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MPSI · Mathématiques · Algèbre linéaire · Chapitre 16

Espaces vectoriels

Fiche de cours12 min de lecturePar Robin RinguetMise à jour : octobre 2026

Dans toute la fiche, K\mathbb{K} désigne R\R ou C\C, les lettres nn, pp des entiers naturels non nuls, et EE un K\mathbb{K}-espace vectoriel. La dimension finie, le rang et les applications linéaires font l’objet du chapitre 17 : aucun énoncé de cette fiche ne les utilise. Les espaces de dimension infinie n’y apparaissent qu’à travers les exemples K[X]\mathbb{K}[X], KN\mathbb{K}^{\N} et les espaces de fonctions, sans aucune étude générale.

1Structure de K\mathbb{K}-espace vectoriel

Définition. Un K\mathbb{K}-espace vectoriel est un ensemble EE muni d’une loi interne ++ et d’une loi externe ⋅:K×E→E\cdot:\mathbb{K}\times E\to E telles que (E,+)(E,+) soit un groupe abélien et que, pour tous λ,μ∈K\lambda,\mu\in\mathbb{K} et x,y∈Ex,y\in E,

λ⋅(x+y)=λ⋅x+λ⋅y,(λ+μ)⋅x=λ⋅x+μ⋅x,(λμ)⋅x=λ⋅(μ⋅x),1⋅x=x.\lambda\cdot(x+y)=\lambda\cdot x+\lambda\cdot y,\qquad (\lambda+\mu)\cdot x=\lambda\cdot x+\mu\cdot x,\qquad (\lambda\mu)\cdot x=\lambda\cdot(\mu\cdot x),\qquad 1\cdot x=x.

Les éléments de EE sont les vecteurs, ceux de K\mathbb{K} les scalaires ; le neutre de (E,+)(E,+) est noté 0E0_{E}. On écrit λx\lambda x pour λ⋅x\lambda\cdot x.

Propriété — règles de calcul. Pour λ∈K\lambda\in\mathbb{K} et x∈Ex\in E :  0K x=0E\ 0_{\mathbb{K}}\,x=0_{E},  λ 0E=0E\ \lambda\,0_{E}=0_{E},  (−1)x=−x\ (-1)x=-x, et

λx=0E  ⟺  λ=0K  ou  x=0E\boxed{\lambda x=0_{E}\iff \lambda=0_{\mathbb{K}}\ \text{ ou }\ x=0_{E}}

Idée de preuve. 0Kx=(0K+0K)x=0Kx+0Kx0_{\mathbb{K}}x=(0_{\mathbb{K}}+0_{\mathbb{K}})x=0_{\mathbb{K}}x+0_{\mathbb{K}}x, d’où 0Kx=0E0_{\mathbb{K}}x=0_{E} en simplifiant dans le groupe (E,+)(E,+) ; si λx=0E\lambda x=0_{E} avec λ≠0\lambda\neq0, alors x=1⋅x=(λ−1λ)x=λ−1(λx)=0Ex=1\cdot x=(\lambda^{-1}\lambda)x=\lambda^{-1}(\lambda x)=0_{E} — c’est ici qu’on utilise que K\mathbb{K} est un corps.

Exempleles espaces de référence

Kn\mathbb{K}^{n} et, plus généralement, tout produit E1×⋯×EpE_{1}\times\cdots\times E_{p} d’un nombre fini d’espaces (opérations composante par composante) ; K[X]\mathbb{K}[X] et Kn[X]={P, deg⁡P⩽n}\mathbb{K}_{n}[X]=\ens{P,\ \deg P\leq n} ; Mn,p(K)\mathcal{M}_{n,p}(\mathbb{K}) et Mn(K)\mathcal{M}_{n}(\mathbb{K}) (la structure d’anneau n’intervient pas ici) ; KN\mathbb{K}^{\N} (suites) et K(N)\mathbb{K}^{(\N)} (suites presque nulles, c’est-à-dire nulles à partir d’un certain rang) ; F ⁣(A,F)\mathcal{F}\!\left(A,F\right), ensemble des applications d’un ensemble AA dans un espace FF, pour (f+g)(a)=f(a)+g(a)(f+g)(a)=f(a)+g(a) et (λf)(a)=λf(a)(\lambda f)(a)=\lambda f(a).

Attentionle corps de base fait partie de la donnée

C\C est un C\C-espace vectoriel, mais aussi un R\R-espace vectoriel (en restreignant les scalaires) : une famille peut être libre pour l’une de ces structures et liée pour l’autre. Ainsi (1,i)(1,i) est liée dans le C\C-espace vectoriel C\C (car i=i×1i=i\times1) et libre dans le R\R-espace vectoriel C\C. Toujours préciser le corps de base.

