Sujet B.2.6 Matrice d'un endomorphisme
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Exercice a
\\(\VEC \OPEL \def\p#1{p(\sp{1.5}#1\sp{1.5})}\\)Soient, dans un plan vectoriel de base $\,\sc{B}=(\sp{1.5}\i,\j\sp{1.5})\sp{1.5},\,$
les droites vectorielles $D_1$ et $D_2$ dirigées par $\,\i+2\,\j\,$ et $\,\i+\j\sp{1.5}.\,$
Écrire, dans la base $\sc{B}\sp{1.5},$ la matrice de la projection vectorielle $\,p\,$ d'axe $D_1$ et de direction $D_2\sp{1.5}.$
matrice d'un endomorphisme
Soient $E$ un $\bb{K}\tiret$espace vectoriel $E$ de base $\,\sc{B}=(e_1,\dots,e_n)\sp{1.5}.\,$ La matrice de $f\app\sc L(E)$ relativement à $\sc{B}$ est la matrice :
$\displaystyle{}\op{M}_{\sc B}(f)=\op M_{\sc B}\big(f(\sc B)\big)=\op{M}_{\sc B}\big(f(e_1),\dots,f(e_n)\big)$
- $\,f\mapsto\op{M}_\sc B(f)\,$ est un isomorphisme entre $\sc L(E)$ et $\sc M_n(\bb K)\sp{1.5};$
- $\,f\,$ et sa matrice ont le même rang : $\,\op{rg}(f)=\op{rg}\big({\rm M}_{\sc B}(f)\big)\sp{1.5}.\,$
image d'une matrice
L'image de $\,A\app\sc M_{m,n}(\bb K)\,$ est l'image de l'application linéaire $f_A:X\mapsto A\sp{1.5}X\sp{1.5}.$
$\displaystyle{}\op{Im}(A)=\ens{Y\app \bb K^m}{\iex X\app \bb K^n,\ Y=A\sp{1.5}X}$
Si $\,A=[C_1,\dots,C_n]\sp{1.5},\,$ alors : $\,\op{Im}(A)=\op{Vect}(C_1,\dots,C_n)\,$ et $\,\op{rg}(A)=\op{rg}(f_A)\sp{1.5}.\,$
noyau d'une matrice
Le noyau de $\,A\app\sc M_{m,n}(\bb K)\,$ est le noyau de l'application linéaire $f_A:X\mapsto A\sp{1.5}X\sp{1.5}.$
$\displaystyle{}\op{Ker}(A)=\ens{X\app \bb K^n}{A\sp{1.5}X=0}$
Si $A$ a pour lignes $\,L_1,\dots,L_m\sp{1.5},\,$ alors $\,\op{Ker}(A)\,$ est caractérisé par les équations $\,L_i\sp{1.5}X=0\sp{1.5}.\,$
indication
Déterminer les images par $\,p\,$ des vecteurs directeurs de $D_1$ et $D_2\sp{1.5}.$
réponse
On obtient la matrice : $\,\op M_{\sc B}(p)=\matr{-1&1\\-2&\,2}\!\cdot\,$
correction
Par définition de la
Soient deux sous-espaces supplémentaires $F$ et $G$ dans un $\bb{K}\tiret$espace vectoriel $E\sp{1.5}.$
La projection de $E$ sur $F$ parallèlement à $G$ est $\,p\app \sc L(E)\,$ définie par :
projection,
les vecteurs $\,\i+2\j\,$ et $\,\i+\j\,$ appartenant à l'axe et à la direction de $\,p\sp{1.5},\,$ vérifient :
$\displaystyle{}p:\syst{\sp{1.5}E&=F\oplus G\to E\\[-1ex] \sp{1.5}u&=\ v+w\,\mapsto\, v}$
On a alors : $\,p\circ p =p\sp{1.5},\,$ avec : $\,F=\op{Im}p=\op{Ker}(p-\op{Id}_E)\,$ et $\,G=\op{Ker}p\sp{1.5}.\,$
$\displaystyle{}\p{\i+2\j}=\i+2\j \ \ \text{et}\ \ \p{\i+\j}=\vecc0$
Par
Une application $\,f:E\to E'\,$ entre deux $\,\bb{K}\tiret$espaces vectoriels est linéaire ssi :
linéarité
de $\,p\,$ on obtient donc un système vectoriel $(\sc E)$ que l'on résout par
$\displaystyle{}\ptt u,v\app E,\ \ptt \alpha,\beta\app \bb{K},\ f(\alpha\sp{1.5}u+\beta\sp{1.5}v)=\alpha\sp{1.5}f(u)+\beta\sp{1.5}f(v)$
On note $\sc L(E,E')$ l'ensemble des applications linéaires de $E$ vers $E'.$
Soit $(\sc E)$ un système d'équations numériques ou vectorielles.
