une application linéaire de E dans F Soit A un sous-espace vectoriel de E Alors est un sous-espace vectoriel de F 2 Soit B un sous-espace vectoriel de F Alors est un sous-espace vectoriel de E f(a) = {f(v), v A}, f (B) = {v E, f(v) B},
15 35 IMAGES ET NOYAUX 4 L ensemble des images par une application linéaire des éléments d un espace vectoriel est un sous-espace vectoriel de l espace d arrivée (point ) L ensemble des éléments de l espace de départ dont l image par une application linéaire est dans un sous-espace de l espace d arrivée, est un sous-espace de l espace de départ (point 2) Attention à la notation f (B) : elle a un sens même si l application f n est pas bijective et donc si l application réciproque f n existe pas Parmi les cas particuliers du Théorème 35, l image et le noyau jouent un rôle important Définition 35 Soient E et F deux espaces vectoriels et f une application linéaire de E dans F On appelle : image de f et on note Im(f) le sous-espace vectoriel de F : Im(f) = f(e) = {f(v), v E} 2 noyau de f et on note Ker(f) le sous-espace vectoriel de E : Ker(f) = f (0) = {v E, f(v) = 0} La notation Ker vient de l allemand, où noyau se dit Kern Considérons par exemple l application f de R 2 dans R 3 définie par : f : (x, y) (x + y, x + y, x + y) Son image est la droite vectorielle de R 3 engendrée par le vecteur (,, ) Son noyau est l ensemble des vecteurs (x, y) de R 2 tels que x + y = 0 : c est la droite vectorielle de R 2 engendrée par le vecteur (, ) Im(f) = {λ(,, ), λ R} et Ker(f) = {λ(, ), λ R} Proposition 35 Soient E et F deux espaces vectoriels et f une application linéaire de E dans F L application f est : surjective si et seulement si Im(f) = F, 2 injective si et seulement si Ker(f) = {0} Le rang d une application linéaire est la dimension de son image Définition 352 Soient E et F deux espaces vectoriels de dimension finie et f une application linéaire de E dans F On appelle rang de f la dimension de Im(f) : rang(f) = dim(im(f)) Supposons que E soit de dimension n et choisissons une base (b,, b n ) L image par f de tout vecteur de E est une combinaison linéaire des vecteurs f(b ),, f(b n ) Donc Im(f) est le sous-espace vectoriel de E engendré par (f(b ),, f(b n )) Le rang de f est la dimension de ce sous-espace ; c est donc le rang de la famille de vecteurs (f(b ),, f(b n )) (cf Définition 334) Observons que le rang est inférieur ou égal aux deux dimensions des espaces vectoriels de départ et d arrivée rang(f) min{dim(e), dim(f )} Théorème 352 Soit E et F deux espaces vectoriels de dimension finie Soit f une application linéaire de E dans F L application f est : surjective si et seulement si l image de toute famille génératrice dans E est une famille génératrice dans F, 2 injective si et seulement si l image de toute famille libre dans E est une famille libre dans F, 3 bijective si et seulement si l image de toute base de E est une base de F La conjonction des Théorèmes 352 et 332 implique les relations suivantes entre les dimensions des espaces de départ et d arrivée
