Licence 1Algèbre

Espaces vectoriels et sous-espaces

50 min15 exercicesSéquence 3.3 — Licence 1
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Durée : 50 min

Espaces vectoriels

1. Définition

Un espace vectoriel sur R\mathbb{R} est un ensemble EE muni de deux lois :
- Addition : E×E→EE \times E \to E, (u,v)↦u+v(u,v) \mapsto u+v
- Multiplication scalaire : R×E→E\mathbb{R} \times E \to E, (λ,u)↦λu(\lambda, u) \mapsto \lambda u

vérifiant 8 axiomes : associativité, commutativité de l'addition, existence de l'élément neutre 0E0_E, opposés, distributivité (λ(u+v)=λu+λv\lambda(u+v)=\lambda u+\lambda v, (λ+μ)u=λu+μu(\lambda+\mu)u=\lambda u+\mu u), associativité de la multiplication scalaire, et 1⋅u=u1\cdot u = u.

Exemples fondamentaux : Rn\mathbb{R}^n, R[X]\mathbb{R}[X] (polynômes), C([a,b])\mathcal{C}([a,b]) (fonctions continues), Mm,n(R)\mathcal{M}_{m,n}(\mathbb{R}) (matrices).

2. Sous-espaces vectoriels

Un sous-ensemble F⊂EF \subset E est un sous-espace vectoriel (sev) de EE si :
1. 0E∈F0_E \in F
2. ∀u,v∈F\forall u,v \in F, u+v∈Fu+v \in F (stabilité par addition)
3. ∀λ∈R,∀u∈F\forall \lambda \in \mathbb{R}, \forall u \in F, λu∈F\lambda u \in F (stabilité par multiplication scalaire)

Critère condensé : FF est un sev ssi F≠∅F \neq \emptyset et ∀u,v∈F,∀λ,μ∈R\forall u,v\in F, \forall\lambda,\mu\in\mathbb{R}, λu+μv∈F\lambda u + \mu v \in F.

3. Combinaisons linéaires et famille génératrice

Un vecteur vv est une combinaison linéaire de v1,…,vpv_1,\ldots,v_p s'il existe λ1,…,λp∈R\lambda_1,\ldots,\lambda_p\in\mathbb{R} tels que v=∑i=1pλiviv = \sum_{i=1}^p \lambda_i v_i.

L'ensemble de toutes les combinaisons linéaires de v1,…,vpv_1,\ldots,v_p est le sous-espace engendré : Vect(v1,…,vp)\text{Vect}(v_1,\ldots,v_p).

4. Indépendance linéaire

Les vecteurs v1,…,vpv_1,\ldots,v_p sont linéairement indépendants (libre) si :

λ1v1+⋯+λpvp=0⇒λ1=⋯=λp=0\lambda_1 v_1 + \cdots + \lambda_p v_p = 0 \Rightarrow \lambda_1 = \cdots = \lambda_p = 0

Sinon, ils sont liés : l'un d'eux est combinaison linéaire des autres.

5. Base et dimension

Une base de EE est une famille libre et génératrice. Tout espace vectoriel de dimension finie nn admet des bases à nn vecteurs. nn est la dimension de EE (notée dim⁡E\dim E).

Exemples : dim⁡Rn=n\dim \mathbb{R}^n = n, dim⁡Rn[X]=n+1\dim \mathbb{R}_n[X] = n+1, dim⁡Mm,n=mn\dim \mathcal{M}_{m,n} = mn.

6. Somme et intersection de sous-espaces

- F∩GF \cap G est toujours un sev de EE.
- F+G={u+v∣u∈F,v∈G}F + G = \{u+v \mid u\in F, v\in G\} est le plus petit sev contenant FF et GG.
- Formule de Grassmann : dim⁡(F+G)=dim⁡F+dim⁡G−dim⁡(F∩G)\dim(F+G) = \dim F + \dim G - \dim(F\cap G)
- Somme directe : E=F⊕GE = F \oplus G si F+G=EF+G=E et F∩G={0}F\cap G = \{0\}.

Exercices

Vrai ou faux : {0}\{0\} est un sous-espace vectoriel de tout espace vectoriel.

Les vecteurs (1,2)(1,2) et (2,4)(2,4) de R2\mathbb{R}^2 sont :

La dimension de M2,3(R)\mathcal{M}_{2,3}(\mathbb{R}) (matrices 2×32\times 3 réelles) est :

Vrai ou faux : L'ensemble F={(x,y)∈R2:x+y=1}F = \{(x,y)\in\mathbb{R}^2 : x+y=1\} est un sev de R2\mathbb{R}^2.

Combien de vecteurs contient une base de R4\mathbb{R}^4 ?

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