On obtient un système équivalent par les opérations élémentaires :
opérations
élémentaires :
- $\,\sc E_k\ot \sc E_k+\smb0{\sum_{j\neq k}}\,\lambda_j\sp{1.5}\sc E_j\,,\,$ pour des $\,\lambda_j\app\bb K\,;\,$
- $\,\sc E_i\tot \sc E_j\,,\,$ pour des indices $\,i\neq j\,;\,$
- $\,\sc E_k\ot \lambda\sp{1.5}\sc E_k\,,\,$ pour $\,\lambda\app\bb K\,$ et $\,\lambda\neq0\sp{1.5}.\,$
$\displaystyle{}\sc E_k\ot \lambda_k\,\sc E_k+\smb0{\textstyle\sum_{j\neq k}}\,\lambda_j\,\sc E_j$
$\eqalign{(\sc E):&\Syst{\smash[t]{\,\p\i+2\,\p\j}
&= \smash[t]{\i+2\j}\\ \p\i\,+\ph{2}\p\j&=\vecc0}\\[1.2ex]
\ss{\sc E_2\ot -\sc E_2\sp{1.5}+\sp{1.5}\sc E_1\stb{1}}\,&
\Syst{\smash[t]{\,\p\i+2\,\p\j}&= \smash[t]{\i+2\j}\\[-.5ex] \p\j&=\i+2\j}\\[1.2ex]
\ss{\sc E_1\ot \sc E_1\sp{1.5}-\sp{1.5}2\sp{1.5}\sc E_2\stb{1}}&
\Syst{\smash[t]{\,\p\i}&=\smash[t]{-\i-2\j}\\[-.5ex] \p\j&=\i+2\j}}$
La
Soient $E$ un $\bb{K}\tiret$espace vectoriel $E$ de base $\,\sc{B}=(e_1,\dots,e_n)\sp{1.5}.\,$ La matrice de $f\app\sc L(E)$ relativement à $\sc{B}$ est la matrice :
matrice
de $\,p\,$ relativement à $\sc{B}$ s'en déduit :
$\,\op M_{\sc B}(p)=\matr{-1&1\\-2&\,2}\!\cdot\,$
$\displaystyle{}\op{M}_{\sc B}(f)=\op M_{\sc B}\big(f(\sc B)\big)=\op{M}_{\sc B}\big(f(e_1),\dots,f(e_n)\big)$
- $\,f\mapsto\op{M}_\sc B(f)\,$ est un isomorphisme entre $\sc L(E)$ et $\sc M_n(\bb K)\sp{1.5};$
- $\,f\,$ et sa matrice ont le même rang : $\,\op{rg}(f)=\op{rg}\big({\rm M}_{\sc B}(f)\big)\sp{1.5}.\,$
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Exercice b
\\(\VEC \OPEL \def\s#1{s(\sp{1.5}#1\sp{1.5})}\\)Soient, dans un espace vectoriel de base $\,\sc B=(\i,\j,\k)\sp{1.5},\,$
le plan vectoriel $P$ d'équation $\,x+y-z=0\,$ et la droite vectorielle $D$ dirigée par $\,\j\sp{1.5}.\,$
Écrire, dans la base $\sc{B}\sp{1.5},$ la matrice de la symétrie vectorielle $\,s\,$ par rapport au plan $P$ et de direction $D\sp{1.5}.$
matrice d'un endomorphisme
Soient $E$ un $\bb{K}\tiret$espace vectoriel $E$ de base $\,\sc{B}=(e_1,\dots,e_n)\sp{1.5}.\,$ La matrice de $f\app\sc L(E)$ relativement à $\sc{B}$ est la matrice :