16 42 CHAPITRE 3 DIMENSION FINIE Corollaire 35 Soient E et F deux espaces vectoriels de dimension finie et f une application linéaire de E dans F Si f est surjective alors dim(e) dim(f ) 2 Si f est injective alors dim(e) dim(f ) 3 Si f est bijective alors dim(e) = dim(f ) La dimension est donc une forte contrainte sur la nature des applications linéaires On peut aussi voir cette contrainte comme suit : Corollaire 352 Soient E et F deux espaces vectoriels de même dimension Une application linéaire de E dans F est bijective si et seulement si elle est injective ou surjective Il ne peut exister un isomorphisme entre deux espaces vectoriels que s ils ont la même dimension Réciproquement, si deux espaces ont la même dimension, on peut toujours construire un isomorphisme entre eux, en envoyant une base de l un sur une base de l autre En particulier, tous les espaces vectoriels de dimension n sont isomorphes à R n Si E est de dimension n, avec une base (b,, b n ), tous les vecteurs de E ont une décomposition unique n v = x i b i, i= où les x i sont les coordonnées de v (cf Théorème 333) L application de E dans R n qui à v associe le n-uplet de ses coordonnées (x,, x n ) est un isomorphisme de E dans R n La somme des dimensions de l image et du noyau est la dimension de l espace de départ : le Théorème 353 ci-dessous, est le Théorème du rang Théorème 353 Soient E et F deux espaces vectoriels de dimension finie et f une application linéaire de E dans F dim(im(f)) + dim(ker(f)) = dim(e) Exercice 68 On considère les applications suivantes de R 2 dans R 2 : Pour chacune de ces applications : Vérifier que f est une application linéaire f : (x, y) ( x, y) f : (x, y) (2x, 2y) f : (x, y) (x, 0) f : (x, y) (x, x) f : (x, y) (y, 0) f : (x, y) (y, y) f : (x, y) (x + y, x y) f : (x, y) (x y, x + y) 2 Donner une interprétation géométrique de f comme transformation du plan vectoriel, muni d une base orthonormée ( i, j) 3 Déterminer Ker(f) et Im(f) L application est-elle un automorphisme de R 2? 4 Reprendre les deux questions précédentes pour l application f I, où f est l application considérée et I désigne l application identique de R 2 Exercice 69 On considère les applications suivantes f : R 3 R 2 (x, y, z) (2x y, y z) L application f est-elle injective? surjective? 2 L application g est-elle injective? surjective? 3 Déterminer g f Est-elle injective? surjective? 4 Déterminer f g Est-elle injective? surjective? et g : R 2 R 3 (x, y) (x + y, x y, 2x + 3y)
17 36 ÉCRITURE MATRICIELLE Écriture matricielle Les espaces vectoriels considérés sont tous de dimension finie > Observons d abord qu une application linéaire est déterminée par l image qu elle donne d une base de l espace de départ Proposition 36 Soient E et F deux espaces vectoriels de dimension finie Soit (b,, b n ) une base de E Soit (w,, w n ) un n-uplet de vecteurs de F Il existe une application linéaire unique f telle que pour tout i =,, n, f(b i ) = w i Si on choisit une base dans l espace d arrivée, alors les images des vecteurs de la base de départ ont des coordonnées dans cette base S il y a n vecteurs de base au départ et m à l arrivée, l application linéaire est déterminée par m n réels : m coordonnées pour chacun des n vecteurs de base Une matrice est la représentation sous forme de tableau de ces m n réels Notons (b,, b n ) une base de l espace de départ, et (c,, c m ) une base de l espace d arrivée Soit a i,j la i-ième coordonnée de f(b j ) : j =,, n, f(b j ) = a,j c + + a i,j c i + + a m,j c m = m a i,j c i i= Les coordonnées des vecteurs images f(b ),, f(b n ) sont conventionnellement notées en colonnes L indice i (des vecteurs de la base d arrivée) est l indice de ligne, l indice j (des vecteurs de la base de départ) est l indice de colonne départ f(b ) f(b j ) f(b n ) a, a,j a,n c a i, a i,j a i,n c i arrivée a m, a m,j a