Licence 1Algèbre

Applications linéaires

55 min15 exercicesSéquence 4.4Licence 1

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Durée : 55 min

Applications linéaires

1. Définition

Une application f:EFf : E \to F (entre espaces vectoriels sur R\mathbb{R}) est linéaire si :

u,vE,  λ,μR:f(λu+μv)=λf(u)+μf(v)\forall u,v \in E,\; \forall \lambda,\mu \in \mathbb{R} : f(\lambda u + \mu v) = \lambda f(u) + \mu f(v)

Conséquence immédiate : f(0E)=0Ff(0_E) = 0_F et f(u)=f(u)f(-u) = -f(u).

Vocabulaire :
- Application linéaire de EE dans FF = homomorphisme
- De EE dans EE = endomorphisme
- Bijective linéaire = isomorphisme
- Endomorphisme bijectif = automorphisme

2. Noyau et image

- Noyau : ker(f)={xE:f(x)=0F}\ker(f) = \{x\in E : f(x) = 0_F\} — c'est un sev de EE.
- Image : Im(f)=f(E)={f(x):xE}\text{Im}(f) = f(E) = \{f(x) : x\in E\} — c'est un sev de FF.

Caractérisation de l'injectivité : ff est injective ker(f)={0E}\Leftrightarrow \ker(f) = \{0_E\}.

3. Théorème du rang (ou théorème noyau-image)

Si EE est de dimension finie :

dim(kerf)+dim(Imf)=dimE\dim(\ker f) + \dim(\text{Im}\, f) = \dim E

Corollaires :
- ff injective dimEdimF\Rightarrow \dim E \leq \dim F
- ff surjective dimEdimF\Rightarrow \dim E \geq \dim F
- ff bijective dimE=dimF\Leftrightarrow \dim E = \dim F et ff injective (ou surjective)

4. Matrice d'une application linéaire

Soit BE=(e1,,en)\mathcal{B}_E = (e_1,\ldots,e_n) base de EE et BF=(ε1,,εm)\mathcal{B}_F = (\varepsilon_1,\ldots,\varepsilon_m) base de FF. La matrice de ff dans ces bases est la matrice MM dont la jj-ième colonne est le vecteur colonne de f(ej)f(e_j) dans BF\mathcal{B}_F :

f(ej)=i=1mmijεif(e_j) = \sum_{i=1}^m m_{ij}\, \varepsilon_i

Si XX est la colonne des coordonnées de xx dans BE\mathcal{B}_E, alors les coordonnées de f(x)f(x) dans BF\mathcal{B}_F sont MXMX.

5. Composition et changement de base

- (gf)(g \circ f) est représentée par MgMfM_g \cdot M_f (produit matriciel).
- Changement de base : si PP est la matrice de passage de B\mathcal{B} à B\mathcal{B}', la matrice d'un endomorphisme ff dans B\mathcal{B}' est P1MPP^{-1}MP.

6. Exemple

f:R2R3f : \mathbb{R}^2 \to \mathbb{R}^3 définie par f(x,y)=(x+y,xy,2x)f(x,y) = (x+y, x-y, 2x).

Dans les bases canoniques :

M=(111120)M = \begin{pmatrix}1&1\\1&-1\\2&0\end{pmatrix}

kerf\ker f : (x+y,xy,2x)=(0,0,0)x=0,y=0(x+y,x-y,2x)=(0,0,0) \Rightarrow x=0, y=0kerf={0}\ker f = \{0\}, ff injective.

dim(Imf)=20=2\dim(\text{Im}\,f) = 2-0 = 2 (théorème du rang).

Exercices

Vrai ou faux : Toute application linéaire vérifie f(0)=0f(0) = 0.

L'application f(x,y)=(2x,3y)f(x,y) = (2x, 3y) de R2\mathbb{R}^2 dans R2\mathbb{R}^2 est-elle linéaire ?

La matrice d'une application linéaire f:R2R3f:\mathbb{R}^2\to\mathbb{R}^3 est de taille :

Si f:R3R3f:\mathbb{R}^3\to\mathbb{R}^3 est linéaire avec dim(kerf)=2\dim(\ker f)=2, quelle est la dimension de l'image ?

Vrai ou faux : Si f:EFf:E\to F est linéaire injective, alors ff est surjective.

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