$\displaystyle{}\op{M}_{\sc B}(f)=\op M_{\sc B}\big(f(\sc B)\big)=\op{M}_{\sc B}\big(f(e_1),\dots,f(e_n)\big)$
- $\,f\mapsto\op{M}_\sc B(f)\,$ est un isomorphisme entre $\sc L(E)$ et $\sc M_n(\bb K)\sp{1.5};$
- $\,f\,$ et sa matrice ont le même rang : $\,\op{rg}(f)=\op{rg}\big({\rm M}_{\sc B}(f)\big)\sp{1.5}.\,$
image d'une matrice
L'image de $\,A\app\sc M_{m,n}(\bb K)\,$ est l'image de l'application linéaire $f_A:X\mapsto A\sp{1.5}X\sp{1.5}.$
$\displaystyle{}\op{Im}(A)=\ens{Y\app \bb K^m}{\iex X\app \bb K^n,\ Y=A\sp{1.5}X}$
Si $\,A=[C_1,\dots,C_n]\sp{1.5},\,$ alors : $\,\op{Im}(A)=\op{Vect}(C_1,\dots,C_n)\,$ et $\,\op{rg}(A)=\op{rg}(f_A)\sp{1.5}.\,$
noyau d'une matrice
Le noyau de $\,A\app\sc M_{m,n}(\bb K)\,$ est le noyau de l'application linéaire $f_A:X\mapsto A\sp{1.5}X\sp{1.5}.$
$\displaystyle{}\op{Ker}(A)=\ens{X\app \bb K^n}{A\sp{1.5}X=0}$
Si $A$ a pour lignes $\,L_1,\dots,L_m\sp{1.5},\,$ alors $\,\op{Ker}(A)\,$ est caractérisé par les équations $\,L_i\sp{1.5}X=0\sp{1.5}.\,$
indication
Déterminer une base du plan vectoriel $P.$
réponse
On obtient la matrice : $\,\op M_{\sc B}(s)=\matr{1&0&0\\-2&-1&2\\0&0&\ph{-}1}\!\cdot\,$
correction
$\,\j\,$ étant un vecteur directeur de la direction $D,$ on a par définition de la
Soient deux sous-espaces supplémentaires $F$ et $G$ dans un $\bb{K}\tiret$espace vectoriel $E\sp{1.5}.$
La symétrie de $E$ par rapport à $F$ parallèlement à $G$ est $\,s\app \op{GL}(E)\,$ définie par :
symétrie :
$\,\s\j=-\j\sp{1.5}.\,$
Les vecteurs $\,\i-\j\,$ et $\,\j+\k\,$ appartiennent au plan $P$ et ne sont pas
$\displaystyle{}s:\syst{\sp{1.5}E&=F\oplus G\to\ E\\[-1ex] \sp{1.5}u&=\ v+w\,\mapsto\, u-v}$
On a alors : $\,s\circ s=s\sp{1.5},\,$ avec : $\,F=\op{Ker}(s-\op{Id}_E)\,$ et $\,G=\op{Ker}(s+\op{Id}_E)\sp{1.5}.\,$
Soient dans un espace vectoriel $E\sp{1.5},$ des vecteurs $u_1,\dots,u_p\sp{1.5}.$
$u_1,\dots,u_p$ sont colinéaires ssi ils appartiennent à une même droite vectorielle.
colinéaires.