m,n c m Le plus souvent, on se ramènera au cas où l espace de départ est R n et l espace d arrivée R m, les deux étant munis de leurs bases canoniques Comme premier exemple, considérons l application de R 2 dans R 3 : f : (x, y) (x + y, 2x + 3y, x y) La base canonique de R 2 est ((, 0), (0, )) L image de ces deux vecteurs est f((, 0)) = (, 2, ) et f((0, )) = (, 3, ) La matrice de f est donc la suivante (attention à l écriture des vecteurs de l espace d arrivée en colonnes) 2 3 Munissons maintenant R 2 de la base ((, ), (, )) au départ, et R 3 de la base ((, 0, 0), (,, 0), (,, )) à l arrivée Les images des vecteurs de la base de départ sont D où la matrice f((, )) = (2, 5, 0) = 3(, 0, 0) + 5(,, 0) + 0(,, ) et f((, )) = (0,, 2) = (, 0, 0) 3(,, 0) + 2(,, )
18 44 CHAPITRE 3 DIMENSION FINIE Quand l espace d arrivée et l espace de départ sont les mêmes (l application est un endomorphisme), on choisit la même base au départ et à l arrivée La matrice d un endomorphisme a autant de lignes que de colonnes : on dit qu elle est carrée Voici les matrices de trois endomorphismes de R 2, dans la base canonique Rotation d angle π/2 : (x, y) ( y, x) ( ) 0 0 Symétrie par rapport à la première bissectrice : (x, y) (y, x) ( ) 0 0 Projection sur la première bissectrice : (x, y) ((x + y)/2, (x + y)/2) ) ( 2 2 Dans un espace de dimension n, la matrice de l application identique est la matrice carrée n n qui a des sur la diagonale (termes d indices (i, i)) et des 0 en dehors (termes d indices (i, j) avec i j) On l appelle matrice identité d ordre n et on la note I n : 0 0 I n = La représentation matricielle présente l avantage d automatiser de nombreux calculs Nous consacrerons le chapitre suivant au calcul matriciel Pour l instant nous allons voir comment la matrice d une application linéaire permet de calculer l image d un vecteur dont on se donne les coordonnées dans la base de départ Reprenons la situation générale : (b,, b n ) est une base de l espace de départ, et (c,, c m ) une base de l espace d arrivée Le coefficient d indice (i, j) de la matrice de f, noté a i,j, est la i-ième coordonnée de f(b j ) : 2 2 j =,, n, f(b j ) = a,j c + + a i,j c i + + a m,j c m = m a i,j c i i= Considérons maintenant un vecteur v de l espace de départ, dont les coordonnées dans la base (b,, b n ) sont (x,, x n ) : v = x b + + x n b n L image de v par f est : n f(v) = x f(b ) + + x n f(b n ) = x j f(b j ) = n m x j j= j= i= a i,j c i = m n a i,j x j c i i= j= Donc le vecteur f(v) se décompose dans la base (c,, c m ) en f(v) = y c + + y m c m, avec : n i =,, m, y i = a i,j x j j=
19 36 ÉCRITURE MATRICIELLE 45 On dit que le vecteur (y i ) i=,,m est le produit de la matrice (a i,j ) par le vecteur (x j ) j=,,n Observez que ce produit n a de sens que si le nombre de coordonnées du vecteur est égal au nombre de colonnes de la matrice Il est commode, pour calculer le produit d une matrice par un vecteur, de représenter les x i en colonne, au-dessus et à droite de la matrice (a i,j ) (voir FIGURE 32) : a, a,j a,n a i, a i,j a i,n a m, a m,j a m,n Reprenons l exemple de l application de R 2 dans R 3 : x x j x n y y j y n f : (x, y) (x + y, 2x + 3y, x y) Les bases respectives de R 2 et R 3 étant les bases canoniques, la matrice de f est : 2 3 Figure 32 Comment présenter le produit d une matrice par un vecteur colonne Pour vérifier la cohérence de la notation matricielle, calculons le produit de cette matrice par un vecteur de R 2 quelconque (x, y) ( ) x 2 3 y x + y 2x + 3y x y Exercice 70 On considère les applications suivantes de R 2 dans R 2 f : (x, y) ( x, y) f : (x, y) (2x, 2y) f : (x, y) (x, 0) f : (x, y) (x, x) f : (x, y) (y, 0) f : (x, y) (y, y) f : (x, y) (x + y, x y) f : (x, y) (x y, x + y)
