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Sous-espaces vectoriels

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Structure d’espace vectoriel

CHAPITRE 14. STRUCTURE D’ESPACE VECTORIEL

14.2 Sous-espaces vectoriels

λ×0 +λ×0 =λ(0 + 0) = λ×0 = λ×0 + 0 doncλ×0 = 0.

De même, 0x+ 0x= (0 + 0)x= 0x= 0x+ 0 donc 0x= 0.

• Soit (λ, x)∈K×E. On suppose λx= 0 et λ6= 0.

K est un corps et λ6= 0 donc λ est inversible.

λ1(λx) = (λ1×λ)x= 1x=x Orλ1(λx) =λ10 = 0.

Doncx= 0

• Soit (λ, x)∈K×E. On aλx+ (−λ)x= (λ+ (−λ))x= 0x= 0.

Or + commute dansE donc −(λx) = (−λ)x.

De même,λx+λ(x) =λ(x+ (−x)) = λ0 = 0.

Or + commute dansE donc −(λx) =λ(x).

On en déduit le résultat.

Remarque 14.4 Soit (λ, x, y) ∈ K×E2. λx = λy si et seulement si λ = 0 ou x=y;

14.2 Sous-espaces vectoriels

14.2.1 Définition

Définition 14.2 Soit (E,+,·) un K-espace vectoriel. Une partie F de E est appelée sous-espace vectoriel deE si et seulement si :

F 6=∅

• pour tout (x, y)∈F2, x+yF

• pour tout (λ, x)∈K×F, λxF Remarque 14.5

Avec les notations de l’énoncé de la définition,F est un sous-groupe de (E,+). En particulier 0∈F.

Une partie F de E est un sous-espace vectoriel de E si et seulement si F 6=∅ et pour tout (λ, x, y)∈K×E2, λx+yF.

Soit F un sous-espace vectoriel de E. On considère :

⊕ :

(F ×FF (x, y) 7→ x+y

⊙ :

(FF (λ, x) 7→ λx

On note que (F,⊕,⊙) est un K-espace vectoriel. En pratique ⊕ est notée + etest notée ·.

Donc, pour montrer que (T,+,·) est un K-espace vectoriel, on peut montrer que c’est un sous-espace vectoriel d’un espace vectoriel connu.

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CHAPITRE 14. STRUCTURE D’ESPACE VECTORIEL

Exemple 14.4 L’ensemble L des fonctions lipschitziennes muni des opéra-tions usuelles est un sous-espace vectoriel de (RR,+,·), donc est un R-espace vectoriel.

L’ensemble des suites complexes convergentes muni des opérations usuelles est un sous-espace vectoriel de (CN,+,·).

14.2.2 Stabilité de la notion de sous-espace vectoriel

Théorème 14.1 Soit I un ensemble non vide et (Fi)iI une famille de sous-espaces vectoriels d’un K-espace vectoriel E.

\

iI

Fi

est un sous-espace vectoriel de E.

Démonstration. Pour tout iI, 0Fi donc 0 ∈ T

iI

Fi. En particulier,

T

iI

Fi 6=∅.

Soit (λ, x, y)∈K× T

iI

Fi

!2

et iI.

(λ, x, y)∈K×Fi etFiest un sous-espace vectoriel deE. Doncλx+yFi. Donc λx+yT

iI

Fi. Donc T

iIFi est un sous-espace vectoriel de E.

Remarque 14.6 Soit E un K-espace vectoriel et A une partie de E. On appelle F l’ensemble des sous-espaces vectoriels de E contenant A. F 6= ∅ carE ∈ F.

On pose :

F = \

G∈F

G

F est un sous-espace vectoriel de E. A est une partie de F.

F est, au sens de l’inclusion, le plus petit sous-espace vectoriel deE ayant les deux propriétés précédentes, c’est-à-dire, pour tout sous-espace vectoriel F de E contenantA, FF.

L’espace F est appelé sous-espace vectoriel de E et engendré par A, noté Vect{A}.

Définition 14.3 SoitE un K-espace vectoriel. On dit que Aest une partie génératrice de A si et seulement si E = Vect{A}.

Exemple 14.5 Vect{∅} ={0}, Vect{E}=E et pour tout x0E\ {0}, Vect{x0}={λx0, λ∈K}.

14.2. SOUS-ESPACES VECTORIELS

On travaille dans le R-espace vectoriel RR usuel.

S = Vectnx7→ex, x7→e4xo En particulier S est un sous-espace vectoriel deRR.

Remarque 14.7 La propriété précédente permet de trouver des sous-espaces vectoriels sans utiliser la définition.

Exemple 14.7 On poseA={(λn+ (3µ+λ)en)n∈N,(λ, µ)∈R2}. On veut montrer queA est un R-espace vectoriel.

• On peut utiliser la définition (si le colleur est cinglé).

• On peut montrer à l’aide de la définition que A est un sous-espace vectoriel de (RN,+,·).

