THEORIE DE LA DIMENSION

THEORIE DE LA DIMENSION

1) SYSTEMES LIBRES, GENERATEURS, BASES.
Rappelons les définitions déjà posées dans le chapitre précédent. Un systÈme S=(e₁, e₂,…, e_n) de n vecteurs du K espace E est dit générateur de E si et seulement si tout vecteur v de E peut s’écrire comme combinaison linéaire des vecteurs de S. Si de plus la décomposition de chacun des vecteurs de E est unique, on dit que S est une base du K-espace E.

On peut présenter différemment ces notions en associant à S l’application K-linéaire f du K espace standard Kⁿ vers E définie par : xIKⁿ f(x)=.
Notons les traductions évidentes :
S générateur de E f est surjective.
S base de E f est bijective.

L’injectivité de f n’a pour l’instant pas fait l’objet d’une définition particuliÈre. Nous allons combler ce vide en appelant systÈme libre tout systÈme S pour lequel f satisfait à l’injectivité, ou encore, puisque f est une application K-linéaire, tout systÈme S pour lequel Ker(f) est réduit au zéro de Kⁿ.
Ceci se résume donc à :

Cette définition permet de distinguer clairement les deux caractÈres essentiels d’une base.
De mÊme que f bijective f surjective et f injective , on pourra énoncer :

S est une base du K-espace E S est générateur du K-espace E et S est K-libre.

Compléments et remarques sur la définition.

_ Lorsqu’il peut y avoir ambiguÃ�té au sujet du corps sur lequel est construit l’espace vectoriel on précisera systÈme K-libre.
Ainsi le systÈme S=(1, i) de complexes est R-libre mais n’est pas C-libre. En effet la combinaison linéaire x.1+y.i=0 entraine la nullité des deux coefficients x et y lorsque ceux-ci sont supposés réels mais peut Être réalisée avec un jeu de complexes non nuls (ex : x=i ; y=-1)
Remarquons que tout systÈme C-libre sera nécessairement R-libre.

_ Au lieu de libre on adopte aussi le terme de systÈme linéairement indépendant.

_ Un systÈme non libre sera dit lié ou linéairement dépendant.

_ Un systÈme contenant le vecteur nul est toujours lié.

_ Un sous-systÈme d’un systÈme libre est nécessairement libre, une extension d’un systÈme lié est toujours lié.

Formulations particuliÈres : On tire immédiatement des définitions les énoncés équivalents qui suivent :

a) Un systÈme S=(e₁) réduit à un seul vecteur est libre si et seulement si e₁¹0_E.

b) Un systÈme S=(e₁, e₂) est libre aucun des deux vecteurs de S n’est multiple de l’autre.

c) Si n ³3 un systÈme S=(e₁, e₂,…, e_n) est libre aucun des vecteurs de S ne peut s’écrire comme combinaison linéaire des autres vecteurs de ce systÈme.

Les deux premiÈres affirmations sont pratiquement évidentes à justifier.
Pour la troisiÈme, de portée plus générale, procédons par contraposée.

_ Si S est lié, il existe un élément x non nul de Kⁿ tel que x₁e₁+……+x_ne_n=0_E.
Soit alors i un indice de tel que x_i ¹0 (Il en existe car x n’est pas, par hypothÈse, le jeu de coefficients identiquement nul.)
On pourra donc écrire . Le vecteur e_i est donc combinaison des autres vecteurs de S.

_ Si un des vecteurs de S, soit par exemple e_i ,peut s’obtenir comme combinaison linéaire des autres vecteurs de S : . On en déduit immédiatement par différence
avec y_k=x_k pour tout indice k distinct de i et y_i=-1. Le systÈme S est donc lié.

Sous cet angle, un systÈme lié d’au moins 2 vecteurs apparait donc comme un systÈme au sein duquel résident des éléments ‘inutiles’ pour la tache de représentation en combinaisons linéaires. En effet un vecteur combinaison linéaire des autres vecteurs du systÈme sera superflu car tout multiple de celui ci pourra se décomposer aussi comme combinaison linéaire de ces mÊmes vecteurs restants. (La charge du multiple en question est répartie sur les autres).

On peut donc envisager des ‘compressions de personnel’ dans un systÈme lié en vue d’éliminer des éléments ‘parasites’ et d’obtenir un systÈme minimal, libre, oÙ chacun des vecteurs sera essentiel au sein de cette équipe S. Plus précisément :

Ce principe de compressions successives est une des méthodes essentielles pour construire une base d’un K-espace E non réduit à pour lequel on connait un systÈme S=(e₁,e₂,…,e_n) générateur.

_ Si S est libre il constitue bien d’aprÈs ce qui précÈde une base de E (générateur et libre ).

_ Si S n’est pas libre, on enclenche le processus de compression que l’on poursuit jusqu’à obtenir un sous-systÈme S’ dans lequel aucun des vecteurs n’est combinaison des autres éléments de S’ ou bien est réduit à un seul vecteur non nul.

S’ est donc libre et toujours générateur de E donc constitue une base de cet espace, construite en quelque sorte comme un systÈme générateur minimal obtenu en raffinant un systÈme générateur donné.

Il existe une autre façon tout aussi fondamentale de construire des bases d’un espace.(¹)
Son application repose sur la remarque suivante :

La preuve est simple : Supposons . On ne peut avoir x_n+1 ¹0, sinon on en déduirait immédiatement que e_n+1 est combinaison des vecteurs de S, ce qui est contraire à l’hypothÈse. D’oÙ nécessairement x_n+1=0.
Il reste donc d’oÙ l’on déduit la nullité de tous les x_k pour kI puisque S est un systÈme supposé libre. L’extension S’ est donc encore libre.

On peut là aussi donner une image ‘économique’ de ce principe, en considérant des ‘embauches’ répétées jusqu’à réalisation du projet d’entreprise.
Ici le but à atteindre est la création d’une équipe S permettant de reconstituer tout vecteur de E comme combinaisons linéaires des éléments de S, et ceci de maniÈre unique.

On commence par choisir arbitrairement un vecteur e₁ non nul dans E.

_ Si tout vecteur de E est multiple de e₁, le systÈme S=(e₁) est alors générateur de E et libre puisque e₁¹0_E donc constitue une base de E.

_ Sinon il existe au moins un vecteur de E non multiple de e₁.
Soit e₂ un de ces éléments et S’=(e₁,e₂). L’étude précédente montre que S’ est encore libre.

_ Si S’ est générateur de E, il constitue bien une base de cet espace. Sinon il existe des vecteurs non combinaisons linéaires de S’. On en ‘recrute’ un, soit e₃ , ce qui nous donne un systÈme S’’=(e₁, e₂ , e₃) toujours libre et couvrant un peu plus de vecteurs par combinaisons linéaires que les systÈmes précédents.

Une différence essentielle avec la méthode descendante des compressions successives est que l’on n’est pas sÛr ici d’arriver à terme fini sur un systÈme effectivement générateur de E.
Ainsi dans le cas du K-espace des polynômes quelconques à coefficients dans K il est clair
que le systÈme S_n=(1,X,…,Xⁿ) est libre quelque soit l’entier n mais n’est jamais générateur de l’espace total puisque ses combinaisons linéaires sont des polynômes de degré au plus n.

En résumé nous disposons de deux méthodes générales, l’une ‘descendante’, l’autre ‘ascendente’, pour construire des bases d’un K-espace E mais avec les limitations suivantes :

_ Pour démarrer la premiÈre il faut disposer d’un systÈme S=(e₁, e₂,…,e_n) générateur.de E.

_ On n’est pas sÛr que la deuxiÈme aboutisse au bout d’un nombre fini d’étapes.

A la question de ‘comment construire des bases’ s’ajoute aussi une interrogation naturelle :

‘toutes les bases que l’on va ainsi construire au sein d’un mÊme espace E auront elles toujours le mÊme nombre de vecteurs ?’
La recherche démarrée ici va s’éclaircir trÈs nettement dans le paragraphe suivant à la lumiÈre d’un théorÈme essentiel aux nombreuses retombées que nous appellerons le théorÈme fondamental de la dimension.

2) ESPACES DE DIMENSION FINIE.
A) ThéorÈme fondamental

Nous allons procéder par récurrence sur l’entier n.

1) Pour n=1. Soit S=(e₁) un systÈme réduit à un seul vecteur de E et S’=(u₁, u₂) formé de deux vecteurs multiples de e₁, c’est à dire du type u₁=ae₁ ; u₂=be₁.

On en déduit immédiatement la relation bu₁-au₂=0_E qui assure le caractÈre lié du systÈme S’ lorsque le couple (a, b) n’est pas identiquement nul.

Si (a, b)=(0,0). Il est encore plus évident que S’ est lié puisqu’il contient le vecteur nul.

2) Pour n=2. Notons 3 combinaisons de S.
_ Supposons y¹0. On peut alors écrire puis en déduire, en substituant dans les deux premiÈres égalités, le systÈme :
Remarquons alors que les vecteurs forment un systÈme lié d’aprÈs l’étude précédente car ils sont tous deux multiples de e₁. Il existe donc une combinaison linéaire de ces vecteurs utilisant un couple de coefficients (a b) non identiquement nul et conduisant au vecteur nul de E.
AprÈs regroupement des termes cela peut s’écrire :
Ceci montre clairement que le systÈme S’ est lié puisque (a b ¹(0,0).


