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Licence 1 · Algèbre L1 — Espaces vectoriels et systèmes linéaires

Applications linéaires

Applications linéaires

1. Définition

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

∀u,v∈E,  ∀λ,μ∈R: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)={x∈E: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):x∈E}\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⁡(ker⁡f)+dim⁡(Im f)=dim⁡E\dim(\ker f) + \dim(\text{Im}\, f) = \dim E

Corollaires :
- ff injective ⇒dim⁡E≤dim⁡F\Rightarrow \dim E \leq \dim F
- ff surjective ⇒dim⁡E≥dim⁡F\Rightarrow \dim E \geq \dim F
- ff bijective ⇔dim⁡E=dim⁡F\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=1mmij εif(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

- (g∘f)(g \circ f) est représentée par Mg⋅MfM_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 P−1MPP^{-1}MP.

6. Exemple

f:R2→R3f : \mathbb{R}^2 \to \mathbb{R}^3 définie par f(x,y)=(x+y,x−y,2x)f(x,y) = (x+y, x-y, 2x).

Dans les bases canoniques :

M=(111−120)M = \begin{pmatrix}1&1\\1&-1\\2&0\end{pmatrix}

ker⁡f\ker f : (x+y,x−y,2x)=(0,0,0)⇒x=0,y=0(x+y,x-y,2x)=(0,0,0) \Rightarrow x=0, y=0 → ker⁡f={0}\ker f = \{0\}, ff injective.

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

Exercices de la leçon

Exercice 1

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

Corrigé

Vrai. f(0)=f(0⋅u)=0⋅f(u)=0f(0) = f(0\cdot u) = 0\cdot f(u) = 0 pour tout u∈Eu\in E. C'est une conséquence directe de la linéarité.

Exercice 2

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 ?

Corrigé

f(λ(x1,y1)+μ(x2,y2))=f(λx1+μx2,λy1+μy2)=(2(λx1+μx2),3(λy1+μy2))=λ(2x1,3y1)+μ(2x2,3y2)=λf(x1,y1)+μf(x2,y2)f(\lambda(x_1,y_1)+\mu(x_2,y_2)) = f(\lambda x_1+\mu x_2, \lambda y_1+\mu y_2) = (2(\lambda x_1+\mu x_2), 3(\lambda y_1+\mu y_2)) = \lambda(2x_1,3y_1)+\mu(2x_2,3y_2) = \lambda f(x_1,y_1)+\mu f(x_2,y_2). Oui, linéaire.

Exercice 3

La matrice d'une application linéaire f:R2→R3f:\mathbb{R}^2\to\mathbb{R}^3 est de taille :

Corrigé

La matrice a autant de lignes que la dimension de l'espace d'arrivée (33) et autant de colonnes que la dimension de l'espace de départ (22). Taille : 3×23\times 2.

Exercice 4

Si f:R3→R3f:\mathbb{R}^3\to\mathbb{R}^3 est linéaire avec dim⁡(ker⁡f)=2\dim(\ker f)=2, quelle est la dimension de l'image ?

Corrigé

Théorème du rang : dim⁡(ker⁡f)+dim⁡(Im f)=dim⁡E=3\dim(\ker f) + \dim(\text{Im}\,f) = \dim E = 3. Donc dim⁡(Im f)=3−2=1\dim(\text{Im}\,f) = 3 - 2 = 1.

Exercice 5

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

Corrigé

Faux en général. Par exemple f:R→R2f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}^2, f(x)=(x,0)f(x)=(x,0) est injective (ker⁡f={0}\ker f=\{0\}) mais pas surjective (Im f≠R2\text{Im}\,f\neq\mathbb{R}^2). C'est vrai seulement si dim⁡E=dim⁡F\dim E=\dim F.

Exercice 6

Trouver le noyau de f(x,y,z)=(x+y,y+z)f(x,y,z) = (x+y, y+z) de R3→R2\mathbb{R}^3\to\mathbb{R}^2.

