désigne ou , et , , des -espaces vectoriels ; toute hypothèse de dimension finie est écrite explicitement. L’étude théorique des espaces de dimension infinie et la dualité sont hors programme.
1Espaces de dimension finie, existence de bases
Définition. est de dimension finie s’il admet une famille génératrice finie. Sinon, est dit de dimension infinie.
Notation. , , sont de dimension finie ; et ne le sont pas.
Théorème — base extraite. Soit de dimension finie et une famille génératrice de . Alors on peut en extraire une base : il existe tel que soit une base de .
Théorème — base incomplète. Soit de dimension finie, une famille génératrice de et une sous-famille libre (). Alors il existe avec tel que soit une base de . En particulier : toute famille libre d’un espace de dimension finie se complète en une base à l’aide de vecteurs d’une famille génératrice donnée.
Idée de preuve (exigible). On considère l’ensemble des parties telles que soit libre ; il est non vide (il contient ) et fini, donc possède un élément de cardinal maximal. Pour , la famille est liée par maximalité, donc (le seul coefficient pouvant être non nul dans une relation est celui de , car est libre). Ainsi contient tous les , donc contient : la famille est libre et génératrice, c’est une base.
Remarque. Il n’y a aucune unicité du complément, et on ne complète pas avec n’importe quel vecteur : est libre dans mais ne la complète pas en une base.
2Dimension
Théorème — lemme fondamental. Si est engendré par vecteurs, alors toute famille de vecteurs de est liée. Autrement dit : dans un espace engendré par vecteurs, une famille libre a au plus éléments.
Idée de preuve (exigible). Récurrence sur : pour , deux vecteurs d’une droite sont colinéaires ; pour l’hérédité, on décompose les vecteurs sur la famille génératrice et l’on élimine le dernier générateur par combinaisons, se ramenant à vecteurs d’un espace engendré par vecteurs.
Théorème — dimension. Si est de dimension finie, toutes ses bases ont le même cardinal fini, appelé dimension de et noté . Par convention .
Propriété — dimensions usuelles.
- (base canonique) ; (base ) ; .
- vu comme -espace vectoriel est de dimension (base ) : la dimension dépend du corps de base.
- .
- Solutions de sur un intervalle ( continue) : dimension . Solutions de ( constantes) : dimension . Suites vérifiant avec : dimension .
Théorème — caractérisation des bases par le cardinal. Soit de dimension finie et une famille de exactement vecteurs de . Alors
Méthode — prouver qu’une famille est une base. compter d’abord ses éléments. Si le cardinal vaut , une seule des deux vérifications suffit — en pratique la liberté, qui se ramène à un système linéaire homogène.
Définition. Le rang d’une famille finie de vecteurs est . On a toujours , avec égalité si et seulement si la famille est libre.
3Sous-espaces et dimension
Théorème. Soit de dimension finie et un sous-espace de . Alors est de dimension finie, , et
Remarque. L’implication « » exige que soit un sous-espace de et finie ; deux sous-espaces quelconques de même dimension n’ont, eux, aucune raison d’être égaux.
Théorème — formule de Grassmann. Si et sont deux sous-espaces de dimension finie de ,
Idée de preuve (exigible). On complète une base de en une base de et en une base de ; la famille est une base de — pour la liberté, on écrit .
Théorème — somme directe et dimension. Soient de dimension finie. Alors
et, si est de dimension finie, deux des trois conditions suivantes entraînent la troisième — donc caractérisent :
Théorème — existence d’un supplémentaire. Tout sous-espace d’un espace de dimension finie admet au moins un supplémentaire, et tous ses supplémentaires ont pour dimension . Un supplémentaire n’est jamais unique dès que et .
Notation — base adaptée. Si , la concaténation d’une base de et d’une base de est une base de , dite adaptée à la décomposition. Plus généralement pour .
4Applications linéaires : noyau, image, rang
Définition. est linéaire si pour tous , . On note l’ensemble de ces applications ; c’est un -espace vectoriel. Un isomorphisme est une application linéaire bijective ; sa réciproque est alors linéaire.
Propriété. est un sous-espace de ; est un sous-espace de . Plus généralement l’image directe et l’image réciproque d’un sous-espace par sont des sous-espaces.
Théorème — caractérisation de l’injectivité. est injective .
Idée de preuve (exigible). Si est injective et alors . Réciproquement, , par linéarité.
Propriété — image et famille génératrice. Si engendre , alors . En particulier, si est une base de , et .
Définition. Si est de dimension finie, le rang de est .
Propriété. Pour et (images de dimension finie) : . De plus le rang est invariant par composition par un isomorphisme : si et sont des isomorphismes, .
5Endomorphismes, projecteurs et symétries
Définition. Un endomorphisme de est un élément de . est un anneau d’unité , non commutatif dès que . On note pour et pour . Les automorphismes de forment le groupe des inversibles de cet anneau.
Définition. Si , la projection sur parallèlement à est , et la symétrie associée est .
Théorème — caractérisations. Soit . Alors
et dans ce cas avec : les vecteurs de sont exactement les vecteurs invariants. De même si et seulement si est la symétrie associée à . Enfin est une bijection entre projecteurs et symétries.