_ Si y=0. Il est clair que la notion de liberté ne dépend pas de l’ordre des vecteurs d’un systÈme. On pourra donc si b¹0 échanger u₁ et u₃ ce qui nous ramÈne à la situation précédente avec encore la conclusion S’ lié. De mÊme si b=0 mais d¹0 on échangera u₂ et u₃.

Reste le pire des cas oÙ y=b=d=0. Mais dans cet état les trois vecteurs de S’ sont multiples du seul vecteur e₁. S’ est alors lié puisque extension du systÈme (u₁, u₂) lui mÊme lié d’aprÈs l’étude faite pour n=1.

3) Plus généralement, supposons la propriété établie pour un certain entier n ³2.
Le passage au rang suivant n+1 va s’effectuer suivant le mÊme principe que le passage de 1 à 2 examiné ci dessus. La seule difficulté réside dans l’écriture à double indice, nécessaire ici pour représenter une configuration générale.

On posera donc S=(e₁, e₂,…., e_n, e_n+1)  et S’=(u₁, u₂,….., u_n+1, u_n+2) avec pour tout indice i de  :

_ Si le ‘dernier’ coefficient y=a_(n+2,n+1) du ‘dernier’ vecteur u_n+2 est non nul on pourra écrire
, puis en substituant cette expression dans les n+1 premiÈres égalités, en déduire le systÈme formé par les égalités du type :
, pour i variant de 1 à n+1.
Les n+1 vecteurs v_i= sont alors tous combinaisons linéaires du mÊme systÈme S_r formé par les n premiers vecteurs e_j ; jI.

D’aprÈs l’hypothÈse de récurrence à l’ordre n ils forment donc un systÈme lié et on pourra trouver un (n+1)-uplet non identiquement nul, soit (x₁,….., x_n+1) tel que x₁v₁+…..+x_n+1v_n+1=0_E.

En développant puis en regroupant les multiples de u_n+2 on obtient la relation :
qui assure la dépendance linéaire de S’ puisque un au moins des n+1 premiers coefficients est non nul.


_ Si y=a_{(n+2, n+1)}=0 mais qu’un au moins des coefficients de la ‘derniÈre colonne’ est non nul, par exemple si a_(k,n+1) est différent de zéro, on échangera u_k et u_n+2 ce qui nous ramÈnera à la situation précédente et donc encore à la dépendance linéaire de S’.

Enfin, si tous les coefficients de la derniÈre colonne sont nuls, les vecteurs de S’ sont tous combinaisons linéaires du systÈme réduit formé des n premiers vecteurs S_r=(e₁,…., e_n).

D’aprÈs l’hypothÈse de récurrence au rang n S’ est donc encore lié en tant qu’extension d’un systÈme de n+1 vecteurs tous combinaisons linéaires du systÈme de n vecteurs S_r.

B) Applications.

Une premiÈre conséquence importante est qu’au sein d’un espace E possédant un systÈme générateur fini S de n vecteurs, la méthode de recherche d’une base par extensions successives d’un systÈme libre initial conduira toujours à une solution effective.
En effet on sait maintenant que n est un plafond pour le nombre de vecteurs d’un systÈme libre de E, ceci d’aprÈs le théorÈme fondamental. (n+1 vecteurs tous combinaisons linéaires du mÊme systÈme S à n vecteurs forment un systÈme lié.).

On ne pourra donc étendre indéfiniment un systÈme en gardant son caractÈre libre. Au bout d’un nombre fini d’étapes dans la méthode de recherche ‘ascendante’ on mettra en évidence un systÈme libre maximal, donc nécessairement générateur de l’espace total E.

Dans la foulée considérons deux bases du mÊme espace E, l’une notée B formée de n vecteurs, l’autre désignée par B’ de cardinal p.
B étant génératrice et B’ libre, le théorÈme fondamental implique p £ n.
En inversant les rôles, chaque base étant à la fois libre et génératrice, on en déduit n £p. Ainsi au sein d’un mÊme espace toutes les bases ont nécessairement le mÊme nombre d’éléments.
Ceci nous permet de poser les définitions suivantes :

_ On dira qu’un espace est de dimension finie si et seulement si il possÈde un systÈme générateur fini.

_ Si E est un espace de dimension finie non réduit au seul vecteur nul, E possÈde des bases et toutes ces bases ont nécessairement le mÊme nombre d’éléments que nous appellerons la dimension du K-espace E et qui sera noté dim_K(E).

Remarque : L’espace trivial est bien de dimension finie car le systÈme S réduit à 0_E est générateur, mais ne possÈde pas de base puisque S n’est pas libre.
Par convention nous poserons dim_K=0. (Ne pas chercher dans E des bases à 0 éléments ! Il s’agit simplement d’un artifice qui évitera de considérer des cas particuliers dans les résultats essentiels de la théorie de la dimension énoncés ci-aprÈs.)

_ Enfin nous dirons aussi qu’un espace est de dimension infinie s’il n’est pas de dimension finie.

Si E est un espace de dimension non nulle n.
_ Tout systÈme générateur de E de cardinal n est une base de E.
_ Tout systÈme libre de E de cardinal n est une base de E.

En effet, soit pour commencer un systÈme S engendrant E formé de n vecteurs.
_ Si S est réduit à un seul vecteur, celui ci ne peut Être nul, sinon l’espace engendré E serait réduit à ce qui est contraire à l’hypothÈse n¹0.

_ Si n >1 et si S n’était pas libre, on pourrait alors compresser S à un systÈme de n-1 vecteurs engendrant encore E. Or ceci est en contradiction avec le théorÈme fondamental car E est de dimension n donc possÈde des systÈmes libres de n vecteurs .
S générateur de E est donc aussi libre et constitue bien ainsi une base de E.

Considérons maintenant un systÈme libre L de cardinal n.
Si L n’engendrait pas E, on pourrait alors l’étendre en un systÈme libre L’ de n+1 vecteurs, en rajoutant un élément de E non combinaison linéaire de L.
Ceci est directement en contradiction avec le théorÈme fondamental, le cardinal d’un systÈme générateur de E étant un plafond pour le nombre de vecteurs d’un systÈme libre de E. ( On aurait n+1£n). L est donc libre et générateur de E.

On a en fait repris l’idée essentielle des méthodes ascendantes et descendantes dans lesquelles une base apparait soit comme un systÈme libre maximal, soit comme un systÈme générateur minimal. Résumons l’étude par les équivalences suivantes :

Si card(S)=dim_K(E) S base de E S libre dans E S générateur de E.

Si E est de dimension finie n, tout sous-espace A de E est nécessairement de dimension finie p inférieur ou égal à n. De plus si p=n ce sous-espace A coÃ�ncide avec l’espace total E.

_ Si A=, le résultat est évident et tient à la convention adoptée plus haut.

_ Si A¹ enclenchons la méthode ascendante de recherche d’une base de A par extensions successives d’un systÈme libre initial L. (Par exemple en partant de L= avec v quelconque non nul dans A).
E étant de dimension finie n, le cardinal d’un systÈme libre de vecteurs de E (et donc aussi d’un systÈme de vecteurs du sous-espace A) sera majoré par n. Au bout d’un nombre fini d’étapes on est alors sÛr d’atteindre un systÈme libre maximal B dans A soit une base de A formé d’un nombre p de vecteurs avec p£n . A est bien de dimension finie p.

Enfin, si p=n, la base B de A construite ci dessus apparait comme un systÈme libre maximal de E, donc une base de cet espace total. E est alors formé par l’ensemble des combinaisons linéaires d’un systÈme de vecteurs de A et est donc inclus dans A vu la stabilité d’un sous-espace pour les combinaisons linéaires. On a bien établi E=A.

Si A et B sont deux sous-espaces de dimension finie d’un mÊme K-espace E, alors A B et A+B sont aussi de dimension finie et satisfont à l’équation aux dimensions suivante :

dim_K(A+B)=dim_K(A)+dim_K(B)-dim_K(A B)

En particulier, si la somme est directe : dim_K(AÅB)=dim_K(A)+dim_K(B)

_ Remarquons d’abord que si un des sous espaces A ou B est réduit à , le résultat sera évident vu la convention dim_K=0.

_Examinons ensuite le cas le cas d’une somme directe. Par hypothÈse on peut construire une base B=(e₁,…., e_n) de A et une base B’=(u₁,…, u_p) de B.

Or par définition tout vecteur v de A+B peut s’écrire comme somme d’un vecteur de A avec un vecteur de B donc peut se décomposer, en utilisant le caractÈre générateur de B et B’, sous la forme : v=x₁e₁+….+x_ne_n+y₁u₁+….+y_pu_p .
Le systÈme B’’ obtenu en juxtaposant B et B’ apparait donc comme engendrant le sous-espace somme A+B. Montrons que B’’ est libre.

Considérons pour cela un jeu de coefficients de K, soit : (x₁,….,x_n, y₁,…., y_p), tel que x₁e₁+….+x_ne_n+y₁u₁+….+y_pu_p = 0_E. La somme étant supposée directe, chacune des deux composantes sur A et B est nulle , c’est à dire x₁e₁+….+x_ne_n= y₁u₁+….+y_pu_p = 0_E

On termine en utilisant le caractÈre libre de B et B’. Nécessairement, chacun des coefficients x_i et y_j apparaissant dans les deux combinaisons nulles suivantes est nécessairement égal à 0.