Définition. Une famille (λi)i∈I(\lambda_{i})_{i\in I} de scalaires est presque nulle (ou à support fini) lorsque {i∈I, λi≠0}\ens{i\in I,\ \lambda_{i}\neq0} est fini. Pour une famille (xi)i∈I(x_{i})_{i\in I} de vecteurs de EE, on appelle combinaison linéaire de cette famille tout vecteur ∑i∈Iλixi\sum_{i\in I}\lambda_{i}x_{i}, où (λi)i∈I(\lambda_{i})_{i\in I} est une famille presque nulle de scalaires — la somme ne portant en réalité que sur l’ensemble fini des indices ii tels que λi≠0\lambda_{i}\neq0. Pour une famille finie (x1,…,xp)(x_{1},\dots,x_{p}) c’est simplement ∑k=1pλkxk\sum_{k=1}^{p}\lambda_{k}x_{k}, sans condition. Par convention, la combinaison linéaire de la famille vide est 0E0_{E}.

2Sous-espaces vectoriels

Définition. Une partie FF de EE est un sous-espace vectoriel de EE lorsque FF est non vide et stable par ++ et par la loi externe. Un sous-espace vectoriel, muni des lois induites, est lui-même un K\mathbb{K}-espace vectoriel ; c’est de très loin la façon la plus économique de prouver qu’un ensemble est un espace vectoriel.

Théorème — caractérisation d’un sous-espace vectoriel. Soit F⊂EF\subset E. Alors

F est un sous-espace vectoriel de E  ⟺  0E∈F  et  ∀(λ,μ)∈K2, ∀(x,y)∈F2, λx+μy∈F.F \text{ est un sous-espace vectoriel de } E\iff \boxed{0_{E}\in F\ \text{ et }\ \forall(\lambda,\mu)\in\mathbb{K}^{2},\ \forall(x,y)\in F^{2},\ \lambda x+\mu y\in F.}

La condition « 0E∈F0_{E}\in F » peut être remplacée par « F≠∅F\neq\varnothing », et la seconde par « ∀λ∈K\forall\lambda\in\mathbb{K}, ∀(x,y)∈F2\forall(x,y)\in F^{2}, x+λy∈Fx+\lambda y\in F ».

Idée de preuve (exigible). Si FF est un sous-espace, il est non vide : il contient un xx, donc 0E=0Kx0_{E}=0_{\mathbb{K}}x, et la stabilité donne λx+μy∈F\lambda x+\mu y\in F. Réciproquement, 0E∈F0_{E}\in F donne F≠∅F\neq\varnothing, et les choix (λ,μ)=(1,1)(\lambda,\mu)=(1,1) puis (λ,μ)=(λ,0)(\lambda,\mu)=(\lambda,0) donnent les deux stabilités.

Méthode — rédaction type. pour montrer que FF est un sous-espace vectoriel : (i) dire de quel espace EE on prétend que FF est un sous-espace, et vérifier F⊂EF\subset E ; (ii) vérifier 0E∈F0_{E}\in F ; (iii) prendre x,y∈Fx,y\in F et λ,μ∈K\lambda,\mu\in\mathbb{K} quelconques, et montrer λx+μy∈F\lambda x+\mu y\in F en revenant à la condition qui définit FF. Conclure.

Exemplesous-espaces usuels

{0E}\ens{0_{E}} et EE (sous-espaces triviaux) ; pour x0≠0x_{0}\neq0, la droite vectorielle Kx0\mathbb{K} x_{0} ; dans R3\R^{3}, un plan vectoriel Vect⁡(u,v)\operatorname{Vect}(u,v) avec u,vu,v non colinéaires. — Kn[X]\mathbb{K}_{n}[X] et {P∈K[X], P(a)=0}\ens{P\in\mathbb{K}[X],\ P(a)=0} dans K[X]\mathbb{K}[X]. — Dans Mn(K)\mathcal{M}_{n}(\mathbb{K}) : matrices symétriques Sn(K)\mathcal{S}_{n}(\mathbb{K}), antisymétriques An(K)\mathcal{A}_{n}(\mathbb{K}), diagonales, triangulaires supérieures, de trace nulle, commutant avec une matrice fixée ; pas GLn(K)\mathrm{GL}_{n}(\mathbb{K}), qui ne contient pas 00. — Dans KN\mathbb{K}^{\N} : suites bornées, convergentes, de limite nulle, presque nulles, vérifiant un+2=aun+1+bunu_{n+2}=au_{n+1}+bu_{n}. — Dans F ⁣(R,R)\mathcal{F}\!\left(\R,\R\right) : fonctions paires, impaires, bornées, continues, dérivables, de classe Ck\mathcal{C}^{k}, TT-périodiques, nulles en 00, solutions d’une équation différentielle linéaire homogène.

