Espaces vectoriels et applications linéaires

Documents pareils
Un K-espace vectoriel est un ensemble non vide E muni : d une loi de composition interne, c est-à-dire d une application de E E dans E : E E E

Le produit semi-direct

Structures algébriques

Exo7. Matrice d une application linéaire. Corrections d Arnaud Bodin.

Cours de mathématiques

Capes Première épreuve

Formes quadratiques. 1 Formes quadratiques et formes polaires associées. Imen BHOURI. 1.1 Définitions

Première partie. Préliminaires : noyaux itérés. MPSI B 6 juin 2015

Théorie et codage de l information

Exercices - Fonctions de plusieurs variables : corrigé. Pour commencer

Calcul fonctionnel holomorphe dans les algèbres de Banach

NOTATIONS PRÉLIMINAIRES

De même, le périmètre P d un cercle de rayon 1 vaut P = 2π (par définition de π). Mais, on peut démontrer (difficilement!) que

Programmes des classes préparatoires aux Grandes Ecoles

[ édité le 30 avril 2015 Enoncés 1

3. Conditionnement P (B)

Espérance conditionnelle

Simulation de variables aléatoires

Exercices Corrigés Premières notions sur les espaces vectoriels

Fonctions de plusieurs variables

Dualité dans les espaces de Lebesgue et mesures de Radon finies

Chapitre 7. Statistique des échantillons gaussiens. 7.1 Projection de vecteurs gaussiens

Résolution d équations non linéaires

Introduction à l étude des Corps Finis

Yamina Yagoub-Zidi. Inconditionnalité et propriétés du point fixe dans les espaces de fonctions lisses

FONCTIONS DE PLUSIEURS VARIABLES (Outils Mathématiques 4)

Chapitre 2 Le problème de l unicité des solutions

Fonctions de plusieurs variables, intégrales multiples, et intégrales dépendant d un paramètre

I - PUISSANCE D UN POINT PAR RAPPORT A UN CERCLE CERCLES ORTHOGONAUX POLES ET POLAIRES


Exemple 4.4. Continuons l exemple précédent. Maintenant on travaille sur les quaternions et on a alors les décompositions

Calcul différentiel sur R n Première partie

Notes du cours MTH1101N Calcul I Partie II: fonctions de plusieurs variables

Optimisation non linéaire Irène Charon, Olivier Hudry École nationale supérieure des télécommunications

3 Approximation de solutions d équations

Programmation linéaire et Optimisation. Didier Smets

CHAPITRE IV. L axiome du choix

Étudier si une famille est une base

Fonctions de plusieurs variables et applications pour l ingénieur

Relation d ordre. Manipulation des relations d ordre. Lycée Pierre de Fermat 2012/2013 Feuille d exercices

MAT 721: Algèbre non commutative. Chapitre I: Algèbres. 1.1 Définitions et exemples

Équations non linéaires

OM 1 Outils mathématiques : fonction de plusieurs variables

Théorème du point fixe - Théorème de l inversion locale

Intégration et probabilités TD1 Espaces mesurés Corrigé

Marc HINDRY. Introduction et présentation. page 2. 1 Le langage mathématique page 4. 2 Ensembles et applications page 8

Problèmes de Mathématiques Filtres et ultrafiltres

Produit semi-direct. Table des matières. 1 Produit de sous-groupes 2. 2 Produit semi-direct de sous-groupes 3. 3 Produit semi-direct de groupes 4

Mathématiques Algèbre et géométrie

Différentiabilité ; Fonctions de plusieurs variables réelles

Calcul matriciel. Définition 1 Une matrice de format (m,n) est un tableau rectangulaire de mn éléments, rangés en m lignes et n colonnes.

1 Première section: La construction générale

Corrigé Problème. Partie I. I-A : Le sens direct et le cas n= 2

Contexte. Pour cela, elles doivent être très compliquées, c est-à-dire elles doivent être très différentes des fonctions simples,

Cours de Mécanique du point matériel

Calcul Différentiel. I Fonctions différentiables 3

1 Complément sur la projection du nuage des individus

Chapitre VI Fonctions de plusieurs variables

Continuité d une fonction de plusieurs variables

LEÇON N 7 : Schéma de Bernoulli et loi binomiale. Exemples.

Cours arithmétique et groupes. Licence première année, premier semestre

Fonctions de plusieurs variables

AOT 13. et Application au Contrôle Géométrique

C algèbre d un certain groupe de Lie nilpotent.