On a donc bien mis en évidence un systÈme générateur et libre de A+B donc une base B’’ de cardinal n+p=dim_K(A)+dim_K(B).
Retenons au passage le principe de construction par ‘juxtaposition’ d’une base de A avec une base de B.

_ Abordons pour finir le cas général oÙ A B¹ et choisissons comme point de départ une base B=(e₁,…., e_r) de cette intersection.

_ Si A B=A ou A B=B, le résultat cherché est encore évident car l’un des deux sous-espaces sera inclus dans l’autre, et la somme ne sera autre que le ‘plus grand’ des deux.

_ Sinon, on pourra en utilisant la méthode ascendante, compléter d’une part B en une base B de A en rajoutant judicieusement des vecteurs u₁,…,u_p , d’autre part prolonger ce mÊme systÈme B en une base B de B en rajoutant v₁,….,v_q .
Tout vecteur a de A peut alors s’écrire comme combinaison linéaire du type :
a=x₁e₁+…+x_re_r+y₁u₁+….+y_pu_p
De mÊme tout vecteur b de B peut s’obtenir sous la forme :

On en déduit que tout vecteur de la somme A+B pourra se décomposer suivant le format :

Le systÈme B’=(e₁,….,e_r,,u₁,…,u_p,v₁,….,v_q) apparait donc comme générateur de A+B.

Montrons qu’il est libre et considérons pour cela une combinaison du type :
x₁e₁+…+x_re_r+y₁u₁+….+y_pu_p +z₁v₁+….+z_qv_q=0_E.
On en déduit immédiatement l’égalité : x₁e₁+…+x_re_r+y₁u₁+….+y_pu_p=-( z₁v₁+….+z_qv_q) dans laquelle le premier membre est un vecteur de A et le second un élément de B.
Il s’agit donc d’un vecteur de l’intersection que l’on va pouvoir décomposer dans la base B , d’oÙ une nouvelle égalité du type :
x₁e₁+…+x_re_r+y₁u₁+….+y_pu_p=-( z₁v₁+….+z_qv_q)=t₁e₁+….+t_re_r

Or B étant une base on aura nécessairement, vu l’unicité de la décomposition, les égalités
x₁=t₁ ;….. ; x_r=t_r ; y₁=0 ;…. ; y_p=0.
De mÊme B étant une base on en conclÛt t₁=0 ;…. ; t_r=0 ; z₁=0 ; …. ; z_q=0.
Tous les coefficients de la combinaison étudiée sont donc nécessairement nuls. B’ est bien une base de la somme A+B dont la dimension est r+p+q=(r+p)+(r+q)-r c’est à dire effectivement dim_K(A)+dim_K(B)-dim_K(A B)

C) Quelques Résultats classiques.

1) Dimension des espaces standards.
Pour les espaces vectoriels classiques, la mise en évidence de bases simples dites naturelles ou canoniques donne directement la dimension.

_ Ainsi K est un K espace de dimension 1, en considérant la base évidente réduite à 1_K.

_ L’espace produit Kⁿ est de dimension n sur K, en considérant la base élémentaire formée des n-uplets e_k dont toutes les composantes sont nulles sauf celle d'ordre k égale à 1_K.

e₁=(1_K, 0_K,….,0_K) ; e₂=(0_K, 1_K, 0_K,…, 0_K) ; …… ; e_n=(0_K,_….. , 0_K, 1_K).

_ L’espace K_n[X] est de dimension n+1 sur K, en remarquant que le systÈme de fonctions monômes S_n=(1, X, X²,…., Xⁿ) est bien libre et générateur de cet espace.

_ L’espace K[X] n’est pas de dimension finie sur K puisque le systÈme S_n défini ci dessus est libre quel que soit l’entier n.

2) C espaces et R espaces.
Soit E est un C-espace de dimension finie n, et B=(e₁,e₂,….,e_n) une base de E.

Pour tout vecteur v de E il va exister un unique jeu de complexes (z₁,….., z_n) tel que v se décompose v=z₁e₁+……+z_ne_n. En écrivant les z_k sous forme algébrique z_k=x_k+iy_k , cette égalité se traduit vu les axiomes d’un C-espace  : v=x₁e₁+….+x_ne_n+y₁(ie₁)+…..+y_n(ie_n).

Le systÈme S=(e₁, e₂,….,e_n, ie₁, ie₂,…., ie_n) apparait alors comme un systÈme générateur du R espace E. Il est facile de prouver que ce systÈme est libre. En effet une combinaison linéaire à coefficients réels du type x₁e₁+….+x_ne_n+y₁(ie₁)+…..+y_n(ie_n)=0_E se condense avec les notations précédentes en la combinaison à coefficients complexes z₁e₁+……+z_ne_n=0_E et entraine donc la nullité de chacun des complexes z_k=x_k+iy_k par suite du caractÈre C-libre de B et par suite la nullité de tous les couples de réels (x_k, y_k).

S est donc une R-base de E et on peut donc écrire que dim_R(E)=2n=2dim_C (E)
La dimension de E en tant que R-espace est le double de sa dimension sur C.

3) Dimension d’un espace produit.
Soit B =(e₁,….,e_n) une base d’un K-espace E et B’=(u_1,…,u_p) une base du K-espace F.
Si on munit le produit cartésien P=E F des lois classiques :
(x,y)+(x’,y’)=(x+x’,y+y’) et a.(x,y)=(ax ay) pour a scalaire, il est clair que l’on construit un K-espace vectoriel et que le systÈme de n+p couples (e₁, 0_F),…..,( e_n, 0_F), (0_E, u₁),…..,(0_E, u_p) en est une base. Il suffit d’écrire (x,y)=(x,0_F)+(0_E,y) puis de décomposer les vecteurs x et y dans les bases respectives B et B’. On aura donc dim_K(E F)=dim_K(E)+dim_K(F).

La formule se généralise sans problÈme à un produit d’un nombre fini de K-espaces :
dim_K(E₁ E₂ E_n)=dim_K(E₁)+dim_K(E₂)+…..+dim_K(E_n)

3) DIMENSION ET MORPHISMES D’ESPACES.

Dans ce paragraphe E et F désignent deux espaces vectoriels sur le mÊme corps K, reliés par une application K-linéaire f de E vers F. On se propose d’étudier comment le morphisme f agit sur les caractÈres liés à la notion de dimension.

Commençons par établir les résultats élémentaires suivants :
Soit S=(e₁, e₂,…., e_n) un systÈme fini de vecteurs de E et f(S)=(f(e₁),….., f(e_n)) le systÈme dit image de S par f , formé par les images successives des éléments de S.

1) Si S est générateur de E, alors le systÈme f(S) est générateur de f(E).
2) Si S est libre, alors f(S) est libre si et seulement si Vec_K(S) Ker(f)=.

_ Pour la premiÈre propriété remarquons que par définition mÊme, tout vecteur w de f(E) est du type w= f(v) avec v élément de E.
S engendrant E, on pourra écrire v comme combinaison linéaire des vecteurs de S : v=x₁e₁+….+x_ne_n . Enfin, par K-linéarité de f, on obtient : w=x₁f(e₁)+…..+x_nf(e_n) .
Le systÈme f(S) est donc bien générateur de f(E).

_ Pour la deuxiÈme affirmation supposons S libre et examinons une combinaison linéaire du systÈme f(S) donnant le vecteur nul : x₁f(e₁)+…..+x_nf(e_n)=0_F.
Toujours par K-linéarité de f on en déduit f(x₁e₁+….+x_ne_n)=0_F , exprimant l’appartenance au noyau de f du vecteur v= x₁e₁+….+x_ne_n .
Or v appartient au sous-espace vectoriel engendré par S, noté classiquement Vec_K(S).

a Si ce sous espace n’interfÈre avec le noyau que par le vecteur nul, on aura donc nécessairement v=0_E, et par suite chacun des coefficients x_k nul vu que S est supposé libre.

a Par contre si il existe un vecteur non nul appartenant à la fois à Vec_K(S) et à Ker(f), on pourra l’écrire v=x₁e₁+….+x_ne_n avec la relation x₁f(e₁)+…..+x_nf(e_n)=0_F.
Or au moins un des coefficients x_k est non nul puisque v¹0_E. On a donc ici une relation de dépendance linéaire entre les vecteurs de f(S). Par contraposée on en déduit que si S est libre, alors Vec_K(S) Ker(f)=.

Ces deux principes de base établis examinons les premiÈres conséquences suivantes :

L’image par f d’un sous-espace A de dimension finie n est un sous-espace de dimension finie tel que dim_K( f(A)) £ dim_K(A).

Il suffit d’appliquer la premiÈre propriété à la restriction de f au sous-espace A.
Si S est une base du K-espace A formée de n vecteurs, le systÈme f(S) sera un systÈme de n vecteurs générateur de l’espace image f(A). Par suite f(A) est bien de dimension finie p£n

Si f est injective, l’image d’un systÈme libre par f est toujours un systÈme libre.