Théorème — intersection. Si (Fi)i∈I(F_{i})_{i\in I} est une famille quelconque non vide de sous-espaces vectoriels de EE, alors ⋂i∈IFi\bigcap_{i\in I}F_{i} est un sous-espace vectoriel de EE.

Idée de preuve. 0E0_{E} appartient à chaque FiF_{i} donc à l’intersection ; si x,yx,y sont dans l’intersection et λ,μ∈K\lambda,\mu\in\mathbb{K}, alors λx+μy∈Fi\lambda x+\mu y\in F_{i} pour chaque ii, donc dans l’intersection.

Attentionla réunion, elle, n’en est presque jamais un

Si FF et GG sont deux sous-espaces de EE, alors F∪GF\cup G est un sous-espace vectoriel si et seulement si F⊂GF\subset G ou G⊂FG\subset F. Dans R2\R^{2}, la réunion des deux axes n’est pas un sous-espace : elle contient (1,0)(1,0) et (0,1)(0,1), mais pas leur somme. Le bon objet est la somme F+GF+G (bloc 5).

Propriété — systèmes linéaires homogènes. Pour A∈Mn,p(K)A\in\mathcal{M}_{n,p}(\mathbb{K}), l’ensemble {X∈Mp,1(K), AX=0}\ens{X\in\mathcal{M}_{p,1}(\mathbb{K}),\ AX=0} est un sous-espace vectoriel de Mp,1(K)\mathcal{M}_{p,1}(\mathbb{K}) : l’ensemble des solutions d’un système linéaire homogène à pp inconnues est un sous-espace vectoriel de Kp\mathbb{K}^{p}, dont la méthode du pivot fournit une famille génératrice explicite.

3Sous-espace engendré par une partie

Théorème — et définition. Soit AA une partie de EE. L’ensemble Vect⁡(A)={∑k=1mλkak, m∈N, λk∈K, ak∈A}\operatorname{Vect}(A)=\left\{\sum_{k=1}^{m}\lambda_{k}a_{k},\ m\in\N,\ \lambda_{k}\in\mathbb{K},\ a_{k}\in A\right\} des combinaisons linéaires d’éléments de AA (avec Vect⁡(∅)={0E}\operatorname{Vect}(\varnothing)=\ens{0_{E}}, cas m=0m=0) est un sous-espace vectoriel de EE contenant AA, et c’est le plus petit : pour tout sous-espace vectoriel FF de EE,

A⊂F  ⟹  Vect⁡(A)⊂F.\boxed{A\subset F\implies \operatorname{Vect}(A)\subset F.}

On l’appelle sous-espace engendré par AA. C’est aussi l’intersection de tous les sous-espaces vectoriels de EE contenant AA.

Idée de preuve (exigible). Vect⁡(A)\operatorname{Vect}(A) contient 0E0_{E} et est stable par combinaison linéaire (concaténer deux combinaisons linéaires en donne une troisième) : c’est un sous-espace, et il contient AA (cas m=1m=1, λ1=1\lambda_{1}=1). Si FF est un sous-espace contenant AA, une récurrence sur mm donne ∑k=1mλkak∈F\sum_{k=1}^{m}\lambda_{k}a_{k}\in F, d’où Vect⁡(A)⊂F\operatorname{Vect}(A)\subset F. Ainsi Vect⁡(A)\operatorname{Vect}(A) est l’un des sous-espaces contenant AA et est inclus dans tous les autres : c’est leur intersection.

Notation. Pour une famille, on note Vect⁡((xi)i∈I)\operatorname{Vect}\left((x_{i})_{i\in I}\right), et Vect⁡(x1,…,xp)={λ1x1+⋯+λpxp, (λ1,…,λp)∈Kp}\operatorname{Vect}(x_{1},\dots,x_{p})=\ens{\lambda_{1}x_{1}+\cdots+\lambda_{p}x_{p},\ (\lambda_{1},\dots,\lambda_{p})\in\mathbb{K}^{p}} dans le cas fini.

Propriété. Pour A,B⊂EA,B\subset E :  A⊂B  ⟹  Vect⁡(A)⊂Vect⁡(B)\ A\subset B\implies\operatorname{Vect}(A)\subset\operatorname{Vect}(B) ;  Vect⁡(Vect⁡(A))=Vect⁡(A)\ \operatorname{Vect}\bigl(\operatorname{Vect}(A)\bigr)=\operatorname{Vect}(A) ;  A\ A est un sous-espace vectoriel   ⟺  Vect⁡(A)=A\iff\operatorname{Vect}(A)=A ; enfin Vect⁡(A∪B)=Vect⁡(A)+Vect⁡(B)\operatorname{Vect}(A\cup B)=\operatorname{Vect}(A)+\operatorname{Vect}(B).