20 46 CHAPITRE 3 DIMENSION FINIE Déterminer la matrice de chacune de ces applications dans les bases suivantes de R 2 ((, 0), (0, )) 2 ((0, ), (, 0)) 3 ((0, 2), ( 3, 0)) 4 ((0, ), (, )) 5 ((, ), (, )) Exercice 7 Pour tout entier n, on munit R n de sa base canonique Donner la matrice de chacune des applications f suivantes Déterminer une base de Im(f) et une base de Ker(f) f : R 2 R 3, (x, y) f(x, y) = (x + y, x y, 2x) 2 f : R 3 R 3, (x, y, z) f(x, y, z) = (0, y z, z x) 3 f : R 3 R 3, (x, y, z) f(x, y, z) = (x y, y z, z x) 4 f : R 4 R 2, (x, y, z, t) f(x, y, z, t) = (x + y + 2z t, 2x + y + z + t) 5 f : R 4 R, (x, y, z, t) f(x, y, z, t) = x y + 2z + 3t 37 Détermination pratique de l image et du noyau Nous reprenons les notations de la section précédente : E et F sont deux espaces vectoriels, munis respectivement des bases (b,, b n ) et (c,, c m ) La matrice de l application linéaire f relative à ces deux bases est (a i,j ) Le noyau de f est l ensemble des vecteurs de E dont l image par f est le vecteur nul Soit v un vecteur de E et x = (x,, x n ) le n-uplet de ses coordonnées dans la base (b,, b n ) La condition nécessaire et suffisante sur x pour que f(v) soit nul est que toutes les coordonnées de f(v), c est-à-dire toutes les lignes du produit Ax, soient nulles : a, x + +a,j x j + +a,n x n = 0 (H) a i, x + +a i,j x j + +a i,n x n = 0 a m, x + +a m,j x j + +a m,n x n = 0 Le système linéaire (H) est homogène : l ensemble de ses solutions est un sous-espace vectoriel de R n La méthode du pivot de Gauss permet de déterminer une base de l ensemble des solutions de (H), donc une base de Ker(f) Nous allons voir qu elle permet aussi au passage de déterminer le rang de f, et même une base de Im(f) D après la Proposition 36, à toute famille de n vecteurs de R m correspond une application linéaire de R n dans R m Nous avons vu que le rang de cette application est le rang de la famille de vecteurs (Définitions 334 et 352) La technique décrite ici s applique indifféremment à une famille de vecteurs ou à une application linéaire La première étape de la méthode de Gauss consiste à mettre le système (H) sous forme échelonnée : (H ) p y +a,2 y 2+ +a,j y j+ +a,n y n = 0 p 2 y 2 + +a 2,j y j+ +a 2,n y n = 0 p r y r + +a r,ny n = 0 0 = 0 0 = 0 Mettre le système (H) sous forme échelonnée, c est passer de (H) à (H ) par des transformations de lignes consistant à ajouter à une ligne le produit d une autre par une constante, échanger deux lignes, permuter éventuellement des coordonnées, de sorte que
21 37 DÉTERMINATION PRATIQUE DE L IMAGE ET DU NOYAU 47 les systèmes (H) et (H ) sont équivalents, 2 les inconnues (y,, y n ) de (H ) sont celles de (H), mais dans un ordre qui peut être différent, 3 les pivots p,, p r sont tous non nuls Au système (H ) on peut associer la matrice suivante : p a,2 a,j a,n p 2 a 2,j a 2,n A = p r a r,n 0 0 Cette matrice est celle d une autre application linéaire f, de E vers F Théorème 37 Les applications f et f sont de rang r (f (b ),, f (b r )) est une base de Im(f ) Soient i,, i r les indices tels que (x i,, x ir ) = (y,, y r ) (f(b i ),, f(b ir )) est une base de Im(f) La technique est beaucoup plus