MESURE ET INTÉGRATION EN UNE DIMENSION. Notes de cours

Problème 1 : applications du plan affine

Une introduction aux codes correcteurs quantiques

1 Définition et premières propriétés des congruences

Proposition. Si G est un groupe simple d ordre 60 alors G est isomorphe à A 5.

Relation entre deux variables : estimation de la corrélation linéaire

Moments des variables aléatoires réelles

L ANALYSE EN COMPOSANTES PRINCIPALES (A.C.P.) Pierre-Louis GONZALEZ

Réalisabilité et extraction de programmes

Exercice autour de densité, fonction de répatition, espérance et variance de variables quelconques.

Calcul intégral élémentaire en plusieurs variables

Université Paris-Dauphine DUMI2E 1ère année, Applications

ILT. Interfacultair Instituut voor Levende Talen. Actes de communication. Serge Verlinde Evelyn Goris. Katholieke Universiteit Leuven

Cours d Analyse. Fonctions de plusieurs variables

Résumé du cours d algèbre 1, Sandra Rozensztajn. UMPA, ENS de Lyon, sandra.rozensztajn@ens-lyon.fr

Equations différentielles linéaires à coefficients constants

Chapitre 2. Matrices

Déterminants. Marc SAGE 9 août Inverses et polynômes 3

Loi d une variable discrète

Intégration et probabilités TD1 Espaces mesurés

Logique. Plan du chapitre

Fonctions de plusieurs variables et changements de variables

Limites finies en un point

COMPTE-RENDU «MATHS EN JEANS» LYCEE OZENNE Groupe 1 : Comment faire une carte juste de la Terre?

Comparaison de fonctions Développements limités. Chapitre 10

Continuité et dérivabilité d une fonction

Introduction à la théorie des graphes. Solutions des exercices

Intégrale de Lebesgue

I. Polynômes de Tchebychev

Modèles bi-dimensionnels de coques linéairement élastiques: Estimations de l écart entre leurs solutions.

Amphi 3: Espaces complets - Applications linéaires continues

Souad EL Bernoussi. Groupe d Analyse Numérique et Optimisation Rabat http ://

Optimisation, traitement d image et éclipse de Soleil

Premiers exercices d Algèbre. Anne-Marie Simon

M2 IAD UE MODE Notes de cours (3)

Produits d espaces mesurés

Transcription:

Lycée du Parc PCSI 843 2017-2018 Espaces vectoriels et applications linéaires Dans ce chapitre, le corps K considéré sera R ou C. On notera les notions qui ne seront pas prioritaires dans une première approche de ce chapitre. 1 Espaces vectoriels 1.1 Définition Soient un corps K et (E, +) un ensemble muni d une loi de composition interne et d une loi de multiplication externe, c est-à-dire une application g g : K E E (α,x) α x La structure (E,+, ) est un espace vectoriel sur K (un K-espace vectoriel), si (a) (E,+) a une structure de groupe commutatif (ou groupe abélien). (i) La loi + est associative : x,y,z E, (x+y)+z = x+(y +z). (ii) La loi + est commutative : x,y E, x+y = y +x. (iii) Il existe un élément neutre 0 E : x E, x+0 E = x. (iv) Pour tout élément x de E, il existe un symétrique pour + noté x : x+( x) = 0 E / (b) La multiplication externe vérifie (α,β) K et x,y E : α (x+y) = α x+α y, α (β x) = (αβ) x (α+β) x = α x+β x, 1 K x = x. Les éléments de E sont appelés vecteurs et les éléments de K sont appelés scalaires. On omet en général le symbole, αx = α x. Remarques : Les propriétés précédentes permettent de démontrer que pour vecteur x de E, on a 0 K x = 0 E. La définition formelle et précise d un espace vectoriel n est pas la priorité dans l apprentissage de ce cours. On démontre extrêmement rarement qu un ensemble est un espace vectoriel en revenant à la définition générale. Le plus important, dans ce paragraphe, se situe dans la liste suivante : Exemples de référence : 1. Le corps K est K-espace vectoriel. 2. Les n-uplets de K n forment un K-espace vectoriel. 3. L ensemble M n,p (K) des matrices n lignes et p colonnes forme un K-espace vectoriel. 4. L ensemble E = F(I,R) des fonctions d un ensemble quelconque I dans R forme un R- espace vectoriel pour les lois usuelles ( f,g E, λ R, x I, (f +λg)(x) = f(x)+λg(x) ). 1