En effet Ker(f) étant réduit à , la deuxiÈme propriété nous donne directement le résultat.

Si A est un sous-espace de dimension finie, dim_Kf(A)=dim_K(A)-dim_K(A Ker(f))

a Si A Ker(f)= il suffit d’appliquer les deux résultats précédents. En effet l’image par f d’une base de A sera à la fois libre et génératrice de f(A) donc une base de cet espace image constituée d’un nombre de vecteurs égal à la dimension de A.
Dans ce cas f ‘conserve la dimension’.

a Si dim_K(A Ker(f))=p avec p³1. (Cette dimension est bien finie puisque la trace de A sur le noyau de f est un sous-espace de A de dimension finie.)

Partons alors d’une base S=(e₁, e₂,…., e_p) de cette intersection et étendons la en une base B =(e₁, e₂,…., e_n) de A. On sait que f(B) est un systÈme générateur de f(A). Cependant, dans ce systÈme, les images f(e_k) des p premiers vecteurs sont nulles puisqu’il s’agit d’images par f de vecteurs du noyau de f. On peut donc compresser ce systÈme générateur en éliminant ces images inutiles.

_ Si p=n on a alors A Ker(f)=A donc AÌKer(f) et f(A)=.

_ Si p<n le systÈme réduit apparait comme l’image d’un systÈme S’=(e_p+1,…., e_n) tel que Vec_K(S’) Ker(f)=. En effet la juxtaposition de S et S’ étant une base de A on a vu un peu plus haut que Vec_K(S)ÅVec_K(S’)=A.

Le deuxiÈme principe nous assure alors que f(S’) est libre. On a donc construit une base de f(A) formée de n-p vecteurs.
Dans les deux cas on a bien dim_Kf(A)=n-p=dim_K(A)-dim_K(A Ker(f)).
Cette relation précise le rôle important du noyau pour la connaissance d’un morphisme f.

Si E est de dimension finie, alors dim_K( f(E))=dim_K(E) –dim_K(Ker(f))

Il suffit d’appliquer le résultat précédent à A=E.
Ce théorÈme est souvent connu comme le ‘ théorÈme du rang’ car il permet de préciser ce que l’on appelle le rang d’une application linéaire, c’est à dire la dimension de l’espace image :.Im(f)= f(E).

Si E est de dimension finie et si f est bijective, alors dim_K(F)=dim_K(E)

C’est un cas particulier du résultat précédent avec A=E puisque f(E)=F et Ker(f)=
Deux espaces de dimension finie isomorphes sont donc nécessairement de mÊme dimension.
Un espace de dimension finie ne peut Être isomorphe à un espace de dimension infinie.

Si E et F sont deux K espaces de mÊme dimension finie, alors pour tout application linéaire f de E vers F : f bijective f injective f surjective .

_ On sait que f est injective si et seulement si Ker(f) est réduit à . Ceci équivaut d’aprÈs le théorÈme du rang à : dim_K( f(E))=dim_K(E), donc d’aprÈs l’hypothÈse, à l’égalité
dim_K( f(E))=dim_K(F), ou encore à f(E)=F puisque f(E) est un sous-espace de F.

Ainsi l’injectivité de f équivaut à sa surjectivité et par suite à sa bijectivité.

En particulier, pour montrer qu’un endomorphisme f d’un K-espace E de dimension finie est bijectif il suffira d’établir un seul des deux caractÈres fondant cette notion, l’injectivité ou la surjectivité.

De mÊme pour vérifier que l’endomorphisme g est réciproque de f, il suffira de s’assurer qu’une au moins des deux égalités gf=I_E ou fg=I_E est réalisée.

En effet de la premiÈre on déduit directement l’injectivité de f ainsi que la surjectivité de g. L’étude ci dessus assure alors la bijectivité de g et f et la relation g=f ^–1.

Raisonnement identique à partir de la deuxiÈme égalité en échangeant les rôles des deux applications.

Deux K-espaces de mÊme dimension finie sont nécessairement isomorphes.

Pour l’établir il suffit de remarquer que tout K-espace de dimension finie n est isomorphe à l’espace standard Kⁿ par l’intermédiaire de l’application j définie aprÈs le choix d’une base B=(e₁,e₂,….,e_n).de E comme  : v=x₁e₁+….+x_ne_n , j(v)=(x₁,_……., x_n).
Il ne s’agit pas vraiment ici d’une application des deux principes en question mais simplement une autre formulation de la notion de base, déjà évoquée dans le premier paragraphe.

4) RANG D’UN SYSTEME.

On a défini précédemment le rang d’une application linéaire comme la dimension de son espace image.
Plus généralement nous appellerons rang d’un systÈme S de vecteurs du K-espace E la dimension du K-espace engendré par S.a rang(S)=dim_K(Vec_K(S))

Le lien entre les deux notions est précisé par la propriété évidente qui suit :

Si fIL_K(E,F) et si S=(e₁,e₂,….,e_n) est une base de E, alors rang(f)=rang(f(e₁),f(e₂),….,f(e_n)) .

En effet on sait que si S est générateur de E, f(S) engendre f(E)=Im(f).

Détermination pratique du rang.

On peut toujours bien sÛr appliquer la méthode consistant à compresser progressivement le systÈme générateur initial S jusqu’à obtention d’une base. Cependant la détermination effective de relations de dépendance linéaire n’est pas toujours évidente si le nombre de vecteurs de S est élevé.

On lui préfÈre souvent une méthode plus algorithmique décrite ci-aprÈs, reposant sur un principe dit du ‘pivot de Gauss’, assez universelle puisqu’on la retrouvera dans la résolution des systÈmes linéaires et le calcul des déterminants, avec l’avantage considérable de pouvoir se transcrire aisément dans les langages de programmation usuels.



Description de la méthode.

A) Notation matricielle.

La mise en place nécessite la connaissance des composantes des vecteurs de S dans une base du K-espace d’étude E.
Nous désignerons par B=(e₁, e₂,…., e_n) une telle base et noterons S=(u₁,….., u_p) avec pour tout k élément de  : =
La notation a double indice est ici inévitable. Notons qu’elle fait apparaitre une application x définie sur le produit cartésien à valeurs dans K avec pour la composante suivant e_i dans la base B du vecteur u_k.
Cette application sera souvent résumée à l’aide d’un tableau à double entrée constitué de n lignes et p colonnes et dont l’élément générique situé à la croisée de la ligne i et de la colonne k sera précisément . Ce tableau sera appelé matrice des composantes des vecteurs du systÈme S dans la base B (ou plus simplement matrice de S dans B ).
Sa colonne d’ordre k notée C_k représente dans l’ordre les composantes de u_k dans la base B .

Mat(S,B )=A=

B) Rang d’un systÈme ‘triangulaire inférieur’.

On appelle ainsi, de maniÈre imagée, un systÈme S de r vecteurs dont la matrice représentative dans B ne contient que des zéros dans le triangle correspondant aux couples
(i, k) d’indices tels que i < k. Ces vecteurs se décomposent donc suivant le schéma :



Il s’agit en fait plutôt d’un dessin en trapÈze, le vrai triangle n’apparaissant que si r=n.

L’intérÊt de cette structure réside dans la propriété qui suit :

Si aucun des coefficients diagonaux x_(i,i) n’est nul, alors le rang du systÈme est égal à r.

La preuve est facile. Considérons une relation de dépendance a₁u₁+…..+a_ru_r=0_E.

Chacune des composantes dans la base B de la combinaison linéaire précédente doit donc s’annuler.

_ Ainsi, en projetant sur e₁., on obtient a₁x_(1,1)=0 d’oÙ l’on tire a₁=0 puisque x_(1,1) ¹0.

_ Ensuite, en projetant sur e₂ on aura a₁x_(2,1)+a₂x_(2,2)=0.
Mais a₁=0 et x_(2,2) n’est pas nul, on en déduit donc a₂=0.

_ Il est facile de poursuivre ce procédé en cascade et de montrer que de proche en proche tous les coefficients a_k vont s’annuler successivement jusqu’à a_r. Le systÈme étudié est donc bien libre, son rang est égal à son cardinal r..

C) Manipulations conservant le rang d’un systÈme.

La partie active de la méthode va consister à l’aide de transformations élémentaires, à remplacer le systÈme initial S en un systÈme triangulaire du type précédent, sans modifier l’espace vectoriel engendré.
Pour cet objectif trois types de manipulations fondamentales suffisent, que l’on va codifier de la façon suivante :

a) Echange des vecteurs u_k et u_j.

b) Remplacement du vecteur u_k par le multiple au_k avec a non nul.

c) . Remplacement du vecteur u_k par la différence u_k-u_j avec k ¹j .

Justifications :

_ La somme des vecteurs étant commutative, la modification de l’ordre des vecteurs d’un systÈme S ne perturbe aucunement l’espace vectoriel engendré par celui-ci. La premiÈre transformation est donc tout à fait licite.

_ Si le scalaire a est non nul, les droites vectorielles engendrées par u_k et au_k sont identiques et ces deux vecteurs ont donc des rôles interchangeables pour ce qui concerne les combinaisons linéaires. Ceci justifie l’emploi de la manipulation b).