Ils forment donc
- Deux vecteurs non colinéaires forment une famille libre ;
- en nombre $\,p\geq 2\sp{1.5},\,$ des vecteurs colinéaires forment une famille liée.
Dans un espace vectoriel $E$ de dimension finie $n:$
une base
de $P$ et sont invariants par $\,s\sp{1.5},\,$ par définition de la symétrie.
Par
- une famille libre de $E$ a au plus $\,n\,$ vecteurs ;
- une famille libre de $E$ est une base de $E$ ssi elle a exactement $\,n\,$ vecteurs.
Une application $\,f:E\to E'\,$ entre deux $\,\bb{K}\tiret$espaces vectoriels est linéaire ssi :
linéarité
de $\,s\,$ on obtient donc un système vectoriel $(\sc E)$ que l'on résout par
$\displaystyle{}\ptt u,v\app E,\ \ptt \alpha,\beta\app \bb{K},\ f(\alpha\sp{1.5}u+\beta\sp{1.5}v)=\alpha\sp{1.5}f(u)+\beta\sp{1.5}f(v)$
On note $\sc L(E,E')$ l'ensemble des applications linéaires de $E$ vers $E'.$
Soit $(\sc E)$ un système d'équations numériques ou vectorielles.
On obtient un système équivalent par les opérations élémentaires :
opérations
élémentaires :
- $\,\sc E_k\ot \sc E_k+\smb0{\sum_{j\neq k}}\,\lambda_j\sp{1.5}\sc E_j\,,\,$ pour des $\,\lambda_j\app\bb K\,;\,$
- $\,\sc E_i\tot \sc E_j\,,\,$ pour des indices $\,i\neq j\,;\,$
- $\,\sc E_k\ot \lambda\sp{1.5}\sc E_k\,,\,$ pour $\,\lambda\app\bb K\,$ et $\,\lambda\neq0\sp{1.5}.\,$
$\displaystyle{}\sc E_k\ot \lambda_k\,\sc E_k+\smb0{\textstyle\sum_{j\neq k}}\,\lambda_j\,\sc E_j$
$\eqalign{(\sc E):&\Syst{\smash[t]{\s\i-\s\j}&=\smash[t]{\i-\j}\\[-.5ex] \s\j+\s\k&=\j+\k\\[-.5ex] \s\j&=-\j}\\[1.4ex]
\ss{\sc E_1\ot \sc E_1\sp{1.5}+\sp{1.5}\sc E_3\stb{1}\atop \sc E_2\ot \sc E_2\sp{1.5}-\sp{1.5}\sc E_3\stb{1}}
&\Syst{ \smash[t]{\s\i}&=\smash[t]{\i-2\j}\\[-.5ex] \s\k&=2\j+\k\\[-.5ex] \s\j&=-\j}}$
La
Soient $E$ un $\bb{K}\tiret$espace vectoriel $E$ de base $\,\sc{B}=(e_1,\dots,e_n)\sp{1.5}.\,$ La matrice de $f\app\sc L(E)$ relativement à $\sc{B}$ est la matrice :
matrice
de $\,s\,$ relativement à $\sc{B}$ s'en déduit :
$\,\op M_{\sc B}(s)=\matr{1&0&0\\-2&-1&2\\0&0&\ph{-}1}\!\sp{-1.5}\cdot\,$
$\displaystyle{}\op{M}_{\sc B}(f)=\op M_{\sc B}\big(f(\sc B)\big)=\op{M}_{\sc B}\big(f(e_1),\dots,f(e_n)\big)$
- $\,f\mapsto\op{M}_\sc B(f)\,$ est un isomorphisme entre $\sc L(E)$ et $\sc M_n(\bb K)\sp{1.5};$
- $\,f\,$ et sa matrice ont le même rang : $\,\op{rg}(f)=\op{rg}\big({\rm M}_{\sc B}(f)\big)\sp{1.5}.\,$
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Exercice c
\\(\ALGLIN \VEC \def\v#1{\op{Vect}(\sp{1.5}#1\sp{1.5})} \def\f#1{f(\sp{1.5}#1\sp{1.5})}\\)Soit $f$ l'endomorphisme de $\,\bb{R}^{2}\,$ de matrice
$\,A=\smb{2.7}{\matr{1&-1\\\!-1&1}}\,$ dans la base canonique $\,\sc B=(\sp{1.5}\i,\j\sp{1.5})\,$ de $\,\bb{R}^{2}.\,$
Déterminer le noyau et l'image de l'endomorphisme $f\sp{1.5};$ s'agit-il d'une projection vectorielle ?