5. L ensemble des suites de nombres réels munit des règles usuelles forment un R-espace vectoriel. 6. Si E est une K-espace vectoriel, l ensemble F = F(I,E) des fonctions d un ensemble quelconque I dans E forme un K-espace vectoriel pour les lois usuelles f,g F, λ K, x I, (f +λg)(x) = f(x)+λg(x).. 7. Si E et F sont deux K-espaces vectoriels, l ensemble F = F(E,F) des fonctions de E dans F forme un K-espace vectoriel pour les lois usuelles f,g F, λ K, x E (f +λg)(x) = f(x)+λg(x). Les exemples précédents permettent d englober un nombre très important de cas que l on traitera en cours comme dans les problèmes. 1.2 Propriétés Définition 1. Soit E un espace vectoriel sur K. Soit (x 1,,x n ) E n, on appelle combinaison linéaire à coefficients dans K des vecteurs x 1,,x n un élément de la forme x = λ 1 x 1 + +λ n x n, où (λ 1,,λ n ) K n. Pour tout vecteur x E, on a 0 K x = 0 E. Proposition 1. Soient E et F deux espaces vectoriels sur K, alors E F est un K-espace vectoriel muni des lois + et définies par (u 1,v 1 ),(u 2,v 2 ) E F,λ K, (u 1,v 1 )+(u 2,v 2 ) = (u 1 +u 2,v 1 +v 2 ) λ (u 1,v 1 ) = (λ 1 u 1,λu 2 ). 2 Sous-espaces vectoriels 2.1 Définition Soient (E,+, ) un K-espace vectoriel et F une partie de E stable sous les lois + et, F est un sous-espace vectoriel de E si (F,+, ) possède une structure d espace vectoriel. Exemple : 1. Soit E = R 2, la droite F = {(x,y);x+y = 0} est un sous-espace vectoriel de R 2. 2. Soit E = F(R,R), la partie F = {f;f E,f(0) = 0) est un sous-espace vectoriel de E. 2.2 Caractérisation Soient (E, +, ) un K-espace vectoriel et F une partie de E, les 3 propriétés suivantes sont équivalentes : (i) F est un sous-espace vectoriel de E. (ii) F est non vide et x,y F, α,β K, αx+βy F. (iii) 0 E F et x,y F, α,β K, αx+βy F. 2

2.3 Intersection de sous-espaces, sous-espace vectoriel engendré, somme de sous-espaces vectoriels 2.3.1 Intersection Soient (E,+, ) un K-espace vectoriel et (F i ) i I une famille de sous-espaces vectoriels de E (I fini ou infini), alors F i est un sous-espace vectoriel de E. i I 2.3.2 Sous-espace vectoriel engendré Soient (E,+, ) un K-espace vectoriel et F une partie de E, on appelle sous-espace engendré par F, le plus petit sous-espace vectoriel de E contenant F. On note ce sous-espace Vect K F, VectF ou F K. Si F est de cardinal et finief = {x 1,,x n }, on a VectF = {λ 1 x 1 +λ 2 x 2 + +λ n x n ; (λ 1,,λ n ) K n } Si une partie F de cardinal quelconque de E, alors VectF est l ensemble des combinaisons linéaires des sous-familles finies de F. Exemples : 1. Soit E = R 2, Vect{(1,1)} est la droite vectoriel d équation y = x. 2. Soit E = F(R,R), la partie Vect{x 1} est un sous-espace vectoriel de E. 2.3.3 Somme de 2 sous-espaces vectoriels Soient (E,+, ) un K-espace vectoriel et F, G 2 sous-espaces vectoriels de E, on a l égalité VectF G = {x; x = x F +x G avec x F F, x G G} on l appelle sous-espace somme de F et G noté F +G ce sous-espace vectoriel. 2.3.4 Somme directe Soient (E,+, ) un K-espace vectoriel et F, G 2 sous-espaces vectoriels de E, si pour tout élément x de F + G, il existe un unique couple (x F,x G ) F G tel que x = x F + x G, les sous-espaces vectoriels F et G sont en somme directe notée F G. Caractérisation : Soient F, G 2 sous-espaces vectoriels de E, on a équivalence entre (i) F, G sont en somme directe. (ii) F G = {0 E } 3

