Chap1 Formes Lineaires
Chap1 Formes Lineaires
Chap1 Formes Lineaires
Janvier
c 2018, Khalid Koufany
2 LICENCE DE MATHÉMATIQUES, S4
(d) Si E = C([a, b], R) est l’espace des fonctions réelles continues sur
Rb
[a, b], alors l’application f 7→ a f (t)dt est une forme linéaire sur E.
P(e) Si E = Mn (K), alors l’application trace, A = (aij ) 7→ tr(A) =
n
1 ii est une forme linéaire sur E.
a
(f) Soit E un K espace vectoriel de dimension n et B = (e1 , . . . , en )
une base de E. Tout Pn élément x ∈ E s’écrit donc d’une manière unique
sous la forme x = 1 λi ei .
Pour chaque j ∈ [[1, n]], l’application e∗j : E → K, x 7→ e∗j (x) = λj est une
forme linéaire sur E , appelée j ème forme coordonnée relative à la base
B.
D’une façon générale on a :
Proposition 1.3. — Soit n ∈ N∗ .
(a) Soit (λ1 , . . . , λn ) ∈ K n . L’application de K n
Pn dans K qui à tout
n
x = (x1 , . . . , xn ) ∈ K associe le scalaire ϕ(x) := 1 λj xj ,est une forme
linéaire sur K n .
(b) Réciproquement, pour toute forme linéaire ϕ sur K n , il existe un
unique n-uplet P (λ1 , . . . , λn ) ∈ K n tel que pour tout x = (x1 , . . . , xn ) ∈ K n ,
on ait ϕ(x) = n1 λj xj .
Démonstration. — Le point (a) résulte d’une vérification directe.
(b) Soit (1 , . . . , n ) la base canonique de K n et soit ϕ : K n → K une
forme linéaire sur K n .
PTout élément x ∈ K n s’écrit Pn d’une façon unique sous la forme x =
n
x
i=1 i i et donc ϕ(x) = i=1 xi ϕ(i ). D’où l’existence et l’unicité des
λj := ϕ(j ), 1 ≤ j ≤ n.
2. Hyperplans
Definition 2.1. — Soit E un K-espace vectoriel. On appel hyperplan
de E, le noyau de toute forme linéaire sur E autre que la forme nulle.
Autrement dit, une partie H de E est un hyperplan de E s’il existe ϕ ∈
LICENCE DE MATHÉMATIQUES, S4 3
E ∗ \ {0} tel que H = Ker(ϕ). On dit alors que la relation ϕ(x) = 0 est
une équation de l’hyperplan H.
Exemple 2.2. — (a) H = {A ∈ Mn (K); Tr(A) = 0} est un hyperplan
de Mn (K).
(b) H = {(x, y, z) ∈ R3 ; 2x − 3y + z = 0} est un hyperplan de R3 .
(c) H = {P ∈ K[X]; P (0) = 0} est un hyperplan de K[X].
Proposition 2.3. — Soit H un sous-espace vectoriel de E. Les proprié-
tés suivantes sont équivalentes :
(a) H est un hyperplan de E.
(b) Il existe une droite vectorielle D de E telle que E = H ⊕ D.
3. Base duale
Soit E un espace vectoriel de dimension finie, n ≥ 1. Nous renvoyons
à l’exemple 1.2 pour la définition des formes linéaires e∗i .
Proposition 3.3. — (a) Si ϕ est une forme linéaire non nulle sur E, il
existe un vecteur x ∈ E (non nulle) tel que ϕ(x) = 1.
(b) Si x est un vecteur de E non nul, il existe une forme linéaire ϕ ∈ E ∗
telle que ϕ(x) = 1.
j, k ∈ [[1, n]],
bij e∗i )( n`=1 a`k e` )
δjk = fj∗ (fk ) = (P ni=1P
P P
= Pni=1 n`=1 bij a`k δi`
= ni=1 bij aik
= (tQP )jk .
Donc tQP = In et Q = tP −1 .
Exemples 3.7. — (a) Soient les vecteurs v1 = (−3, −1, 1), v2 = (5, 2, −1),
v3 = (6, 2, −1) de R3 exprimés dans la base canonique (e1 , e2 , e3 ). La
famille
B = (v1 ,v2 , v3 ) est une base de R3 , puisque la matrice P =
−3 5 6
−1 2 2 est inversible (de déterminant -1). Déterminons sa
1 −1 −1
base duale.
Soit B ∗ = (ϕ1 , ϕ2 , ϕ3 ) la base duale de B. Alors la matrice de passage
de B0∗ = (e∗1 , e∗2 , e∗3 ) (matrice duale de la matrice canonique) à B ∗ est
0 −1 1
t −1
P = 1 3 −2 .
2 0 1
On conclue donc que
ϕ1 (x, y, z) = y + 2z
ϕ2 (x, y, z) = −x + 3y
ϕ3 (x, y, z) = x − 2y + z
ou encore
ϕ1 = e∗2 + 2e∗3
ϕ2 = −e∗1 + 3e∗2
ϕ = e∗ − 2e∗2 + e∗3
3 1
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(b) Soient
ϕ1 (x, y, z) = x + 2y + 3z
ϕ2 (x, y, z) = 2x + 3y + 4z
ϕ (x, y, z) = 3x + 4y + 6z
3
trois formes linéaires sur R3 . Dans la base B0∗ = (e∗1 , e∗2 , e∗3 ) elles s’écrivent
ϕ1 = e∗1 + 2e∗2 + 3e∗3
ϕ2 = 2e∗ + 3e∗ + 4e∗
ϕ = 3e∗1 + 4e2∗ + 6e3∗
3 1 2 3
Compétence visée.