matrice d'un endomorphisme
Soient $E$ un $\bb{K}\tiret$espace vectoriel $E$ de base $\,\sc{B}=(e_1,\dots,e_n)\sp{1.5}.\,$ La matrice de $f\app\sc L(E)$ relativement à $\sc{B}$ est la matrice :
$\displaystyle{}\op{M}_{\sc B}(f)=\op M_{\sc B}\big(f(\sc B)\big)=\op{M}_{\sc B}\big(f(e_1),\dots,f(e_n)\big)$
- $\,f\mapsto\op{M}_\sc B(f)\,$ est un isomorphisme entre $\sc L(E)$ et $\sc M_n(\bb K)\sp{1.5};$
- $\,f\,$ et sa matrice ont le même rang : $\,\op{rg}(f)=\op{rg}\big({\rm M}_{\sc B}(f)\big)\sp{1.5}.\,$
image d'une matrice
L'image de $\,A\app\sc M_{m,n}(\bb K)\,$ est l'image de l'application linéaire $f_A:X\mapsto A\sp{1.5}X\sp{1.5}.$
$\displaystyle{}\op{Im}(A)=\ens{Y\app \bb K^m}{\iex X\app \bb K^n,\ Y=A\sp{1.5}X}$
Si $\,A=[C_1,\dots,C_n]\sp{1.5},\,$ alors : $\,\op{Im}(A)=\op{Vect}(C_1,\dots,C_n)\,$ et $\,\op{rg}(A)=\op{rg}(f_A)\sp{1.5}.\,$
noyau d'une matrice
Le noyau de $\,A\app\sc M_{m,n}(\bb K)\,$ est le noyau de l'application linéaire $f_A:X\mapsto A\sp{1.5}X\sp{1.5}.$
$\displaystyle{}\op{Ker}(A)=\ens{X\app \bb K^n}{A\sp{1.5}X=0}$
Si $A$ a pour lignes $\,L_1,\dots,L_m\sp{1.5},\,$ alors $\,\op{Ker}(A)\,$ est caractérisé par les équations $\,L_i\sp{1.5}X=0\sp{1.5}.\,$
indication
1
Interpréter, vis à vis des vecteurs $f(\i)$ et $\,f(\j)\sp{1.5},$ les relations $\,L_1+L_2=0\,$ et $\,C_1+C_2=0\,$ entre les lignes et colonnes de $A\sp{1.5}.$
indication
2
Examiner comment les vecteurs de $\,\im f\,$ sont transformés par $f.$
réponse
- $\,\im f=\v{\i-\j}\,$ et $\,\ker f=\v{\i+\j}\sp{1.5}.\,$
- $f\,$ n'est pas une projection vectorielle.
correction
On note respectivement $\,L_1\sp{1.5},L_2\,$ et $\,C_1\sp{1.5},C_2\sp{1.5},\,$ les lignes et les colonnes de la
Pour $\,n,p\app \bb N^{\ast},\,$ une matrice $\,n\sp{-1.5}\times\sp{-1.5} p\,$ à coefficients dans $\bb K\sp{1.5},$ est un tableau $\,\smb1{A=[\sp{.75}a_{i,j}\sp{1.5}]_\indices{1\leq i\leq n}{1\leq j\leq p}}\,$ de $\,n\sp{1.5}p\,$ nombres.