Corrigé

Résolution :

ker⁡f={(x,y,z):x+y=0 et y+z=0}\ker f = \{(x,y,z) : x+y=0 \text{ et } y+z=0\}.

x+y=0⇒x=−yx+y=0 \Rightarrow x=-y ; y+z=0⇒z=−yy+z=0 \Rightarrow z=-y.

Variable libre y=ty=t : (x,y,z)=(−t,t,−t)=t(−1,1,−1)(x,y,z) = (-t,t,-t) = t(-1,1,-1).

ker⁡f=Vect{(−1,1,−1)}\ker f = \text{Vect}\{(-1,1,-1)\}, de dimension 11.

Vérification (théorème du rang) : dim⁡(Im f)=3−1=2\dim(\text{Im}\,f) = 3-1=2, et Im f⊂R2\text{Im}\,f\subset\mathbb{R}^2 de dimension 22 → ff est surjective.

Exercice 7

Vrai ou faux : La composée de deux applications linéaires est linéaire.

Corrigé

Vrai. Si f:E→Ff:E\to F et g:F→Gg:F\to G sont linéaires, alors (g∘f)(λu+μv)=g(f(λu+μv))=g(λf(u)+μf(v))=λg(f(u))+μg(f(v))=λ(g∘f)(u)+μ(g∘f)(v)(g\circ f)(\lambda u+\mu v) = g(f(\lambda u+\mu v)) = g(\lambda f(u)+\mu f(v)) = \lambda g(f(u))+\mu g(f(v)) = \lambda(g\circ f)(u)+\mu(g\circ f)(v).

Exercice 8

L'application f(x,y)=(x+1,y)f(x,y)=(x+1, y) de R2→R2\mathbb{R}^2\to\mathbb{R}^2 est-elle linéaire ?

Corrigé

Faux. f(0,0)=(1,0)≠(0,0)f(0,0)=(1,0)\neq(0,0). Une application linéaire doit envoyer 00 sur 00. Ici c'est une application affine (translation), pas linéaire.

Exercice 9

Quelle est la matrice dans les bases canoniques de la symétrie de R2\mathbb{R}^2 par rapport à l'axe des xx ?

Corrigé

La symétrie par rapport à l'axe des xx envoie (x,y)↦(x,−y)(x,y)\mapsto(x,-y). f(1,0)=(1,0)f(1,0)=(1,0) et f(0,1)=(0,−1)f(0,1)=(0,-1). Matrice : (100−1)\begin{pmatrix}1&0\\0&-1\end{pmatrix}.

Exercice 10

Si f:E→Ff:E\to F est un isomorphisme, que vaut dim⁡E−dim⁡F\dim E - \dim F ?

Corrigé

Un isomorphisme est bijectif et linéaire. Par le théorème du rang avec ker⁡f={0}\ker f=\{0\} (injectif) : dim⁡E=0+dim⁡(Im f)=dim⁡(Im f)\dim E = 0 + \dim(\text{Im}\,f) = \dim(\text{Im}\,f). Et ff surjective : Im f=F\text{Im}\,f = F, donc dim⁡E=dim⁡F\dim E = \dim F, i.e. dim⁡E−dim⁡F=0\dim E - \dim F = 0.

Exercice 11

Démontrer le théorème du rang : dim⁡(ker⁡f)+dim⁡(Im f)=dim⁡E\dim(\ker f)+\dim(\text{Im}\,f)=\dim E.

Corrigé

Preuve :

Soit dim⁡(ker⁡f)=r\dim(\ker f) = r, (e1,…,er)(e_1,\ldots,e_r) une base de ker⁡f\ker f. On complète en une base de EE : (e1,…,er,ε1,…,εs)(e_1,\ldots,e_r,\varepsilon_1,\ldots,\varepsilon_s) avec r+s=dim⁡Er+s=\dim E.

Claim : (f(ε1),…,f(εs))(f(\varepsilon_1),\ldots,f(\varepsilon_s)) est une base de Im f\text{Im}\,f.