_ Enfin remarquons que le sous-espace engendré par le couple (u_k,u_j) est identique à celui engendré par (u_k-u_j,,u_j). Il suffit de remarquer que u_k=(u_k-u_j)+u_j.
On pourra donc aussi utiliser des manipulations du type c).

Ces justifications précisées, le déroulement des opérations est relativement simple :

_ En modifiant au besoin l’ordre, on se place sous l’hypothÈse oÙ la premiÈre composante
a=x_(1,1) du premier vecteur u₁ est non nulle.(Si toutes les composantes sur e₁ sont nulles, on travaillera sur la base restreinte B –, suffisante pour représenter les vecteurs de S)
_ On remplace ensuite pour chaque k >1 chacun des vecteurs u_k par .

Ceci ne modifie rien si x_(1,k) est nul, et correspond dans le cas contraire à l’enchainement des trois opérations permises :
Cette séquence a pour effet de mettre à zéro toutes les composantes suivant e₁ des vecteurs u_k d’indice k strictement supérieur à 1. Notons S₁ le sous systÈme formé par ces r-1 vecteurs ainsi modifiés.

_ On recommence avec S₁ la démarche précédente avec cette fois ci l’objectif d’annuler les composantes sur e₂ (sauf une !).

_ On poursuit le procédé jusqu’à obtention de la forme triangulaire recherchée.
Si au cours de ces opérations le vecteur nul apparait, il sera bien entendu exclu du systÈme en évolution car il n’a aucune influence sur le rang.

Insistons sur la forme dépouillée de la méthode : on n’utilise que les composantes des vecteurs de S dans la base B . On travaille en fait dans l’espace standard Kⁿ, isomorphe à E par l’intermédiaire de la base B suivant : v=x₁e₁+…+x_ne_n a(x₁,…, x_n).

Le rang de S est donc aussi celui du systÈme S’ des vecteurs colonnes de la matrice représentant S dans B , rang que l’on appellera donc aussi rang de la matrice A= Mat(S,B )

L’intervention de cette matrice a un autre intérÊt pratique non négligeable. On va montrer en effet que le rang de A, c’est à dire du systÈme des vecteurs colonnes coÃ�ncide en fait aussi avec le rang du systÈme des vecteurs lignes de cette matrice, considérés comme vecteurs de l’espace standard K^p.

Cette symétrie n’était pas du tout imaginable à priori, en restant prisonnier de l’espace initial E oÙ sont choisis les vecteurs de S. La détermination pratique du rang pourra donc Être enrichie de manipulations du type pivot de Gauss sur les lignes de la matrice et conduire plus rapidement au résultat.

Reste donc à justifier cette égalité des rangs des systÈmes lignes et colonnes d’une mÊme matrice rectangulaire. C’est encore une conséquence simple du théorÈme fondamental de la dimension, avec pour seule difficulté une notation indicielle un peu lourde et obscure.

Aussi pour montrer comment intervient le principe essentiel et alléger l’écriture nous allons d’abord considérer le cas particulier oÙ le rang du systÈme des vecteurs colonnes est égal à 3 et oÙ les trois premiÈres colonnes forment effectivement un systÈme libre.

On aura ainsi pour tout k supérieur ou égal à 3 : C_k=a_kC₁+b_kC₂+g_kC₃.

Examinons alors une ligne quelconque de A, soit L_i.

Ses trois premiers termes sont les coefficients respectifs des colonnes respectives C₁, C₂, C₃, et le coefficient d’ordre k ³4 s’écrit .



Considérons alors les trois lignes l₁, l₂, l₃ définies comme suit :

l₁=(1, 0, 0, a a_k a_p)
l₂=(0, 1, 0, b b_k b_p)
l₃=(0, 0, 1, g g_k , g_p)

Il est clair que L_i=x_(i,1)l₁+x_(i,2)l₂+x_(i,3)l₃. L’espace des vecteurs lignes possÈde donc un systÈme générateur formé de 3 vecteurs et par suite sera de dimension inférieure ou égal à 3.

On généralise sans peine ce raisonnement si le rang du systÈme des vecteurs colonnes est quelconque. On établit donc ainsi que : rang(L₁,….,L_n) £ rang(C₁,…….,C_p).

Une démarche symétrique peut s’effectuer en échangeant dans la précédente les rôles joués par les lignes et les colonnes.
On en déduit l’inégalité inverse et par suite l’égalité des deux rangs.

Théorie de la dimension. Exercices.

Soit E un R-espace vectoriel, et deux vecteurs de E et S le systÈme défini par les trois vecteurs .
Montrer que S est lié et donner une relation de dépendance linéaire précise entre ses vecteurs.

Dans le R-espace des fonctions de R dans R on considÈre f₁, f₂, f₃ définies par les formules :
f₁(x)=sin(x+1) ; f₂(x)=sin(x-1) ; f₃(x)=sin(x+2).

a) Le systÈme S formé par ces trois fonctions est-il libre ?
b) Déterminer une base de E=Vec_R(S).
c) Déterminer les composantes de la fonction x asin(x) dans la base précédente.

Soit S=(e₁, e₂,…., e_n) un systÈme libre d’un C espace E.
Le systÈme S’=(e₁+e₂, e₂+e₃,….., e_n-1+e_n, e_n+e₁) est-il également libre ?

Dans R on considÈre l’ensemble E des quadruplets (x, y, z, t) tels que :
2x+y+t=0 et x+y-z+3t=0
Montrer que E est un sous-espace et déterminer en une base.

Soit S le R-espace des suites à valeurs réelles. On note E l’ensemble des éléments de S tels que les termes de rang pair soient en progression arithmétique ainsi que les termes de rang impair. Montrer que E est un sous-espace de S de dimension finie.

Dans R on considÈre le sous-ensemble E des triplets du type (x+y-3z, x+2y-t, t+x-z) , les coefficients x, y, z, t pouvant prendre toute valeur réelle.
Montrer que E est un sous-espace de dimension finie et déterminer en une base.

Dans le R-espace des fonctions de R dans R montrer que le systÈme de n vecteurs définis par les formules : sin(x), sin(2x), …., sin(nx) , est libre quel que soit l’entier n non nul.
(On pourra procéder par récurrence et mettre à profit l’outil de la dérivation.)
Ceci prouvé, la fonction appartient-elle au sous-espace engendré par le systÈme défini ci dessus ?

Soit E un R-espace de dimension 4 décomposé sous la forme E=Vec_R(a,b)ÅVec_R(c,d).
Peut on en déduire E=Vec_R(a+c)ÅVec_R(b, d, c-a) ?
Que se passe t-il si on supprime l’hypothÈse sur la dimension de E ?

Dans le R-espace des fonctions de R dans R on considÈre pour tout entier non nul k le vecteur f_k défini par la formule f_k(x)=ln(x²+k).
Le systÈme S_n=(f₁, f₂,…, f_n) est il libre pour tout n entier non nul ?

Dans R on considÈre le systÈme S formé des 4 vecteurs :
e₁=(2, 0, 1) ; e₂=(-1, 1, 1) ; e₃=(3, 1, 3) ; e₄=(3, -1, 0). Déterminer le rang de S, donner une base de R³ qui soit extension d’une base du sous-espace engendré par S.

Montrer que tout systÈme S=(P₁, P₂,…., P_n) de polynômes non nuls à coefficients dans K dont les degrés sont tous distincts deux à deux est nécessairement libre.

On considÈre l’ensemble noté M₃(R) des matrices carrés à coefficients réels d’ordre 3
(3 lignes et 3 colonnes) muni des lois usuelles suivantes :

_ Somme ‘+’ des matrices, définie en additionnant terme à terme les éléments correspondants de chacun des tableaux.
_ Produit ‘.’ d’une matrice par un réel a, obtenu en multipliant chacun des éléments du tableau par le scalaire a.

1) Montrer que (M₃(R) , +, . ) est un R-espace vectoriel de dimension finie.
2) On note E l’ensemble des carrés magiques d’ordre 3, c’est à dire des éléments de M₃(R) pour lesquels les sommes des 3 colonnes, des 3 lignes et des deux diagonales sont toutes égales entre elles. Déterminer une base de E.

Soit E un R espace de dimension infinie, F et P deux sous-espaces de E tels que E=FÅP avec dim_R(P)=2. Montrer que tout autre sous-espace G supplémentaire de F dans E c’est à dire tel que E=FÅG est nécessairement de dimension 2.

Dans R [X] quel est le rang du systÈme constitué par les 5 polynômes :
P₁=1+2X-X²+X³ ; P₂= 2+7X+2X³ ; P₃=5+X-11X²+5X³ ; P₄=-1+X+3X²-X³ ;
P₅=-5-4X+9X²-5X³

Soit f un endomorphisme d’un K-espace E. Etablir l’équivalence suivante :
x IE le systÈme (x, f(x)) est lié f est une homothétie vectorielle.

f désigne un endomorphisme d’un K-espace vectoriel E.

a) On suppose qu’il existe un entier k non nul tel que f ^k=0 et f ^k-1 ¹0.
Montrer qu’il existe un vecteur a de E tel que le systÈme (a, f(a),f ²(a),…,f ^k-1(a)) soit libre.

b) On suppose E de dimension finie n. Montrer que si l’endomorphisme f est nilpotent, c’est à dire si une puissance de f s’annule, alors nécessairement f ⁿ=0.

