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Envoi 3c, Alg. 3, 2020-2021
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Espaces vectoriels
2.1 Généralités
Dans ce qui suit, nous noterons par K un corps commutatif, souvent le corps R des
nombres réels ou C celui des nombres complexes.
Définition 2.1. On appelle espace vectoriel sur K tout ensemble non vide E, muni
d’une loi de composition interne additive + : E × E → E et d’une loi de composition
externe . : K × E → E telles que :
1. (E, +) est un groupe commutatif dont l’élément neutre est noté 0E ou seulement 0.
2. ∀α, β ∈ K, ∀x, y ∈ E, on a :
i. α.(β.x) = (αβ).x
ii. (α + β).x = α.x + β.x
iii. α.(x + y) = α.x + β.y
iv. 1.x = x
Les éléments de E sont dits des vecteurs et ceux de K des scalaires.
Remarque 2.2. 1. Un espace vectoriel sur R est dit un espace vectoriel réel et un
espace vectoriel sur C est dit un espace vectoriel complexe.
2. Dans un espace vectoriel E, on a :
i. 0.x = 0, ∀x ∈ E. En effet x = 1.x = (1 + 0).x = 1.x + 0.x = x + 0.x. Donc 0.x = 0.
ii. Le vecteur nul 0 est unique, car s’il y a un autre élément neutre 00 pour l’addition
Chapitre 2. Espaces vectoriels Lahbib Oubbi
de E, on aura 0 = 0 + 00 = 00 .
iii. α.0 = 0, ∀α ∈ K. En effet α.0 = α.(0 + 0) = 2α.0. Donc α.0 = 0.
iv. ∀α ∈ K, ∀x ∈ E, on a : (α.x = 0) ⇐⇒ (x = 0 ou α = 0). En effet si α = 0 ou
x = 0, alors d’après ce qui précède, α.x = 0. Réciproquement supposons que α 6= 0 et
1 α
que α.x = 0. Alors .(α.x) = ( ).x = x = 0. D’où le résultat.
α α
v. ∀x ∈ E, on a : (−1.x = −x). En effet, 0 = 0x = (1−1).x = 1.x+(−1).x = x+(−1).x.
D’où (−1).x = −x.
Exemple 2.3. 1. (Rn , +, .) est un espace vectoriel réel, où pour tout (x1 , . . . , xn ) ∈ Rn
et tout λ ∈ R,
et de la multiplication externe
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Chapitre 2. Espaces vectoriels Lahbib Oubbi
Remarque 2.5. Lorsqu’il n’y a pas de confusion à craindre, nous omettrons d’écrire les
lois d’un espace vectoriel (E, +, .). Nous écrirons alors E seulement au lieu de (E, +, .).
De plus nous omettrons aussi d’écrire le point (.) dans la multiplication externe α.x.
Nous écrirons seulement αx.
Exemple 2.7. 1. Si E est un espace vectoriel sur K, alors {0} et E sont des sous-
espaces vectoriels de E. On les appelle les sous-espaces triviaux de E.
2. Si on confond un triplet (x1 , x2 , x3 ) de R3 avec le n-uplet (x1 , x2 , x3 , 0, 0 . . . , 0), alors
on peut voir R3 , muni des lois (x1 , x2 , x3 ) + (x01 , x02 , x03 ) = (x+ x01 , x2 + x02 , x3 + x03 ) et de
λ(x1 , x2 , x3 ) = (λx1 , λx2 , λX3 ), comme sous-espace vectoriel de Rn , n ≥ 4.
3. L’ensemble Rn [X] de tous les polynômes de degré plus petit ou égal à n, muni de
l’addition des polynômes et du produit par un scalaire, est un sous-espace vectoriel de
R[X], l’espace vectoriel de tous les polynômes sur R.
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Chapitre 2. Espaces vectoriels Lahbib Oubbi
Remarque 2.10. Par récurrence, on peut montrer que tout produit d’espaces vec-
toriels, muni des opérations composante par composante, est un espace vectoriel sur
K.
En fait on a :
Proposition 2.11. Soient I un ensemble non vide et, pour tout i ∈ I, (Ei , +, .) un
Y
espace vectoriel sur K. Alors le produit cartésien E := Ei des Ei est un espace
i∈I
vectoriel sur K pour les lois :
(xi )i∈I + (yi )i∈I = (xi + yi )i∈I et λ(xi )i∈I = (λxi )i∈ .
Exemple 2.12. 1. R2 n’est rien que l’espace vectoriel produit R×R. Plus généralement
Rn est l’espace vectoriel produit de n copies de R.