Méthode — montrer Vect⁡(F)=Vect⁡(G)\operatorname{Vect}(\mathcal{F})=\operatorname{Vect}(\mathcal{G}). double inclusion, chacune par le théorème ci-dessus : il suffit de vérifier que chaque vecteur de F\mathcal{F} est combinaison linéaire de G\mathcal{G}, et réciproquement. On ne vérifie jamais l’égalité « élément par élément ».

Propriété — opérations qui ne changent pas le Vect⁡\operatorname{Vect}. On ne modifie pas Vect⁡(x1,…,xp)\operatorname{Vect}(x_{1},\dots,x_{p}) en permutant deux vecteurs, en multipliant l’un d’eux par un scalaire non nul, en lui ajoutant une combinaison linéaire des autres, ou en supprimant un vecteur combinaison linéaire des autres.

4Familles génératrices, familles libres, bases

Définition. Une famille (xi)i∈I(x_{i})_{i\in I} de vecteurs de EE est génératrice de EE lorsque Vect⁡((xi)i∈I)=E\operatorname{Vect}\left((x_{i})_{i\in I}\right)=E, c’est-à-dire lorsque tout vecteur de EE est combinaison linéaire de la famille. On dit aussi qu’elle engendre EE.

Définition. Une famille finie (x1,…,xp)(x_{1},\dots,x_{p}) est libre lorsque

∀(λ1,…,λp)∈Kp,λ1x1+⋯+λpxp=0E  ⟹  λ1=⋯=λp=0.\forall(\lambda_{1},\dots,\lambda_{p})\in\mathbb{K}^{p},\qquad \lambda_{1}x_{1}+\cdots+\lambda_{p}x_{p}=0_{E}\implies \lambda_{1}=\cdots=\lambda_{p}=0.

Elle est liée dans le cas contraire, c’est-à-dire s’il existe une relation linéaire non triviale entre ses vecteurs. Une famille quelconque (xi)i∈I(x_{i})_{i\in I} est libre lorsque toute sous-famille finie est libre ; de façon équivalente, lorsque la seule famille presque nulle (λi)i∈I(\lambda_{i})_{i\in I} telle que ∑i∈Iλixi=0E\sum_{i\in I}\lambda_{i}x_{i}=0_{E} est la famille nulle.

Remarque — cas limites. la famille vide est libre et engendre {0E}\ens{0_{E}} ; (x)(x) est libre   ⟺  x≠0E\iff x\neq0_{E} ; (x,y)(x,y) est liée   ⟺  \iff xx et yy sont colinéaires ; toute famille contenant 0E0_{E} ou deux fois le même vecteur est liée ; toute sous-famille d’une famille libre est libre.

Propriété — ajout d’un vecteur à une famille libre. Soient (x1,…,xp)(x_{1},\dots,x_{p}) une famille libre de EE et x∈Ex\in E. Alors

(x1,…,xp,x) est libre  ⟺  x∉Vect⁡(x1,…,xp).(x_{1},\dots,x_{p},x) \text{ est libre}\iff x\notin\operatorname{Vect}(x_{1},\dots,x_{p}).

Idée de preuve. Si x=∑μkxkx=\sum\mu_{k}x_{k}, la relation ∑μkxk−x=0\sum\mu_{k}x_{k}-x=0 est non triviale : la famille est liée. Réciproquement, d’une relation ∑λkxk+λx=0\sum\lambda_{k}x_{k}+\lambda x=0 on tire, si λ≠0\lambda\neq0, que x∈Vect⁡(x1,…,xp)x\in\operatorname{Vect}(x_{1},\dots,x_{p}) ; donc λ=0\lambda=0, puis tous les λk\lambda_{k} sont nuls par liberté.

Théorème — polynômes de degrés distincts. Toute famille finie de polynômes non nuls de K[X]\mathbb{K}[X] de degrés deux à deux distincts est libre.

Idée de preuve (exigible). Soient P1,…,PmP_{1},\dots,P_{m} non nuls de degrés deux à deux distincts et λ1P1+⋯+λmPm=0\lambda_{1}P_{1}+\cdots+\lambda_{m}P_{m}=0 avec les λk\lambda_{k} non tous nuls. Soit k0k_{0} l’indice, parmi ceux tels que λk≠0\lambda_{k}\neq0, pour lequel deg⁡Pk\deg P_{k} est maximal : il est unique puisque les degrés sont distincts. Le coefficient de Xdeg⁡Pk0X^{\deg P_{k_{0}}} dans la somme vaut alors λk0×(coefficient dominant de Pk0)≠0\lambda_{k_{0}}\times(\text{coefficient dominant de } P_{k_{0}})\neq0, ce qui contredit la nullité du polynôme. Donc tous les λk\lambda_{k} sont nuls.

Définition. Une base de EE est une famille à la fois libre et génératrice de EE.