Soient E et F deux K-espaces vectoriels et f un élément de L_K(E,F).

a) Montrer que f est de rang 1 si et seulement si il existe un vecteur b non nul de F et une application K linéaire non nulle u de E vers K tels que pour tout x de E on ait f(x)=u(x).b

b) Si E=F en déduire une condition nécessaire et suffisante pour qu’un endomorphisme de rang 1 soit un projecteur.

c) Plus généralement, soit r le rang de l’application K-linéaire f de E vers F. Montrer que f peut se décomposer en une somme de r applications linéaires de rang 1.

E, F, G désignent trois K espaces de dimension finie. f IL_K(E, F) et gIL_K(F, G).

1) Montrer que Im(gf)=g(Im(f)).

2) Montrer que rang(gf)£ min( rang(f), rang(g) ) . (le plus petit des deux rangs).

3) Etablir l’équivalence : rang(gf)=rang(f) Im(f) Ker(g)=

4) Etablir l’équivalence : rang(gf)=rang(g) F=Im(f)+Ker(g).

E, F, G trois K-espaces vectoriels de dimension finie. f IL_K(E, F) et gIL_K(F, G).

1) Montrer que Ker(f)ÌKer(gf)

2) Montrer que Ker(gf)=f ^–1(Ker(g))

3) Montrer que dim_K(Ker(gf) £ dim_K(Ker(f))+dim_K(Ker(g)

4) Etablir l’équivalence dim_K(Ker(gf)=dim_K(Ker(f))+dim_K(Ker(g)) Ker(g) Ì Im(f)

5) Montrer que rang( gf) ³ rang(f)+rang(g)-dim_K(F).

E un K-espace vectoriel de dimension n et f un endomorphisme de E.
On suppose qu’il existe un entier k tel que Ker(f ^k)=Ker(f ^k+1)

Montrer que Ker(f ^k+1)=Ker(f ^k+2) et que E=Ker(f ^k)ÅIm(f ^k)

SOLUTIONS.

Les trois vecteurs en question étant combinaisons linéaires d’un mÊme systÈme de deux vecteurs, le théorÈme fondamental assure leur dépendance linéaire.
Pour une solution effective remplaçons suivant le schéma principal de la démonstration, par =dans les deux premiÈres égalités. On obtient aprÈs simplifications :


On obtient donc la relation de dépendance :

a) D’aprÈs les formules trigonométriques d’addition on remarque que pour tout x réel :
f₁(x)=cos1sinx+sin1cosx ; f₂(x)=cos1sinx-sin1cosx ; f₃(x)=cos2sinx+sin2cosx

Si on note u la fonction classique sinus de R dans R et v la fonction cosinus, ce qui précÈde peut se résumer par les égalités vectorielles :
f₁=(cos1)u+(sin1)v ; f₂=(cos1)u-(sin1)v ; f₃=(cos2)u+(sin2)v.

On est donc en présence d’un systÈme de 3 vecteurs tous combinaisons linéaires du mÊme systÈme (u, v) de deux vecteurs, donc formant nécessairement un systÈme lié d’aprÈs le théorÈme fondamental de la dimension.

b) Pour une relation effective on peut tirer des deux premiÈres égalités une expression de (u, v) en fonction de (f₁, f₂) que l’on reporte dans la derniÈre équation.
 ;

Soit, aprÈs simplifications :

Vec_R(S) est donc engendré par le systÈme réduit (f₁, f₂). Il est facile de vérifier que celui-ci est libre car d’ une relation du type af bf =0 on déduit a=0 en écrivant l’égalité fonctionnelle au point x=1 et b=0 en considérant l’image de –1.

c) Les composantes de u=sin dans la base (f₁, f₂) apparaissent dans les calculs précédents..

Considérons une relation de dépendance du type :
_E

Par regroupement des termes et puisque par hypothÈse le systÈme initial S est libre, on en déduit que nécessairement :

Laissons de côté la premiÈre relation, particuliÈre vu le ‘retour de e_n à e₁.’
On voit alors facilement que, de proche en proche, pour tout k élément de . Ainsi . En reportant cette expression dans la premiÈre égalité non encore exploitée on obtient
La discussion est claire :

_ Si n est impair, nécessairement a doit Être nul et par suite tous les autres coefficients considérés. Le systÈme S’ sera libre.

_ Si n est pair a peut Être quelconque et il existera donc des relations de dépendance non triviales entre les vecteurs de S’. Par exemple pour a =1 :
(e₁+e₂)-(e₂+e₃)+…+(-1)^k+1(e_k+e_k+1)+….+ (e_n-1+e_n)-(e_n+e₁)=0_E. S’ est lié.

Résolvons par substitution élémentaire le systÈme traduisant l’appartenance d’un quadruplet à E :

E apparait donc comme l’ensemble des vecteurs de R du type v=(x, y, -5x-2y, -2x-y) avec pour (x, y) un couple quelconque de réels. En décomposant pour séparer le rôle des deux paramÈtres on obtient E=

Ainsi E est le sous espace de R engendré par le systÈme(u, v) de deux quadruplets
u=(1, 0, -5, -2) ; v=(0, 1, -2, -1). Reste à remarquer que ce systÈme est libre.

En effet u ne peut Être multiple de v car sa premiÈre composante est 1 alors que celle de v est nulle, de mÊme l’examen des deuxiÈmes composantes montre que v ne peut Être multiple de u.
E est un plan vectoriel de base (u, v).

Soit x un vecteur de E. Par hypothÈse ses termes de rang pair sont en progression arithmétique donc régis par une formule élémentaire du type x_2n=x₀+nr.
De mÊme si r’ désigne la raison de la progression arithmétique des termes d’indice impair on peut écrire x_2n+1=x₁+nr’ pour tout entier n.

Considérons alors les quatre suites a,b,c,d définies par les formules suivantes : n IN

Il est clair que x se décompose sous la forme x=x₀a+rb+x₁c+r’d.

Le systÈme B =(a, b, c, d) engendre donc le R espace E.
De plus il s’agit d’un systÈme libre car de x=aa+ bb+a’c+b’d=0_S on déduit d’abord a=0 en écrivant x(0)=0, puis a’=0 à partir de x(1)=0 et enfin b b’=0 comme conséquence de x(2)=x(3)=0.

On a donc bien mis en évidence une base finie B de E et on peut conclure : dim_R(E)=4.

En séparant les rôles de chacun des paramÈtres on obtient la décomposition naturelle :
(x+y-3z, x+2y-t, t+x-z)=x(1, 1, 1)+y(1, 2, 0)+z(-3, 0, -1)+t(0, -1, 1).
E est donc le sous-espace de R engendré par le systÈme S formé des quatre triplets
u=(1, 1, 1) ; v=(1, 2, 0) ; w=(-3, 0, -1) ; j=(0, -1, 1).

Déterminons le rang de S. grace à la méthode du pivot de Gauss.
La matrice de S dans la base canonique de R est A=
_ Les manipulations
_ On poursuit avec

Le rang de S est donc égal à 3. En effet :
L’annulation de la derniÈre colonne est l’expression de l’égalité j=u-v et le systÈme réduit aux 3 premiÈres colonnes est triangulaire inférieur avec tous les coefficients diagonaux distincts de 0.
E est donc un sous-espace de R de mÊme dimension que celui-ci, donc confondu avec lui. E=R . (u, v, w) est bien sÛr une des bases possibles.

_ Pour n=1, la propriété étudiée est évidente car la fonction sinus n’est pas la fonction identiquement nulle sur R et constitue donc bien à elle seule un systÈme libre.

_ Supposons la propriété vraie au rang n ³1 et essayons d’en déduire que le systÈme formé par les n+1 fonctions f_k définies sur R par f_k(x)=sin(kx) avec kI est encore libre.
Pour cela examinons les conséquences d’une relation de dépendance du type :
.

D’aprÈs les rÈgles élémentaires de dérivation il est clair que pour tout entier k on a la relation différentielle : f_k’’=-k²f_k . On en déduit, vu l’égalité précédente et la linéarité de la dérivation : -a f a f -…….-n²a_nf_n-(n+1)²a_n f_n+1=0.

On peut alors combiner les deux relations précédentes de façon à éliminer le terme en f_n+1.
On obtient

D’aprÈs l’hypothÈse de récurrence à l’ordre n, tous les coefficients affectant les vecteurs f_k dans la relation précédente sont nécessairement nuls.
Or k I (n+1)²-k²¹0. Tous les coefficients a_k correspondants sont donc nuls et .l’égalité initiale se résume à a_n f_n =0 dont on tire immédiatement a_n =0 puisque f_n+1 n’est pas le zéro de l’espace vectoriel.
La propriété de liberté étudiée est donc bien héréditaire , validée à l’ordre 1, donc transmissible de proche en proche à tout entier supérieur ou égal à 1.

Supposons maintenant f= . On en déduit que pour tout réel x, en multipliant par (cosx+2) : .
En utilisant la relation ci dessus peut se condenser en l’égalité fonctionnelle :
( avec la convention f₀=0). L’étude précédente nous permet d’égaler les coefficients relatifs à un mÊme vecteur f_k et donne le systÈme:



On en déduit facilement par un processus descendant l’annulation de tous les coefficients a_k ce qui est incompatible avec la premiÈre égalité. f ne peut donc s’écrire comme combinaison linéaire du systÈme (f₁,…., f_n).