2. Si on confond chaque n + m-uplet (x1 , . . . , xn , xn+1 . . . , xn+m ) avec le couple dont les
éléments sont (x1 , . . . , xn ) et (xn+1 , xn+m ), i.e., avec le couple ((x1 , . . . , xn ), (xn+1 , xn+m )),
on peut montrer que Rn+m n’est rien que l’espace vectoriel produit Rn × Rm .
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Chapitre 2. Espaces vectoriels Lahbib Oubbi
Définition 2.13. On dit qu’un vecteur x ∈ E est une combinaison linéaire des vecteurs
e1 , e2 , . . . , em , s’il existe des scalaires x1 , x2 , . . . xm tels que
x = x1 e1 + x2 e2 + · · · + xm em .
Si tous les xi ci-dessus sont nuls, alors x = 0. Ainsi le vecteur nul est toujours com-
binaison linéaire de toute famille non vide de vecteurs de E. C’est donc la combinaison
linéaire nulle des vecteurs e1 , . . . , em .
Exemple 2.15. 1. Dans un espace vectoriel quelconque toute famille de vecteur conte-
nant le vecteur null 0 est liée. En effet si e1 , e2 , . . . , em sont des vecteurs quelconques de
E. Alors la famille {0, e1 , e2 , . . . , em } est liée, car 1.0+0.x1 +. . . 0.xm = 0 et évidemment
1 6= 0.
2. Une famille à un seul élément non nul est toujours libre.
3. Dans Rn , la famille e1 , e2 , . . . , en est libre, où ei est le n-uplet dont toutes les com-
posantes sont nulles sauf la iième qui est égale à 1. Par exemple dans R2 , les vecteurs
(1, 0) et (0, 1) sont linéairement indépendants. En effet si x1 (1, 0) + x2 (0, 1) = (0, 0),
alors (x1 , x2 ) = (0, 0). D’où x1 = x2 = 0.
4. La famille {(1, 0), (0, 1), (2, 3)} est liée. Car 2.(1, 0) + 3.(0, 1) − 1.(2, 3) = (0, 0).
Théorème 2.16 (et Définition). Soit une famille {e1 , e2 , . . . , em } de vecteurs d’un es-
pace vectoriel E. L’ensemble de toutes les combinaison linéaires des vecteurs e1 , e2 , . . . , em
est un sous-espace vectoriel de E.
On l’appelle le sous-espace vectoriel de E engendré par les vecteurs e1 , e2 , . . . , em , ou
par la famille {e1 , e2 , . . . , em }.
On le note Vect(e1 , e2 , . . . , em ) ou span(e1 , e2 , . . . , em ).
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Chapitre 2. Espaces vectoriels Lahbib Oubbi
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Chapitre 2. Espaces vectoriels Lahbib Oubbi
Remarque 2.23. 1. Toute sous-famille d’une famille libre est aussi libre.
2. Toute sur-famille d’une famille liée est aussi liée.
Exemple 2.25. Si E = R2 , le rang de la famille ((1, 0), (2, 1), (0, 1)) est 2. Car
((1, 0), (0, 1)) est libre et la famille en entier est liée.
Remarque 2.26. 1. Une famille est libre si, et seulement si, son rang coı̈ncide avec
son ordre.
2. Le rang d’une famille (nécessairement infinie) peut être +∞.
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Chapitre 2. Espaces vectoriels Lahbib Oubbi
Démonstration. Comme C est génératrice, il existe x1,1 , x1,2 , . . . , x1,m ∈ K tels que
m
X
e1 = x1,i e0i . Comme e1 6= 0, il existe au moins un i ∈ {1, . . . , m} tel que x1,i 6= 0.
i=1
Quitte à changer l’ordre des vecteurs, on peut supposer que i = 1. Donc x1,1 6= 0. Ainsi
m
1 X
e01 x1,i e0i .
= e1 −
x1,1 i=2
Donc (e1 , e02 , e03 , . . . , e0m ) est génératrice. Par suite il existe x1 , x2,2 , . . . , x2,m ∈ K tels
X m
que e2 = x1 e1 + x2,i e0i . Puisque (e1 , e2 ) est libre, il existe existe i ∈ {2, 3, . . . , m} tel
i=2
que x2,i 6= 0. Quitte, encore une fois, à changer l’ordre des vecteurs, on peut supposer
m
0 1 X
que x2,2 6= 0. Dans ce cas, on aura e2 = e2 − x1 e1 − x2,i e0i . Il en résulte que
x2,2 i=3
(e1 , e2 , e03 , e04 , . . . , e0m ) est génératrice. Ainsi de proche en proche jusqu’à épuisement des
ei si n ≤ m, ou épuisement des e0j si n > m. Supposons que m < n. Alors la famille
(e1 , e2 , e3 , . . . , em ) est génératrice. Donc en s’écrit comme combinaison linéaire des ei ,
i = 1, . . . , m. Ceci est impossible puisque B est libre. Donc n ≤ m. Par suite la famille
(e1 , . . . , en , en+1 , . . . , en ), une fois les vecteurs de C réarrangés plusieurs fois selon le
besoin, est génératrices.