matrice
$A\sp{1.5}.$
$A$ étant la
- Ces nombres sont disposés en $n$ lignes $\,L_i\,,\,$ et $p$ colonnes $\,C_j\,.\,$
- On note $\,\sc M_{n,p}(\bb K)\,$ l'ensemble de ces matrices.
Soient $E$ un $\bb{K}\tiret$espace vectoriel $E$ de base $\,\sc{B}=(e_1,\dots,e_n)\sp{1.5}.\,$ La matrice de $f\app\sc L(E)$ relativement à $\sc{B}$ est la matrice :
matrice
de $f$ dans la base canonique de $\,\bb R^2,\,$ $f$ est
$\displaystyle{}\op{M}_{\sc B}(f)=\op M_{\sc B}\big(f(\sc B)\big)=\op{M}_{\sc B}\big(f(e_1),\dots,f(e_n)\big)$
- $\,f\mapsto\op{M}_\sc B(f)\,$ est un isomorphisme entre $\sc L(E)$ et $\sc M_n(\bb K)\sp{1.5};$
- $\,f\,$ et sa matrice ont le même rang : $\,\op{rg}(f)=\op{rg}\big({\rm M}_{\sc B}(f)\big)\sp{1.5}.\,$
L'endomorphisme de $\bb K^n$ canoniquement associé à $\,A\app\sc M_{n}(\bb K)\,$ est :
l'endomorphisme
$\,X\mapsto A\sp{1.5}X\,$ de $\,\bb R^2.\,$
$\displaystyle{}f_A:X\mapsto A\sp{1.5}X$
Relativement à la base canonique $\sc B$ de $\bb K^n\sp{1.5},$ on a : $\,A=\op M_{\sc B}(f_A)\sp{1.5}.\,$
- Avec $\,L_1+L_2=0\sp{1.5},\,$ $\f\i$ et $\f\j$ vérifient l'équation $\,x+y=0\,$ et appartiennent donc à $\,\v{\i-\j}\sp{1.5}.\,$
L'image de $\,A\app\sc M_{m,n}(\bb K)\,$ est l'image de l'application linéaire $f_A:X\mapsto A\sp{1.5}X\sp{1.5}.$l'image de $\,f:X\mapsto A\sp{1.5}X\,$ vérifie alors$\displaystyle{}\op{Im}(A)=\ens{Y\app \bb K^m}{\iex X\app \bb K^n,\ Y=A\sp{1.5}X}$Si $\,A=[C_1,\dots,C_n]\sp{1.5},\,$ alors : $\,\op{Im}(A)=\op{Vect}(C_1,\dots,C_n)\,$ et $\,\op{rg}(A)=\op{rg}(f_A)\sp{1.5}.\,$Un ensemble $F$ est inclus dans l'ensemble $E$ ssi tout élément de $F$ appartient à $E:$l'inclusion : $\,\op{Im}f\subset\v{\i-\j}\sp{1.5}.\,$ L'application $f$ étant non nulle, on a : $\,\dim(\im f)\geq 1\sp{1.5},\,$ d'où pour raison de$\displaystyle{}F\subset E\Ssi \big(x\app F \Imp x\app E\sp{1.5}\big)$On dit alors que $F$ est une partie ou un sous-ensemble de $E\sp{1.5}.$ On désigne par $\,\sc P(E)\,$ l'ensemble des parties de $E\sp{1.5}.$Soient $F$ et $G$ deux sous-espaces d'un espace vectoriel $E\sp{1.5}.$ Si on a $\,F\subset G\sp{1.5},\,$ et que $\,G\,$ est de dimension finie, alors :dimension l'égalité :
- $\,F=\{0\}\!\Ssi\dim(F)=0\sp{1.5},\,$
- $\,F=\ G\ \sp{1.5}\Ssi \dim(F)=\dim(G)\sp{1.5}.\,$