La somme étant supposée directe, on peut écrire 4=dim_R(Vec_R(a, b))+dim_R(Vec_R(c, d)).
De plus, chacun des deux espaces constituant la somme est engendré par un systÈme de deux vecteurs donc est de dimension au plus égale à 2. La seule configuration compatible avec les remarques précédentes est donc dim_R(Vec_R(a, b))=dim_R(Vec_R(c, d))=2.

Les deux couples générateurs (a, b) et (c, d) constituent donc des bases des espaces respectifs engendrés et l’on sait que dans le cas de sous-espaces supplémentaires, la juxtaposition de ces deux systÈmes constitue une base de l’espace somme E.
S=(a, b, c, d) est donc une base de E.

Le remplacement de a par a+c ne modifie pas le rang et nous conduit à la base (a+c,b,c,d)
De mÊme le remplacement de c par 2c-(a+c) nous donne la base (a+c ,b, c-a, d)
Enfin l’échange de c-a et d nous dit que S’=(a+c, b, d, c-a) est une base de E.
On en déduit immédiatement la décomposition demandée : E=Vec_R(a+c)ÅVec_R(b,d,c-a)

Si E n’est plus supposé de dimension 4, l’affirmation S base de E n’est plus assurée et la deuxiÈme décomposition peut s’avérer fausse. Par exemple elle l’est manifestement si a=0_E et si c¹0_E car dans ce cas a+c=c-a=c vecteur non nul appartenant aux deux sous-espaces que l’on voudrait supplémentaires.

Envisageons une relation de dépendance du type a f a_nf_n=0.
On en déduit immédiatement par dérivation que sur R entier on a l’égalité :
.
Puis, en posant X=x², que sur ]0,+¥[ :
Définissons alors pour tout k de le polynôme .
L’égalité ci dessus équivaut avec ces notations à , toujours pour tout X >0.
Or un polynôme à coefficients réels et admettant une infinité de racines ne peut Être que le polynôme identiquement nul. L’égalité précédente est donc vraie sur R entier et en particulier en tout X=-k. On en déduit immédiatement a_k=0 car P_j(-k)=0 j ¹k

La matrice représentant S dans la base canonique de R est A=
Les manipulations matrice d’un systÈme S’ de mÊme rang que S. Or il est clair que S’ est de rang 2 car les deux premiÈres colonnes de sa matrice représentative ne sont pas proportionnelles alors que les deux derniÈres sont des multiples évidents de la premiÈre. Vec_R(S)=Vec_R(e₁, e₂).

Pour compléter (e₁, e₂) en une base de R il suffit de lui adjoindre un vecteur v non combinaison linéaire de S c’est à dire pour lequel une égalité du type v=ae be est impossible. v=(0, 0, 1) est une des nombreuses possibilités !

On sait que l’ordre des vecteurs d’un systÈme n’influe pas sur le rang de celui ci.
On peut donc supposer sans restriction du problÈme que polynômes P_k seront rangés selon les degrés strictement croissants.
Considérons alors une relation de dépendance non triviale du type a P₁+….+a_nP_n=0 et notons r le plus grand indice k tel que a_k¹0.

_ Si r > 1on en déduit une expression de P_r en fonction des polynômes précédents : . Egalité impossible car P_r serait alors combinaison linéaire de polynômes de degré strictement inférieur à son propre degré.

_ Si r=1, il reste a P₁=0, impossible également puisque a et P₁ sont non nuls.

Le systÈme étudié ne peut donc Être lié.

1) La vérification de la structure de R-espace ne pose aucun problÈme.
Pour la dimension, il suffit de remarquer qu’une matrice quelconque M de coefficient générique x_{(i, j)} se décompose de maniÈre unique avec P= et U_(i,j) matrice carrée d’ordre 3 dont tous les éléments sont nuls excepté celui de la ligne i et la colonne j que l’on prend égal à 1.
La dimension de l’espace considéré est donc 9.

2) Pour l’étude de E, le plus simple consiste à essayer de construire ces carrés magiques, sous la forme la plus générale. Pour cela notons que les données de la valeur s des sommes communes imposées, de l’élément central c et des deux éléments de la premiÈre ligne soient a et b déterminent de proche en proche les valeurs restantes. En effet, deux éléments alignés sur une ligne, colonne ou diagonale de la matrice étant connus, on trouve le troisiÈme élément en amenant la somme à la valeur s. On aura par exemple aprÈs 6 opérations de ce type la structure

Dans ce schéma on n’a pas utilisé les contraintes des sommes sur les deux derniÈres lignes de la matrice. Pour qu’elles soient réellement réalisées on voit que la condition s=3c est nécessaire et suffisante, ce qui nous donne une forme générale fonction des trois seuls paramÈtres a,b,c : que l’on peut décomposer en :

.

On a donc mis en évidence un systÈme générateur de E formé des trois matrices apparaissant dans l’écriture ci dessus et en situation d’indépendance car la combinaison précédente de maniÈre évidente ne peut donner la matrice nulle que si les trois coefficients a, b, c sont égaux à 0. E est donc un R-espace de dimension 3.

Notons P=Vec_R(u, v). Nous allons montrer que tout supplémentaire G de F dans E est de dimension au plus 2.
Pour cela, soient x, y, z trois vecteurs de G. D’aprÈs l’hypothÈse E =FÅP on peut les écrire sous la forme avec f₁, f₂, f₃ éléments de F.
Les vecteurs x-f₁, y-f₂, z-f₃ sont alors élément du plan P donc nécessairement en situation de dépendance linéaire. On peut donc trouver un triplet de réels non identiquement nul, soit (a,b,c), tel que : a(x-f₁)+b(y-f₂)+c(z-f₃)=0_E
En développant on peut écrire ax+by+cz=af₁+bf₂+cf₃ égalité dont le premier membre est situé dans le sous-espace G et le second membre appartient à F.
Or par hypothÈse F G=, il s’ensuit que ax+by+cz=0_E et que (x,y,z) est un systÈme lié. On a bien dim_R(G) £2.

G ne peut Être réduit à car F ¹ E . Montrons que G ne peut Être une droite vectorielle. Il suffit de reprendre le raisonnement précédent en inversant les rôles de P et G.

Si G=Vec_R(a) on peut écrire u=f₁+aa ; v=f₂+ba avec f₁, f₂ éléments de F. Par suite le systÈme u-f₁, v-f₂ sera lié. On en déduit comme précédemment l’existence d’un couple de réels (x,y) non identiquement nul tel que x(u-f₁)+y(v-f₂) =0_E, puis à partir de xu+yv=xf₁+yf₂ l’égalité xu+yv=0_E car P F=.G ne peut donc Être que de dimension 2.

Sur la matrice représentant le systÈme étudié dans la base canonique de R [X] les manipulations
Les 4 derniÈres colonnes sont de maniÈre évidente proportionnelles et les deux premiÈres non colinéaires. Le rang du systÈme est donc égal à 2.

_ Si f est une homothétie de rapport a, il est bien évident que pour tout vecteur x de E le systÈme (x, f(x))=(x,ax) est lié.

_ Réciproquement supposons que pour tout x de E (x, f(x)) soit lié.

Soit a un vecteur non nul de E. Il existe donc un scalaire a tel que f(a)=aa.
Pour tout x multiple de a on a encore f(x)=ax. En effet on peut écrire x=ba , d’oÙ par linéarité de f : f(x)= f(ba b f(a)=b aa a ba ax

Montrons que l’on a encore f(x)=ax si (a, x) est un systÈme libre.
Par hypothÈse il existe deux scalaires b et l tels que f(x)=bx et f(a+x)=l(a+x).
Or, par linéarité de f on aura : l(a+x)= f(a+x)= f(a)+ f(x)=aa+bx.

Le systÈme (a, x) étant supposé libre, on en déduit a l b et donc f(x)=ax
f n’est donc autre que l’homothétie vectorielle de rapport a

a) Par hypothÈse f ^k-1est non nulle, il existe donc au moins un vecteur, soit a, dont l’image
f ^k-1(a) ne soit pas le vecteur nul de E .
Montrons alors que le systÈme S= (a, f(a), f ²(a),…, f ^k-1(a)) est libre. Supposons pour cela une combinaison linéaire du type

En prenant l’image par f ^k-1 on en déduit vu la linéarité et l’hypothÈse de nilpotence f ^k=0 :
a f ^k (a)=0_E et par suite a =0 puisque f ^k-1(a) est non nul.

De mÊme en prenant l’image par f ^k-2 il ne restera que a f ^k (a)=0_E. dont on déduit a =0.
De proche en proche, en prenant les images par les puissances d’ordre q de f, q variant en décroissant de k-3 à 0, on en déduit que tous les coefficients a_k-q sont nuls.
Le systÈme S est bien libre.

b) _ Si f ^k=0 pour un entier k inférieur à la dimension n de E on en déduit immédiatement en composant avec f ^n-k que : f ⁿ=0.

_ Si l’annulation d’une puissance de f est réalisée pour un exposant strictement supérieur à n, notons k le plus petit entier supérieur ou égal à n tel que f ^k=0.

