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Prépa:Maths/Dimension finie

De CowBloke Wiki

Fiche d'exemple : elle montre toutes les boîtes. Modifie-la ou supprime-la librement.

Dans tout le chapitre, 𝕂=ℝ ou ℂ, et E, F sont des 𝕂-espaces vectoriels.

Définitions

DéfinitionRang d'une application linéaire

Soit f∈ℒ(E,F). Si Im⁡f est de dimension finie, le rang de f est rg⁡(f)=dim⁡Im⁡(f).

Théorèmes et propriétés

ThéorèmeThéorème du rang

Soit E de dimension finie et f∈ℒ(E,F). Alors Im⁡f est de dimension finie et dim⁡E=rg⁡(f)+dim⁡ker⁡f.

Démonstrationdu théorème du rang

E étant de dimension finie, ker⁡f admet un supplémentaire S dans E. Considérons g=f|S|Im⁡f:S→Im⁡f.

  • Injectivité : ker⁡g=S∩ker⁡f={0}.
  • Surjectivité : soit y=f(x)∈Im⁡f. On écrit x=k+s avec k∈ker⁡f, s∈S ; alors y=f(k)+f(s)=g(s).

Donc g est un isomorphisme : rg⁡(f)=dim⁡S=dim⁡E−dim⁡ker⁡f.

CorollaireCaractérisation des isomorphismes

Si dim⁡E=dim⁡F=n finie et f∈ℒ(E,F) : f injective⟺f surjective⟺f bijective⟺rg⁡(f)=n.

Méthodes

MéthodeMontrer qu'une famille est une base

Si dim⁡E=n et ℱ a exactement n vecteurs, il suffit de vérifier une seule des deux propriétés :

  1. ℱ est libre (souvent le plus simple) ;
  2. ou ℱ est génératrice.

Formules à connaître

FormuleFormule de Grassmann

dim⁡(F+G)=dim⁡F+dim⁡G−dim⁡(F∩G)

Pièges

Attention

dim⁡E=rg⁡f+dim⁡ker⁡f ne dit pas que E=ker⁡f⊕Im⁡f (cela n'a même pas de sens si F≠E). Contre-exemple dans ℝ2 : f(x,y)=(y,0), pour lequel ker⁡f=Im⁡f=ℝ×{0}.

Exercices types

ExerciceNoyau et image supplémentaires
Soit E de dimension finie et f∈ℒ(E). Montrer que E=ker⁡f⊕Im⁡f⟺ker⁡f∩Im⁡f={0}.
Source : Classique
Solution

(⇒) est immédiat. (⇐) : la somme ker⁡f+Im⁡f est directe, donc de dimension dim⁡ker⁡f+rg⁡f=dim⁡E par le théorème du rang. C'est un sous-espace de E de même dimension, donc égal à E.

Voir aussi