Génératrice : Tout y∈Im fy\in\text{Im}\,f s'écrit y=f(x)y=f(x) avec x=∑αiei+∑βjεjx=\sum\alpha_i e_i+\sum\beta_j\varepsilon_j, donc y=∑βjf(εj)y=\sum\beta_j f(\varepsilon_j).

Libre : Si ∑βjf(εj)=0\sum\beta_j f(\varepsilon_j)=0, alors f(∑βjεj)=0f(\sum\beta_j\varepsilon_j)=0, donc ∑βjεj∈ker⁡f\sum\beta_j\varepsilon_j\in\ker f, et ∑βjεj=∑αiei\sum\beta_j\varepsilon_j=\sum\alpha_i e_i. Par liberté de la base, tous les coefficients sont nuls.

Donc dim⁡(Im f)=s=dim⁡E−r=dim⁡E−dim⁡(ker⁡f)\dim(\text{Im}\,f)=s=\dim E - r = \dim E - \dim(\ker f). □\square

Exercice 12

Vrai ou faux : Deux espaces vectoriels de même dimension finie sur R\mathbb{R} sont isomorphes.

Corrigé

Vrai. Si dim⁡E=dim⁡F=n\dim E = \dim F = n, on choisit des bases BE\mathcal{B}_E et BF\mathcal{B}_F. L'application qui envoie le ii-ème vecteur de BE\mathcal{B}_E sur le ii-ème vecteur de BF\mathcal{B}_F est un isomorphisme. Tout espace vectoriel de dimension nn est isomorphe à Rn\mathbb{R}^n.

Exercice 13

Trouver une application linéaire f:R2→R2f:\mathbb{R}^2\to\mathbb{R}^2 de noyau Vect{(1,2)}\text{Vect}\{(1,2)\}.

Corrigé

Construction :

On veut f(1,2)=(0,0)f(1,2)=(0,0) et ff linéaire. Cherchons f(x,y)=(ax+by,cx+dy)f(x,y)=(ax+by, cx+dy).

Condition : a+2b=0a+2b=0 et c+2d=0c+2d=0.

Choix simple : a=2,b=−1a=2, b=-1 et c=0,d=0c=0, d=0.

f(x,y)=(2x−y,0)f(x,y) = (2x-y, 0).

Vérification : f(1,2)=(2−2,0)=(0,0)f(1,2)=(2-2,0)=(0,0) ✓. ker⁡f={(x,y):2x−y=0}={(x,2x):x∈R}=Vect{(1,2)}\ker f = \{(x,y):2x-y=0\} = \{(x,2x):x\in\mathbb{R}\} = \text{Vect}\{(1,2)\} ✓.

Exercice 14

Quelle est la matrice de la rotation d'angle θ\theta dans le plan R2\mathbb{R}^2 ?

Corrigé

La rotation d'angle θ\theta envoie e1=(1,0)e_1=(1,0) sur (cos⁡θ,sin⁡θ)(\cos\theta,\sin\theta) et e2=(0,1)e_2=(0,1) sur (−sin⁡θ,cos⁡θ)(-\sin\theta,\cos\theta). La matrice (colonnes = images des vecteurs de base) est Rθ=(cos⁡θ−sin⁡θsin⁡θcos⁡θ)R_\theta=\begin{pmatrix}\cos\theta&-\sin\theta\\\sin\theta&\cos\theta\end{pmatrix}.

Exercice 15

Vrai ou faux : Si f∘g=Idf\circ g = \text{Id}, alors ff est surjective et gg est injective.

Corrigé

Vrai. Si f∘g=IdEf\circ g=\text{Id}_E : gg injective : si g(x)=g(y)g(x)=g(y), alors x=Id(x)=(f∘g)(x)=f(g(x))=f(g(y))=(f∘g)(y)=yx=\text{Id}(x)=(f\circ g)(x)=f(g(x))=f(g(y))=(f\circ g)(y)=y. ff surjective : pour tout zz, z=Id(z)=(f∘g)(z)=f(g(z))z=\text{Id}(z)=(f\circ g)(z)=f(g(z)), donc z∈Im fz\in\text{Im}\,f.

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