Par minimalité de k, on a donc f ^k-1¹0 et d’aprÈs l’étude faite précédemment, il existe un vecteur a de E tel que S= (a, f(a), f ²(a),…, f ^k-1(a)) soit libre. Ceci entraine que le cardinal de S, soit k , est au plus égal à n dimension de l’espace E. Ainsi k=n et f ⁿ=0.

a) _ Si pour tout x de E f(x)=u(x)b , l’espace image Im(f ) est inclus dans la droite vectorielle engendrée par b. Si de plus u est supposé non nulle, il existera au moins un x de E tel que u(x)¹0 et donc pour lequel f(x)¹0_E.
Le sous-espace Im(f) n’est donc pas réduit au sous-espace nul, est inclus dans la droite Vec_K(b) donc coÃ�ncide avec cette droite vectorielle. f est de rang 1.

_ Réciproquement, si f est supposé de rang 1, l’espace image Im(f) est une droite engendrée par un vecteur non nul b. Notons alors u l’application de E vers K qui à tout x de E fait correspondre la composante sur b de son image f(x). : xIE f(x)=u(x)b

Il nous reste à montrer que f est linéaire. Soient x et y quelconques dans E et a scalaire.
Par définition de u on a : f(x)=u(x)b ; f(y)=u(y)b ; f(ax+y)=u(ax+y)b.
Puis, par linéarité de f, on peut écrire : u(ax+y)b=a(u(x)b)+u(y)b.
b étant non nul, on en déduit u(ax+y au(x)+u(y).
(L’application u n’est pas identiquement nulle puisque Im(f) n’est pas réduit à ).

b) Avec les notations précédentes on peut écrire :
xIE ff(x)= f(u(x)b)=u(x) f(b)=u(x)u(b)b. On aura donc f ²=f xIE u(x)=u(x)u(b)
Ceci étant en fait équivalent à u(b)=1 car u n’est pas l’application nulle.

Or u(b)=1 f(b)=b . Un endomorphisme f de rang 1 est donc une projection si et seulement si il existe un vecteur non nul b invariant pour f.
f est alors la projection sur Vec_K(b) parallÈlement à Ker(f)

c) Soit maintenant f de rang r et considérons une base B = (b₁,…,.b_r) de Im(f).
Pour tout x de E on peut donc écrire f(x)= en désignant par u_k(x) la composante d’ordre k de f(x) dans la base B . On montre aussi facilement que dans a) le caractÈre linéaire de chacune des applications u_k . Remarquons pour conclure qu’aucune de ces applications n’est nulle, sinon Im(f) serait inclus dans un espace de dimension strictement inférieur à r, ceci en contradiction avec rang(f)=r.
On a donc bien écrit f comme somme de r applications de rang 1, les applications f_k définies sur E par f_k(x)=u_k(x)b_k.

1) Im(gf)===g(Im(f))

2) _ On vient de voir que Im(gf) est un sous-espace de Im(g), on a donc nécessairement dim_K(Im(gf £ dim_K(Im(g)), soit : rang(gf £rang(g).

_ On sait que tout morphisme de K-espace transforme un sous-espace de dimension finie r du départ en un sous-espace à l’arrivée de dimension au plus r. On aura donc en particulier rang(gf)=dim_K(g(Im(f))) £ dim_K(Im(f))=rang(f).

3) Plus précisément, on sait que dim_K(g(Im(f)))=dim_K(Im(f))-dim_K(Im(f) Ker(g))
On a donc rang(gf)=rang(f) dim_K(Im(f) Ker(g))=0 Im(f) Ker(g)=.

4) On a vu que Im(gf) est un sous-espace de Im(g). On a donc une premiÈre équivalence simple : rang(gf)=rang(g) Im(gf)=Im(g).


Etudions maintenant cette égalité ensembliste.

_ Si Im(gf)=Im(g).

Pour tout vecteur y de F on pourra dire que g(y) admet au moins un antécédent x pour gf, donc s’écrira g(y)= gf(x). On en déduit l’existence d’un vecteur n de Ker(g) pour lequel y= f(x)+n. Ainsi F coÃ�ncide avec la somme des deux sous-espaces Im(f) et Ker(g).

_ Si F=Im(f)+Ker(g).

Tout élément de Im(g) est par définition du type z=g(y) avec y vecteur de F donc pouvant se décomposer par hypothÈse en somme y=f(x)+n avec xIE et nIKer(g).
Par linéarité de g on en déduit : z=g(y)=g( f(x))+g(n)= gf(x)+0_G= gf(x).
Ainsi z appartient à Im(gf).
On a donc bien l’égalité Im(gf)=Im(g) de par la double inclusion.

Remarquons la synthÈse intéressante des deux derniÈres questions :
F=Im(f)ÅKer(g) rang(gf)=rang(f)=rang(g).

1) Si x appartient à Ker(f) on a, par définition , f(x)=0_F, puis par linéarité de g, g( f(x))=0_G
exprimant l’appartenance de x à Ker(gf). On a bien Ker(f)ÌKer(gf).

2) xIKer(gf) g( f(x))=0_G f(x)IKer(g) xIf (Ker(g)).

3) On sait d’aprÈs le théorÈme du rang que :
dim_K f(f ^-1(Ker(g)))=dim_Kf ^-1(Ker(g))-dim_K(Ker(f) f (Ker(g)))

Or on a vu Ker(f)ÌKer(gf)=f ^-1(Ker(g)). L’égalité ci dessus se simplifie donc en :
dim_K f(f ^-1(Ker(g)))=dim_KKer(gf)-dim_K(Ker(f)).

Il suffit maintenant de rappeler l’inclusion évidente f(f ^-1(Ker(g))Ì Ker(g) pour conclure l’inégalité demandée : dim_KKer(gf)£dim_KKer(f)+dim_KKer(g)

4) D’aprÈs les calculs précédents, l’inégalité obtenue est une égalité si et seulement si
f(f ^-1(Ker(g)) co�ncide avec Ker(g).
Montrer cette égalité équivaut à établir l’inclusion : Ker(g)Ì f(f^-1(Ker(g)))

_ Il est clair que cette relation entraine également Ker(g)Ì Im(f).

_ Réciproquement, si Ker(g)Ì Im(f), tout y de Ker(g) pourra s’écrire image y=f(x) d’un vecteur x de E. Mais cet x appartiendra à f^-1(Ker(g)) puisque son image y est dans Ker(g).
Ainsi y est par définition élément de f(f^-1(Ker(g))).

On a donc bien : dim_K(Ker(gf)=dim_K(Ker(f))+dim_K(Ker(g)) Ker(g) Ì Im(f)

5) D’aprÈs le théorÈme du rang on peut écrire les égalités :
dim_K(E)=rang(f)+dim_K(Ker(f)) (Pour f IL_K(E,F)).
dim_K(F)=rang(g) +dim_K(Ker(g)) (Pour g I L_K(F,G) ).
dim_K(E)=rang(gf)+dim_K(Ker(gf)) (Pour gf I L_K(E,G)) .
On en déduit rang(gf)=dim_K(E)-dim_K(Ker(gf))³ dim_K(E)-dim_K(Ker(f))-dim_K(Ker(g))
d’aprÈs la troisiÈme relation et l’inégalité de la question 3. Les deux premiÈres formules conduisent ensuite à la minoration demandée :

rang( gf ³ rang(f)+rang(g)-dim_K(F).

_ L’inclusion Ker(f ^k+1)Ì Ker(f ^k+2) est évidente car f ^k+1(x)=0_E Þ f(f ^k+1(x))=f(0_E)=0_E.

_Réciproquement, si f ^k+2(x)=0_E, on peut écrire f ^k+1(f(x))=0_E, ou encore f(x)IKer(f ^k+1)
Or d’aprÈs l’hypothÈse, ce noyau coÃ�ncide avec Ker(f ^k).
On en déduit donc f ^k(f(x))=0_E , c’est à dire x élément de Ker(f ^k+1).

De proche en proche, en répétant le raisonnement précédent, on peut établir que les noyaux des puissances d’ordre q de f sont confondus avec Ker(f ^k) pour tout entier q ³k

En utilisant le théorÈme du rang on en déduit alors que les espaces images de ces puissances sont tous égaux à Im(f ^k).
En effet pour q ³k on a de maniÈre évidente : Im(f ^q)ÌIm(f ^k) , ainsi que la relation :

rang(f ^q)=dim_K(E)-dim_K(Ker(f ^q))=dim_K(E)-dim_K(Ker(f ^k))=rang(.f ^k)

En particulier on peut dire Im(f ^2k)=Im(f ^k). Pour tout vecteur x de E on aura donc :
f ^2k(x)= f ^k(x) , c’est à dire x= f ^k(x)+n avec nIKer(f ^k).
On a donc déjà la décomposition en somme  : E=Im(f ^k)+Ker(f ^k).

Vérifions qu’elle est directe. Soit y commun aux deux sous-espaces composants.
On peut donc l’écrire sous la forme y= f ^k(x) avec xIE et f ^k(y)=0_E.
Mais alors, par composition : f ^2k(x)=0_E, c’est à dire xIKer(f ^2k)=Ker(f ^k).
On en déduit y= f ^k(x)=0_E. La somme est bien directe.