Idée de preuve (exigible). Si : pour , avec et , donc . Si , écrivons : alors . D’où la somme directe, et est bien l’identité sur .
Remarque. est faux pour un endomorphisme quelconque : pour dans , . Le théorème du rang ne donne que l’égalité des dimensions.
Figure 1 — Projection et symétrie associées à ; hyperplan , droite supplémentaire et hyperplan affine .
6Applications linéaires en dimension finie
Théorème — détermination par l’image d’une base. Soit une base de et une famille quelconque de . Il existe une unique telle que pour tout ; elle est donnée par . De plus
Théorème — espaces isomorphes. Deux espaces de dimension finie sont isomorphes si et seulement s’ils ont même dimension. En particulier tout espace de dimension est isomorphe à (isomorphisme « coordonnées dans une base »). Enfin .
Théorème — dimensions égales. Soient et de même dimension finie et . Alors
En particulier, en dimension finie, un endomorphisme inversible à gauche ou à droite est inversible.
Remarque. L’équivalence tombe si , et en dimension infinie : sur , est injective non surjective et surjective non injective.
Théorème — théorème du rang. Soit avec de dimension finie.
- Forme géométrique : si est un supplémentaire de dans , alors induit un isomorphisme de sur .
- Formule :
Idée de preuve (exigible). Soit un supplémentaire de (il existe, étant de dimension finie) et la restriction de . Injectivité : . Surjectivité : pour , donne . Donc , et .
La formule fait intervenir , la dimension de l’espace de départ, et non : écrire est l’erreur la plus fréquente du chapitre. Conséquences utiles : et .
7Formes linéaires et hyperplans
Définition. Une forme linéaire sur est un élément de . Si est une base de , les formes coordonnées sont des formes linéaires.
Définition. Un hyperplan de est le noyau d’une forme linéaire non nulle.
Théorème. Soit de dimension finie et un sous-espace de . Alors
Plus précisément : si est un hyperplan et une droite non contenue dans , alors ; réciproquement, tout supplémentaire d’une droite est un hyperplan.
Idée de preuve (exigible). Soit avec : est surjective sur (son image est un sous-espace non nul de ), donc et le théorème du rang donne . Si avec , alors et ; comme , on a . Concrètement, .
Propriété — équations. En dimension , un hyperplan admet, dans une base fixée, une équation avec , et deux équations d’un même hyperplan sont proportionnelles (de rapport non nul).
Théorème — intersections d’hyperplans. L’intersection de hyperplans de () est un sous-espace de dimension . Réciproquement, tout sous-espace de dimension est l’intersection de hyperplans : c’est son système d’équations, formé de équations indépendantes.
Remarque. Dans les hyperplans sont les droites vectorielles () ; dans ce sont les plans vectoriels (), et une droite vectorielle est l’intersection de deux plans, donc décrite par un système de deux équations indépendantes.
8Sous-espaces affines
Définition. Un sous-espace affine de est une partie de la forme , où et est un sous-espace vectoriel de , appelé direction de ; on pose . La direction est unique, et : tout point de peut servir de point de base. Un hyperplan affine est un sous-espace affine de direction un hyperplan.
Remarque. Un sous-espace affine n’est un sous-espace vectoriel que s’il contient , c’est-à-dire si . L’intersection de deux sous-espaces affines est vide ou un sous-espace affine de direction : contrairement au cas vectoriel, elle peut être vide.
Théorème — équation linéaire. Soient et . L’ensemble est
- vide si ;
- le sous-espace affine si , où est une solution particulière.
Autrement dit : solution générale solution particulière solution générale de l’équation homogène, et .
Remarque. Ce seul énoncé recouvre les systèmes linéaires , les équations différentielles et , les suites arithmético-géométriques, et l’interpolation de Lagrange.
- Déterminer la dimension et une base d’un sous-espace donné par un système d’équations, ou par une famille génératrice (calcul d’un rang).
- Calculer , , , contrôler par le théorème du rang, conclure à l’injectivité, la surjectivité ou la bijectivité.
- Appliquer Grassmann ; reconnaître une somme directe par la caractérisation dimensionnelle ; construire une base adaptée.
- Reconnaître un projecteur () ou une symétrie (), en déterminer les sous-espaces et , ou et .
- Donner une équation, ou un système d’équations, d’un sous-espace ; décrire l’ensemble des solutions de comme sous-espace affine.
Soit , . Elle est linéaire (chaque coordonnée est une forme linéaire). Noyau : et donnent, en ajoutant, donc puis ; la troisième équation est alors automatiquement vérifiée. Donc et . Image : ; comme et que les deux premiers ne sont pas colinéaires, et est le plan d’équation . Contrôle : . Conséquence : a pour solutions le sous-espace affine , alors que n’en a aucune car .
- Écrire : le théorème du rang porte sur , dimension du départ.
- Appliquer « injectif surjectif » sans l’hypothèse .
- Croire que pour tout endomorphisme : c’est vrai pour un projecteur, faux en général.
- Confondre et , ou et ; parler du supplémentaire de .
- Oublier de vérifier la linéarité : et ne sont pas linéaires.
- Confondre sous-espace affine et sous-espace vectoriel ; utiliser une matrice d’application linéaire (chapitre 18).