Théorème — coordonnées. Une famille B=(ei)i∈I\mathcal{B}=(e_{i})_{i\in I} de EE est une base de EE si et seulement si tout vecteur xx de EE s’écrit d’une unique manière x=∑i∈Iλieix=\sum_{i\in I}\lambda_{i}e_{i} avec (λi)i∈I(\lambda_{i})_{i\in I} presque nulle. Les scalaires λi\lambda_{i} sont les coordonnées de xx dans B\mathcal{B}.

Idée de preuve (exigible). L’existence de l’écriture pour tout xx est exactement le caractère générateur. Son unicité équivaut à la liberté : deux écritures d’un même xx diffèrent par une relation linéaire nulle, et réciproquement une relation linéaire non triviale fournit deux écritures distinctes de 0E0_{E}.

FormulaireLes bases canoniques à connaître
  • Kn\mathbb{K}^{n} :  B=(e1,…,en)\ \mathcal{B}=(e_{1},\dots,e_{n}) où ek=(0,…,0,1,0,…,0)e_{k}=(0,\dots,0,1,0,\dots,0) (11 en kk-ième position). Les coordonnées de xx sont ses composantes.
  • Mn,p(K)\mathcal{M}_{n,p}(\mathbb{K}) :  (Ei,j)1⩽i⩽n, 1⩽j⩽p\ \left(E_{i,j}\right)_{1\leq i\leq n,\,1\leq j\leq p}, matrices élémentaires ; les coordonnées de AA sont ses coefficients ai,ja_{i,j}.
  • Kn[X]\mathbb{K}_{n}[X] :  (1,X,…,Xn)\ \left(1,X,\dots,X^{n}\right). K[X]\mathbb{K}[X] :  (Xk)k∈N\ \left(X^{k}\right)_{k\in\N} (famille infinie).
  • K(N)\mathbb{K}^{(\N)} :  (δ(k))k∈N\ \left(\delta^{(k)}\right)_{k\in\N}, où δ(k)\delta^{(k)} est la suite valant 11 au rang kk et 00 ailleurs. Cette famille n’engendre pas KN\mathbb{K}^{\N}.

Théorème — bases de degrés échelonnés. Soient n∈Nn\in\N et P0,…,PnP_{0},\dots,P_{n} des polynômes de K[X]\mathbb{K}[X] tels que deg⁡Pk=k\deg P_{k}=k pour tout k∈⟦0 ;n⟧k\in\intent{0}{n}. Alors (P0,…,Pn)(P_{0},\dots,P_{n}) est une base de Kn[X]\mathbb{K}_{n}[X].

Idée de preuve. La famille est libre (degrés deux à deux distincts, polynômes non nuls). Pour le caractère générateur, on montre par récurrence sur m∈⟦0 ;n⟧m\in\intent{0}{n} que Km[X]⊂Vect⁡(P0,…,Pm)\mathbb{K}_{m}[X]\subset\operatorname{Vect}(P_{0},\dots,P_{m}) : si deg⁡Q⩽m\deg Q\leq m et si aa est le coefficient de XmX^{m} dans QQ, le polynôme Q−acmPmQ-\frac{a}{c_{m}}P_{m} (où cm≠0c_{m}\neq0 est le coefficient dominant de PmP_{m}) est de degré ⩽m−1\leq m-1.

Exemple

Pour a∈Ka\in\mathbb{K}, la famille (1,X−a,(X−a)2,…,(X−a)n)\left(1,X-a,(X-a)^{2},\dots,(X-a)^{n}\right) est une base de Kn[X]\mathbb{K}_{n}[X] : les coordonnées de PP dans cette base sont les P(k)(a)k!\frac{P^{(k)}(a)}{k!}, par la formule de Taylor polynomiale (chapitre 14).

5Somme de deux sous-espaces, somme directe

Définition. Soient FF et GG deux sous-espaces vectoriels de EE. Leur somme est

F+G={x+y, x∈F, y∈G}.F+G=\ens{x+y,\ x\in F,\ y\in G}.

Propriété. F+GF+G est un sous-espace vectoriel de EE, et c’est le plus petit sous-espace contenant F∪GF\cup G : F+G=Vect⁡(F∪G)F+G=\operatorname{Vect}(F\cup G). De plus F+G=F  ⟺  G⊂FF+G=F\iff G\subset F. Si F=Vect⁡(F)F=\operatorname{Vect}(\mathcal{F}) et G=Vect⁡(G)G=\operatorname{Vect}(\mathcal{G}), alors F+G=Vect⁡(F∪G)F+G=\operatorname{Vect}(\mathcal{F}\cup\mathcal{G}) : on obtient une famille génératrice de la somme en concaténant des familles génératrices.

Définition. La somme F+GF+G est directe lorsque tout vecteur de F+GF+G s’écrit d’une unique manière x+yx+y avec x∈Fx\in F et y∈Gy\in G. On note alors F⊕GF\oplus G.