2.3.5 Sous-espaces vectoriels supplémentaires Soient (E,+, ) un K-espace vectoriel et F, G 2 sous-espaces vectoriels de E en somme directe tel que F G = E, alors G est un sous-espace vectoriel supplémentaire de F dans E. Caractérisation : Soient F, G 2 sous-espaces vectoriels de E, on a équivalence entre (i) G est un supplémentaire de F dans E. (ii) F G = {0 E } et F +G = E Proposition 2. Soient E un K-espace vectoriel et F un sous-espace vectoriel de E, alors il existe un sous-espace vectoriel G supplémentaire de F dans E. 3 Applications linéaires 3.1 Définition Soient E,F deux K-espaces vectoriels et f F(E,F), f est une application linéaire de E dans F si et seulement si x,y E, α,β K, f(αx+βy) = αf(x)+βf(y). On note L(E, F) l ensemble des applications linéaires de E dans F. Si E = F, on abrège la notation par L(E) = L(E, E). On appelle noyau de f noté Kerf la partie de E définie par f 1 ({0 F }). On note Imf l image directe de E par f. Remarques : 1. Si F est le corps des scalaires (c est-à-dire F = K), on dit que f est une forme linéaire. 2. Si f est un élément de L(E), on définit les itérés de f notés : n N, f 0 = Id E et f n+1 = f f n. 3.2 Propriétés Proposition 3. Soient E,F deux K-espaces vectoriels, E 1 et F 1 des sous-espaces vectoriels respectivement de E et F, f une application linéaire de E dans F alors f(e 1 ) est un sousespace vectoriel de F et f 1 (F 1 ) est un sous-espace vectoriel de E. Corollaire 1. Soient E,F deux K-espaces vectoriels, f une application linéaire de E dans F alors (i) Imf est un sous-espace vectoriel de F. (ii) Kerf est un sous-espace vectoriel de E. Le point (ii) sera une méthode efficace pour justifier qu un ensemble est un sousespace vectoriel. Il faudra introduire une application linéaire adéquate pour l utiliser. 4

Exemples : 1. Soit E = R 4, l ensemble des solutions de x+y +z +t = 0 est un sous-espace vectoriel de E, car c est le noyau de la forme linéaire g définie sur E par g(x,y,z,t) = x+y +z +t. 2. Soit E = F(R,R), on a alors F = {f ; f E, f(0) = 0} est un sous-espace vectoriel de E, car c est le noyau de la forme linéaire ϕ définie sur E par ϕ(f) = f(0). 3. SoientE = C 2 (R) etf = C(R,R), alors l ensemble des solutions de l équation différentielle y +2y = 0 est un sous-espace vectoriel de E, car c est le noyau de l application linéaire ψ définie E dans F par ψ(f) = f +2f. Proposition 4. Soient E, F deux K-espaces vectoriels, f une application linéaire de E dans F alors on a les équivalences suivantes : f injective Ker(f) = {0 E } f surjective Im(f) = F Proposition 5. Soient E,F,G trois K-espaces vectoriels, on a (a) f,g L(E,F), λ K, (b) f L(E,F), u L(F,G), (c) f L(E,F), u,v L(F,G), (d) f,g L(E,F), u L(F,G), f +λg L(E,F) u f L(E,G) (u+v) f = u f +v f u (f +g) = u f +u g Sous l hypothèse de commutation (attention en général, f g g f), on généralise les formules de développement Corollaire 2. Soient f, g L(E) qui commutent ( c est-à-dire f g = g f), on a n ( ) n (f +g) n = f k g n k k k=0 ( n 1 ) n N, f n g n = (f g) f k g n 1 k ( k=0 2n ) f 2n+1 +g 2n+1 = (f +g) ( 1) k f k g 2n k Définition 2. Soient E,F deux K-espaces vectoriels, f une application linéaire de E dans F (a) f est un endomorphisme d espaces vectoriels, si E = F (b) f est un isomorphisme d espaces vectoriels, si f est bijective. (c) f est un automorphisme d espaces vectoriels, si f est un isomorphisme et un endomorphisme. (d) E et F sont deux espaces vectoriels isomorphes si il existe un isomorphisme entre E et F. Proposition 6. Si f un isomorphisme d espaces vectoriels de E dans F, alors f 1 est isomorphisme d espaces vectoriels de F dans E. 5 k=0