• On écrit A sous la forme Vect{(n+en)nN,(3en)nN} donc A est un sous-espace vectoriel de (RN,+,·), donc un R-espace vectoriel ;

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CHAPITRE 14. STRUCTURE D’ESPACE VECTORIEL

Remarque 14.8 Le complémentaire d’un sous-espace vectoriel n’est jamais un sous-espace vectoriel (considérer 0). L’union de deux sous-espaces vectoriels n’en est pas forcément un.

Exercice : Soit E un K-espace vectoriel. Soit F et G deux sous-espaces vectoriels deE.

Montrer que FG est un sous-espace vectoriel de E si et seulement si (F ⊂G) ou (GF).

Si FG ouGF, FG est un sous-espace vectoriel deE.

On suppose que FGest un sous-espace vectoriel de E etF 6⊂G.

Il existe xF tel que x6∈G. xFG.

Soit yG. yFG et FG est un sous-espace vectoriel donc x+yFG.

On suppose x+yG. G est un espace vectoriel donc x+yyG, donc xG.

Il y a donc contradiction. Donc x+y 6∈ G. Or x +yFG donc x+yF.

F est un espace vectoriel doncy+xxF donc yF. On a donc GF.

14.2.3 Somme de sous-espaces vectoriels

Définition 14.4 Soit E un K-espace vectoriel etF etG deux sous-espaces vectoriels deE. On appelle somme de F etG et on note F +G la partie de F égale à {x+y,(x, y)∈F ×G}.

Théorème 14.2 SoitE un K-espace vectoriel etF etG deux sous-espaces vectoriels de E. F +G est un sous-espace vectoriel de E.

Démonstration.

• (0,0)∈F ×Gdonc 0∈F +G donc F +G6=∅.

• Soit (λ, x, y)∈K×(F +G)2.

Il existe (a, b) ∈ F ×G tel que x = a+b. Il existe (c, d)F ×G tel quey=c+d.

λx+y =λa+λb+c+d= (λa+c) + (λb+d) Orλa+cF et λb+dG donc λx+yF +G.

DoncF +Gest un sous-espace vectoriel.

Remarque 14.9

F +G= Vect{FG}.

14.2. SOUS-ESPACES VECTORIELS

SiF est un sous-espace vectoriel deE distinct deE,Vect{E\F}=E.

Théorème 14.3 Soit F et G deux sous-espaces vectoriels d’un K-espace vectorielE. La décomposition de tout vecteur deF+Gen somme d’un vecteur de F et d’un vecteur de G est unique si et seulement si FG={0}. Démonstration.

• On suppose FG={0}.

Soit (x, y, x, y)∈(F ×G)2 tel que x+y=x+y.

On axx =yy. Or xxF etyyGdonc (x−x, yy)∈ (F ∩G)2.

Doncxx = 0 etyy = 0. Donc x=x et y=y.

• On suppose que tout élément se décompose de manière unique.

Soit xFG.

x+ (−x) = 0 = 0 + 0

Or (x,−x)F ×Gdonc 0 = x. DoncFG⊂ {0}. L’autre inclusion est claire.

Définition 14.5 Soit E un K-espace vectoriel, F et G deux sous-espaces vectoriels deE. On dit que F etG sont en somme directe si et seulement si FG={0}.

On dit que F et G sont supplémentaires si et seulement si tout vecteur de E se décompose de manière unique sur F × G. Dans ce cas, on note E =FG.

Exemple 14.8

• R2 = Vect{(1,2)} ⊕Vect{(3,7)}.

• (C,+, |{z}×

réelle

) est un R-espace vectoriel et C= Vect{1} ⊕Vect{i}.

• On appelle C l’ensemble des suites réelles convergentes, Z l’ensemble des suites convergant vers 0 et A l’ensemble des suites constantes.

C est unR-espace vectoriel et Z etA sont des sous-espaces vectoriels deC. De plus, C =Z ⊕A.

Démonstration.

• Une suite constante qui converge vers 0 est nulle doncZ ∩A ⊂ {0}.

• Il est clair que {0} ⊂Z ∩A.

• Soit u∈C. On note l la limite deu.

On note que u= (u−l) +l, ul ∈Z etl ∈A. Donc u∈Z +A. DoncC ⊂Z +A.

• Il est clair que Z +A ⊂C. Finalement, Z ⊕A =C.

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CHAPITRE 14. STRUCTURE D’ESPACE VECTORIEL

Exemple 14.9 On noteP l’ensemble des applications de Rdans R paires etI l’ensemble des applications de R dans R impaire. RR=P⊕I. Démonstration.

• Soit f ∈P ∩I. Pour toutx∈R,

f(x) =−f(x) =f(x) Donc pour tout x∈R,f(x) = 0.

DoncP ∩I ⊂ {0}.

• Il est clair que {0} ⊂P∩I.

• Soit f ∈RR. On pose : g :

R → R

x 7→ f(x) +f(x) 2 h :

R → R

x 7→ f(x)−f(−x) 2 On vérifie queg ∈P, h∈I et g+h=f. DoncRR ⊂P +I.

• Il est clair que P +I ⊂RR. Finalement, RR=P⊕I.

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