Théorème — caractérisation d’une somme directe.  F+G est directe  ⟺  F∩G={0E}.\ \boxed{F+G \text{ est directe}\iff F\cap G=\ens{0_{E}}.}

Idée de preuve (exigible). Si la somme est directe et z∈F∩Gz\in F\cap G, alors z=z+0E=0E+zz=z+0_{E}=0_{E}+z sont deux décompositions de zz : l’unicité impose z=0Ez=0_{E}. Réciproquement, si F∩G={0E}F\cap G=\ens{0_{E}} et x+y=x′+y′x+y=x'+y' avec x,x′∈Fx,x'\in F, y,y′∈Gy,y'\in G, alors x−x′=y′−yx-x'=y'-y appartient à FF et à GG, donc est nul.

Définition. On dit que FF et GG sont supplémentaires dans EE lorsque E=F⊕GE=F\oplus G, c’est-à-dire

F∩G={0E} et F+G=E.\boxed{F\cap G=\ens{0_{E}}\quad\text{ et }\quad F+G=E.}

Méthode — montrer que E=F⊕GE=F\oplus G. deux rédactions. (1) Par les deux conditions : montrer F∩G={0E}F\cap G=\ens{0_{E}} (prendre z∈F∩Gz\in F\cap G et montrer z=0z=0), puis F+G=EF+G=E (partir de x∈Ex\in E et construire une décomposition). (2) Par analyse-synthèse : soit x∈Ex\in E ; on suppose x=u+vx=u+v avec u∈Fu\in F, v∈Gv\in G, on en déduit les seules valeurs possibles de uu et vv (unicité), puis on vérifie qu’elles conviennent (existence). La seconde donne les deux conditions d’un coup et fournit la décomposition explicite.

Exempleles supplémentaires de référence

F ⁣(R,R)=P⊕I\mathcal{F}\!\left(\R,\R\right)=\mathcal{P}\oplus\mathcal{I} (fonctions paires, fonctions impaires), avec f=f+f~2+f−f~2f=\frac{f+\widetilde{f}}{2}+\frac{f-\widetilde{f}}{2} où f~(x)=f(−x)\widetilde{f}(x)=f(-x). — Mn(K)=Sn(K)⊕An(K)\mathcal{M}_{n}(\mathbb{K})=\mathcal{S}_{n}(\mathbb{K})\oplus\mathcal{A}_{n}(\mathbb{K}), avec A=A+tA2+A−tA2A=\frac{A+{}^{t}A}{2}+\frac{A-{}^{t}A}{2}. — K[X]=Kn[X]⊕X n+1K[X]\mathbb{K}[X]=\mathbb{K}_{n}[X]\oplus X^{\,n+1}\mathbb{K}[X] : c’est la division euclidienne par X n+1X^{\,n+1}. — Dans R3\R^{3}, un plan vectoriel PP et une droite vectorielle DD non contenue dans PP. — KN={u, ∀n, u2n=0}⊕{u, ∀n, u2n+1=0}\mathbb{K}^{\N}=\ens{u,\ \forall n,\ u_{2n}=0}\oplus\ens{u,\ \forall n,\ u_{2n+1}=0}.

Attention

Supplémentaire ≠\neq complémentaire : deux supplémentaires ont toujours 0E0_{E} en commun. Un supplémentaire n’est pas unique : dans R2\R^{2}, la droite R(1,0)\R(1,0) admet pour supplémentaire R(0,1)\R(0,1), mais aussi R(1,1)\R(1,1), et toute autre droite qu’elle-même. On dit « un supplémentaire », jamais « le ». Enfin F∩G={0}F\cap G=\ens{0} ne donne que le caractère direct de la somme : sans F+G=EF+G=E, les sous-espaces ne sont pas supplémentaires dans EE.

Figure 1 — R3=P⊕D\R^{3}=P\oplus D : tout vecteur xx se décompose d’une seule façon en xP+xDx_{P}+x_{D}, en « projetant » parallèlement à DD puis à PP.