3.3 Structure algébrique Ce paragraphe est une conséquence des propositions 5 et 6. Proposition 7. Soient E,F deux K-espaces vectoriels, L(E,F) est un K-espace vectoriel. Preuve : On montre que L(E,F) est un sous-espace vectoriel de F(E,F). Proposition 8. Soit (L(E), +, ) est un anneau. Explication : Cela signifie que (L(E), +) est un groupe commutatif (cf. définition donnée dans celle des espace vectoriels) et que le loi de composition possède un élément neutre Id E, est associative et se distribue par rapport à +. Proposition 9. L ensemble des isomorphismes de l espace vectoriel E est un groupe noté GL(E) (c est un sous-groupe des bijections de E). 3.4 Applications linéaires remarquables : les projecteurs et les symétries 3.4.1 Définition Soient E un K-espace vectoriel, F un sous-espace vectoriel de E et G un supplémentaire de F dans E. Pour tout x élément de E, soit l unique décomposition (x F,x G ) F G tel que x = x F +x G, on appelle projecteur sur F parallèlement à G l application p de E dans E définie par p(x) = x F, et on appelle symétrie par rapport F parallèlement à G l application s de E dans E définie par s(x) = x F x G En dimension 2, avec F et G deux droites vectorielles, cela donne la figure suivante. Ne pas hésiter à faire un dessin sur un feuille de brouillon ou au tableau, quand on cherche un exercice. G x F x G x F = p(x) s(x) = x F x G 6

3.4.2 Propriétés Proposition 10. Soient E un K-espace vectoriel, F un sous-espace vectoriel de E et G un supplémentaire de F dans E, p le projecteur sur F parallèlement à G et s la symétrie par rapport à F parallèlement à G, alors on a (a) p,s L(E) (b) p = s+id 2 (c) F = Imp = Ker(s Id E ) et G = Kerp = Ker(s+Id E ). Proposition 11 (Caractérisation d un projecteur ou d une symétrie). Soient E un K-espace vectoriel et f une application de E dans E, on a f est un projecteur f L(E) et f f = f, f est une symétrie f L(E) et f f = Id E. Exemples : 1. Soit E = R 2 et f L(E) définie par f(x,y) = (5x 2y,12x 5y). On calcule que f(f(x,y)) = (x,y), on a donc l application f est une symétrie de R 2. On cherche ses éléments caractéristiques, les points fixes f(x,y) = (x,y) donne le système { 5x 2y = x 12x 5y = y 2x y = 0. les vecteurs qui sont envoyés sur leurs opposés f(x,y) = (x,y) donne le système { 5x 2y = x 12x 5y = y 3x y = 0. On conclut f une symétrie par rapport à la droite d équation y = 2x parallèlement à la droite d équation y = 3x. 2. Soit E = F(R,R). On considère l application ϕ définie de E dans E par Elle est linéaire. On vérifie que ϕ(f) = (x f(x) f(2)). ϕ(ϕ(f)) = ϕ(x f(x) f(2)) = (x (f(x) f(2)) (f(2) f(2))) = (x f(x) f(2)) = ϕ(f). L application ϕ est donc un projecteur. On a Imϕ = {f ; f E,f(2) = 0} et Kerϕ ensemble des fonctions constantes sur R. 7

3. Soit E un espace vectoriel et p, q 2 projecteurs de E, montrons qu il y a équivalence entre (i) p + q est un projecteur. (ii) p q = q p = 0 (ii) (i) On a (p+q) 2 = (p+q) (p+q) = p 2 +p q +q p+q 2 = p+p q +q p+q (car p et q sont des projecteurs) = p+q (car p q = q p = 0) Par caractérisation des projecteurs, on a donc p+q projecteur. (i) (ii) Comme p+q est un projecteur, par caractérisation des projecteurs, on a (p+q) 2 = p+q, soit p 2 +p q +q p+q 2 = p+q. Comme p et q sont des projecteurs, on a p 2 = p et q 2 = q et on en déduit p q +q p = 0. Il en résulte p q = q p. En composant par p, on en déduit et comme p 2 = p et p q = q p, on donc p 2 q = p q p. p q = ( q p) p, soit, comme p 2 = p, On a donc p q = q p. p q = q p = q p. On conclut q p = p q = 0. Proposition 12. Soient E un K-espace vectoriel et p un projecteur, alors l application linéaire q = Id p est un projecteur, p et q sont appelés projecteurs associés et on a p q = q p = 0, p+q = Id, Kerp = Imq, Kerq = Imp. Proposition 13. Soient E un K-espace vectoriel, E 1 et E 2 deux sous-espace vectoriels supplémentaires de E, F un K-espace vectoriel f 1 L(E 1,F) et f 2 L(E 2,F), alors il existe une unique application f de L(E,F) tel que f E1 = f 1 et f E2 = f 2. Preuve : Pour l existence, on construit f en utilisant les projecteurs associés p E1 et p E2 sur les 2 espaces supplémentaires E 1 et E 2 et en posant f = f 1 p E1 +f 2 p E2. 8