facile à appliquer qu il n y paraît Considérons l application suivante, de R 4 dans R 3 : f : (x, y, z, t) (x + 2y + z + t, 2x + 4y + 3z + t, x + 2y + 2z) Sa matrice, relative aux bases canoniques de R 4 au départ, et R 3 à l arrivée est : 2 A = Le système homogène permettant de déterminer Ker(f) est : (H) x +2y +z +t = 0 2x +4y +3z +t = 0 x +2y +2z = 0 x +z +2y +t = 0 z t = 0 z t = 0 y z x +2y +z +t = 0 z t = 0 L 2 L 2 2L z t = 0 L 3 L 3 L x +2y +z +t = 0 z t = 0 0 = 0 L 3 L 3 L 2 Le système est de rang 2, il en est de même de l application f La mise sous forme échelonnée montre que les colonnes de A correspondant aux variables x et z, à savoir la première et la troisième, forment une famille libre, donc une base de Im(f) : Im(f) = λ 2 + µ 3, λ, µ R 2 Nous avons écrit les vecteurs en colonnes, pour souligner le fait qu il s agit nécessairement de vecteurs colonnes de la matrice A Pour trouver une base de Ker(f), il faut continuer la résolution (H) { x +z = 2y t z = t { x = 2y 2t L L L 2 z = t L ensemble des solutions est l ensemble des quadruplets ( 2y 2t, y, t, t), où y et t sont deux réels quelconques Donc :
22 48 CHAPITRE 3 DIMENSION FINIE C est un sous-espace de dimension 2 dans R 4 Exercice 72 Ker(f) = {y( 2,, 0, 0) + t( 2, 0,, ), y, t R} L espace vectoriel R 3 est rapporté à sa base naturelle B = (e, e 2, e 3 ) où e = (, 0, 0), e 2 = (0,, 0), e 3 = (0, 0, ) Soient les vecteurs u = (, 0, ), v = (0,, ), w = (, 2, 0) et B = {u, v, w} Montrer que B est une base de R 3 2 Déterminer la matrice de passage P de la base B à la base B 3 Déterminer la matrice de passage Q de la base B à la base B 4 Vérifier que P = Q Exercice 73 On considère dans R 4 le système x + 3x 2 + 7x 3 5x 4 = 2x + 5x 2 + 0x 3 6x 4 = 3x 4x 2 + x 3 7x 4 = 2 Résoudre ce système par la méthode du pivot de Gauss 2 On considère les vecteurs v, v 2, v 3 et v 4 définis par v = (, 2, 3), v 2 = (3, 5, 4), v 3 = (7, 0, ), v 4 = ( 5, 6, 7) (a) La famille B = (v, v 3, v 4 ) est-elle une base de R 3? (b) La famille B 2 = (v, v 2, v 3 ) est-elle une base de R 3? (c) Déterminer les coordonnées de v 4 dans la base B 2 (utiliser une matrice de passage particulière) Exercice 74 Soit B = (e, e 2, e 3 ) la base naturelle de R 3 On considère les trois vecteurs v = e + e 2 + e 3, v 2 = e e 2, v 3 = e e 3 Montrer que B = (v, v 2, v 3 ) est une base de R 3 2 Quelle est la matrice de passage P de la base B à la base B? 3 Déterminer sa matrice inverse P À quoi correspond-elle? Exercice 75 Soient les vecteurs a = 2, b = 0 2 0, c = , d = 3 3 Vérifier que la famille B = (a, b, c, d) est libre et génératrice 2 Écrire la matrice de passage de la base canonique à B x 3 Exprimer le vecteur y z dans cette base t
23 37 DÉTERMINATION PRATIQUE DE L IMAGE ET DU NOYAU 49 Exercice 76 Soit S = ((, 0, 0), (0,, ), (, 0, )) = (v, v 2, v 3 ) une base de R 3 ainsi que la base canonique de R 3 soit T = ((, 0, 0), (0,, 0), (0, 0, )) = (i, j, k) Comment s écrit la matrice de changement de base P de T à S? 2 Comment s écrit la matrice de changement de base P de S à T? 3 Que peut-on conclure? Exercice 77 On considère les bases suivantes de R 2 : S = ((, 2), (2, 5)) et T = ((, 0), (0, )) = (e, e 2 ) Écrire la matrice de passage P de T à S 2 Écrire la matrice de passage Q de S à T 3 Vérifier que P = Q ou que P = Q ( ) ( Soit A = une matrice exprimée dans la base T Soit B = que A mais exprimée cette fois-ci dans la base S Calculer P AP Conclure ) la même matrice