Savoir-faire
  • Montrer qu’un ensemble est un espace vectoriel en le reconnaissant comme sous-espace d’un espace de référence ; montrer qu’une partie n’en est pas un (0∉F0\notin F, ou contre-exemple de stabilité). Décrire un sous-espace par une famille génératrice (pivot sur un système homogène) et, inversement, décrire un Vect⁡\operatorname{Vect} par des équations.
  • Montrer qu’une famille est libre : partir de ∑λkxk=0\sum\lambda_{k}x_{k}=0 et en déduire λk=0\lambda_{k}=0 — par identification de coefficients, évaluation en des points bien choisis, dérivation, passage à la limite, ou argument de degré.
  • Montrer qu’une famille est une base : liberté et caractère générateur (aucun argument de dimension ici) ; calculer des coordonnées. Déterminer F∩GF\cap G et F+GF+G, décider si la somme est directe, montrer que deux sous-espaces sont supplémentaires par analyse-synthèse.
Exempletrois calculs types
  • Un Vect⁡\operatorname{Vect} par des équations. Soit F=Vect⁡((1,1,0),(0,1,1))F=\operatorname{Vect}\bigl((1,1,0),(0,1,1)\bigr) dans R3\R^{3}. Alors (x,y,z)∈F(x,y,z)\in F si et seulement s’il existe (λ,μ)(\lambda,\mu) tel que x=λx=\lambda, y=λ+μy=\lambda+\mu, z=μz=\mu, ce qui équivaut à x−y+z=0x-y+z=0 : FF est le plan vectoriel d’équation x−y+z=0x-y+z=0.
  • Une famille libre de fonctions. Soit λ1+λ2cos⁡+λ3cos⁡(2 ⋅)=0\lambda_{1}+\lambda_{2}\cos+\lambda_{3}\cos(2\,\cdot)=0 dans F ⁣(R,R)\mathcal{F}\!\left(\R,\R\right). En évaluant en 00, π2\frac{\pi}{2}, π\pi : λ1+λ2+λ3=0\lambda_{1}+\lambda_{2}+\lambda_{3}=0, λ1−λ3=0\lambda_{1}-\lambda_{3}=0, λ1−λ2+λ3=0\lambda_{1}-\lambda_{2}+\lambda_{3}=0 ; la somme des deux équations extrêmes donne λ1+λ3=0\lambda_{1}+\lambda_{3}=0, d’où λ1=λ3=0\lambda_{1}=\lambda_{3}=0 puis λ2=0\lambda_{2}=0 : la famille est libre.
  • Une somme directe. Dans R2[X]\R_{2}[X], si P=Q+cP=Q+c avec Q(1)=0Q(1)=0 et cc constante, l’évaluation en 11 impose c=P(1)c=P(1) et Q=P−P(1)Q=P-P(1), qui conviennent : R2[X]={P, P(1)=0}⊕Vect⁡(1)\R_{2}[X]=\ens{P,\ P(1)=0}\oplus\operatorname{Vect}(1).
Pièges
  • Oublier de vérifier 0E∈F0_{E}\in F (ou F≠∅F\neq\varnothing) : c’est la moitié de la caractérisation, et le test qui élimine le plus vite les fausses pistes (GLn(K)\mathrm{GL}_{n}(\mathbb{K}), {P, deg⁡P=n}\ens{P,\ \deg P=n}, {P, P(0)=1}\ens{P,\ P(0)=1}, les suites croissantes).
  • Confondre F∪GF\cup G et F+GF+G ; croire que F∪GF\cup G est un sous-espace ; confondre supplémentaire et complémentaire ; dire « le supplémentaire ».
  • Conclure E=F⊕GE=F\oplus G à partir de la seule condition F∩G={0E}F\cap G=\ens{0_{E}} : il manque F+G=EF+G=E.
  • Oublier les cas limites (famille vide, famille (0E)(0_{E}), deux vecteurs égaux) ; écrire Vect⁡(∅)=∅\operatorname{Vect}(\varnothing)=\varnothing ; ne pas préciser le corps de base et conclure à tort qu’une famille est liée ((1,i)(1,i) dans C\C vu comme R\R-espace vectoriel).
  • Manipuler une « combinaison linéaire infinie » : seules les familles presque nulles de scalaires ont un sens ; ainsi (Xk)k∈N\left(X^{k}\right)_{k\in\N} est une base de K[X]\mathbb{K}[X], mais (δ(k))k∈N\left(\delta^{(k)}\right)_{k\in\N} n’engendre pas KN\mathbb{K}^{\N}.
  • Utiliser un argument de dimension (« trois vecteurs libres de R3\R^{3} forment une base ») : c’est le chapitre 17. Ici, une base se démontre en deux temps.

Exercices, contrôles et sujets

Les énoncés sont en accès libre, à télécharger en PDF.

1

Exercices de base

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Les bases : sous-espaces, Vect⁡\Vect, familles libres, bases, sommes directes

12 exercicesniveau Difficulté 1 sur 3 à Difficulté 2 sur 3durée conseillée : 2 h 30sans calculatrice

  1. Sous-espace vectoriel ou non ?Difficulté 1 sur 3
  2. Fonctions et suitesDifficulté 1 sur 3
  3. Matrices et polynômesDifficulté 1 sur 3
  4. Appartenance à un Vect⁡\operatorname{Vect}Difficulté 1 sur 3
  5. Deux écritures du même planDifficulté 2 sur 3
  6. Familles libres ou liéesDifficulté 1 sur 3
  7. Trois familles libres de fonctionsDifficulté 2 sur 3
  8. Une base de R3\R^{3} et des coordonnéesDifficulté 2 sur 3
  9. Bases de R3[X]\R_{3}[X]Difficulté 2 sur 3
  10. Intersection et somme dans R4\R^{4}Difficulté 2 sur 3
  11. Fonctions paires et fonctions impairesDifficulté 2 sur 3
  12. Un plan et une droite de R3\R^{3}Difficulté 2 sur 3
2