Définition 2.28. Un espace vectoriel E sur K est dit de dimension finie, s’il admet
une famille génératrice d’ordre fini.
Théorème 2.29 (d’existence de base). Soit E un espace vectoriel de dimension finie
sur K. Alors E admet une base finie.
Démonstration. Soit G := (e1 , e2 , e3 , . . . , ep ) une famille génératrice de E et soit r son
rang. Alors, en réarrangeant les ei , on peut supposer que (e1 , e2 , e3 , . . . , er ) est libre.
Donc pour tout j > r, la famille (e1 , e2 , . . . , er , ej ) est liée. Donc ej est combinaison
linéaire des ei , i = 1, . . . , r. Par suite tout vecteur, étant combinaison linéaire des
ej , j = 1, . . . , p, est aussi combinaison linéaire des ei , i = 1, . . . , r. D’où la famille
(e1 , e2 , . . . , er ) est génératrice. Comme elle est libre, c’est une base.
Proposition 2.30 (et Définition). Soit E un espace vectoriel de dimension finie. Si
B et B 0 sont des bases de E, alors elles ont le même nombre d’éléments. Ce même
nombre s’appelle la dimension de E et est noté dim(E).
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Chapitre 2. Espaces vectoriels Lahbib Oubbi
Exemple 2.31. 1. dim(Rn [X]) = n + 1, une base est données par (1, X, . . . , X n ).
2. dim(Rn ) = n. Une base est donnée par (e1 , . . . , en ), avec ei := (0, . . . 0, 1, 0 . . . , n), 1
à la iième place.
Propriétés.
1. Toutes les bases d’un espace vectoriel E de dimension n ont le même ordre n, i.e.,
le même nombre d’éléments.
2. Si une famille A est génératrice, alors son ordre est au moins n.
3. Si une famille A est libre, alors son ordre est au plus n.
4. Si l’ordre d’une famille A de vecteurs est n et A est libre ou génératrice, alors c’est
une base.
5. Si F est un sous-espace vectorielde E, alors dim(F ) ≤ dim(E). Si de plus dim(F ) =
n, alors E = F .
Remarque 2.33. 1. D’après le théorème précédent, toute famille libre d’un un espace
vectoriel de dimension finie n peut être complétée en une base.
2. Si A := {e1 , . . . , ep } est une famille finie de vecteurs de E, alors rg(A) = dim(Vect(A)).
En effet, puisque A ⊂ Vect(A), on a rg(A) ≤ dim(Vect(A)). Par ailleurs, si {e1 , . . . , er }
est une sous-famille libre maximale de F (i.e. rg(A) = r), alors chaque ej , j = r +
p
X
1, . . . , p, est combinaison linéaire des ei , i = 1, 2, . . . , r. Donc si x := xi ei ∈ Vect(A),
i=1
r
X
alors il existe yi , i = 1, . . . , r, tels que x := yi ei . Ceci donne que {e1 , . . . , er } est
i=1
génératrice dans Vect(A). Par suite dim(Vect(A)) ≤ r = rg(A). D’où l’égalité.
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Chapitre 2. Espaces vectoriels Lahbib Oubbi
F + G := {z ∈ E, ∃x ∈ F, ∃y ∈ G : z = x + y}
= {x + y, x ∈ F, y ∈ G}
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Chapitre 2. Espaces vectoriels Lahbib Oubbi
i 6= j tels que
xj = x1 + · · · + xj−1 + xj+1 + · · · + xp .
De là
x1 + . . . xj−1 − xj + xj+1 + · · · + xp = 0.
D’après 2. tous les xi sont nul, ce qui contredit xj 6= 0.
3. =⇒ 1. Supposons que 3. est vraie et qu’il existe x ∈ F qui s’écrit de deux manières
différentes, disons x = x1 + · · · + xp et x = x01 + · · · + xp . Alors
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Chapitre 2. Espaces vectoriels Lahbib Oubbi
dim(F + G) = dim(H ⊕ (F ∩ G) ⊕ K)
= dim(H) + dim(F ∩ G) + dim(K)
= (dim(H) + dim(F ∩ G)) + (dim(K) + dim(F ∩ G)) − dim(F ∩ G)
= dim(F ) + dim(G) − dim(F ∩ G).
D’où le résultat.
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