Exercices d'application

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Application : commutant, familles à paramètre, base de Lagrange, suites récurrentes, supplémentaires

9 exercicesniveau Difficulté 2 sur 3durée conseillée : 3 hsans calculatrice

  1. Le commutant d’une matriceDifficulté 2 sur 3
  2. Une famille à paramètreDifficulté 2 sur 3
  3. Symétriques et triangulairesDifficulté 2 sur 3
  4. La base de Lagrange de R2[X]\R_{2}[X]Difficulté 2 sur 3
  5. Deux supplémentaires dans R[X]\R[X]Difficulté 2 sur 3
  6. Combinaisons de cos⁡\cos et sin⁡\sinDifficulté 2 sur 3
  7. Une récurrence linéaire d’ordre 22Difficulté 2 sur 3
  8. Suites convergentesDifficulté 2 sur 3
  9. La réunion de deux sous-espacesDifficulté 2 sur 3
3

Interrogation A

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Durée : 1 h — sans document ni calculatrice

3 exercicesnoté sur 20niveau Difficulté 1 sur 3 à Difficulté 2 sur 3la rédaction est évaluée

  1. Questions de cours5 ptsDifficulté 1 sur 3
  2. Deux calculs7 ptsDifficulté 2 sur 3
  3. Deux sous-espaces de R2[X]\R_{2}[X]8 ptsDifficulté 2 sur 3
4

Interrogation B

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Durée : 1 h — sans document ni calculatrice

3 exercicesnoté sur 20niveau Difficulté 2 sur 3la rédaction est évaluée

  1. Questions de cours5 ptsDifficulté 2 sur 3
  2. Deux sous-espaces supplémentaires de R4\R^{4}7 ptsDifficulté 2 sur 3
  3. Polynômes pairs et polynômes impairs8 ptsDifficulté 2 sur 3
5

Approfondissement

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Sept classiques : exponentielles, Tchebychev, valeurs absolues, division euclidienne, supplémentaires

7 exercicesniveau Difficulté 3 sur 3durée conseillée : 4 hsans calculatrice

  1. Une famille d’exponentiellesDifficulté 3 sur 3
  2. Les polynômes de Tchebychev et la famille (cos⁡(kt))k(\cos(kt))_{k}Difficulté 3 sur 3
  3. Une famille de valeurs absoluesDifficulté 3 sur 3
  4. La division euclidienne comme somme directeDifficulté 3 sur 3
  5. Vect⁡\operatorname{Vect} d’une réunion, Vect⁡\operatorname{Vect} d’une intersectionDifficulté 3 sur 3
  6. Les supplémentaires d’une droite du planDifficulté 3 sur 3
  7. Somme de trois sous-espaces (hors programme — pour aller plus loin)Difficulté 3 sur 3
6

DS type concours

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L’espace des suites vérifiant une récurrence linéaire d’ordre 22

durée : 4 hnoté sur 20quatre parties enchaînéescalculatrice interdite

7

Planche de colle

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Une question de cours et quatre exercices d’oral indépendants

4 exercicesniveaux Difficulté 1 sur 3, Difficulté 2 sur 3, Difficulté 2 sur 3, Difficulté 3 sur 3environ 20 min chacunsans calculatrice

  1. Un sous-espace de R4\R^{4} et un supplémentaireDifficulté 1 sur 3
  2. Une réunion qui remplit toutDifficulté 2 sur 3
  3. Les polynômes symétriques par rapport à 12\frac{1}{2}Difficulté 2 sur 3
  4. La loi modulaireDifficulté 3 sur 3

Prépa · Mathématiques : les 26 chapitres

  1. Logique et raisonnement
  2. Ensembles et applications
  3. Sommes et produits
  4. Inégalités et trigonométrie
  5. Nombres complexes
  6. Fonctions usuelles
  7. Primitives et équations différentielles
  8. Nombres réels et suites numériques
  9. Limites et continuité
  10. Dérivabilité et convexité
  11. Arithmétique des entiers relatifs
  12. Structures algébriques usuelles
  13. Calcul matriciel
  14. Polynômes et fractions rationnelles
  15. Analyse asymptotique
  16. Espaces vectoriels
  17. Dimension et applications linéaires
  18. Matrices et applications linéaires
  19. Groupe symétrique
  20. Déterminants
  21. Intégration
  22. Dénombrement
  23. Probabilités
  24. Espaces préhilbertiens
  25. Séries et familles sommables
  26. Fonctions de deux variables