$\displaystyle{}\im f=\v{\i-\j}$ - D'autre part, avec $\,C_1+C_2=0\sp{1.5},\,$ on a $\,\f{\i+\j}=\f\i+\f\j=\vecc0\sp{1.5}.\,$
Par définition du
Le noyau de $\,A\app\sc M_{m,n}(\bb K)\,$ est le noyau de l'application linéaire $f_A:X\mapsto A\sp{1.5}X\sp{1.5}.$noyau, on a donc une autre inclusion : $\,\v{\i+\j}\subset\ker f\sp{1.5}.\,$ $f$ étant non nulle, on a alors pour raison de$\displaystyle{}\op{Ker}(A)=\ens{X\app \bb K^n}{A\sp{1.5}X=0}$Si $A$ a pour lignes $\,L_1,\dots,L_m\sp{1.5},\,$ alors $\,\op{Ker}(A)\,$ est caractérisé par les équations $\,L_i\sp{1.5}X=0\sp{1.5}.\,$Soient $F$ et $G$ deux sous-espaces d'un espace vectoriel $E\sp{1.5}.$ Si on a $\,F\subset G\sp{1.5},\,$ et que $\,G\,$ est de dimension finie, alors :dimension l'autre égalité :
- $\,F=\{0\}\!\Ssi\dim(F)=0\sp{1.5},\,$
- $\,F=\ G\ \sp{1.5}\Ssi \dim(F)=\dim(G)\sp{1.5}.\,$
$\displaystyle{}\ker f=\v{\i+\j}$
Soient dans un espace vectoriel $E\sp{1.5},$ des vecteurs $u_1,\dots,u_p\sp{1.5}.$
$u_1,\dots,u_p$ sont colinéaires ssi ils appartiennent à une même droite vectorielle.
colinéaires ;
ils forment donc une
- Deux vecteurs non colinéaires forment une famille libre ;
- en nombre $\,p\geq 2\sp{1.5},\,$ des vecteurs colinéaires forment une famille liée.
Dans un espace vectoriel $E$ de dimension finie $n:$
base
de $\,\bb R^2\sp{1.5},\,$ d'où deux droites
- une famille libre de $E$ a au plus $\,n\,$ vecteurs ;
- une famille libre de $E$ est une base de $E$ ssi elle a exactement $\,n\,$ vecteurs.
Soient $\,F\,$ et $\,G\,$ deux sous-espaces vectoriels d'un espace vectoriel $E\sp{1.5}.$
$F$ et $G$ sont supplémentaires dans $E$ ssi : $\,E=F\oplus G\sp{1.5}.\,$
supplémentaires :
$\displaystyle{}E=\ker f\oplus\im f=\v{\i+\j}\oplus\v{\i-\j}$
Malgré cela, $f$ n'est pas une
Soient deux sous-espaces supplémentaires $F$ et $G$ dans un $\bb{K}\tiret$espace vectoriel $E\sp{1.5}.$
La projection de $E$ sur $F$ parallèlement à $G$ est $\,p\app \sc L(E)\,$ définie par :
projection
vectorielle, car le vecteur $\,\i-\j\,$ de $\,\im f\,$ n'est pas invariant par $f:$ $\displaystyle{}p:\syst{\sp{1.5}E&=F\oplus G\to E\\[-1ex] \sp{1.5}u&=\ v+w\,\mapsto\, v}$
On a alors : $\,p\circ p =p\sp{1.5},\,$ avec : $\,F=\op{Im}p=\op{Ker}(p-\op{Id}_E)\,$ et $\,G=\op{Ker}p\sp{1.5}.\,$
$\displaystyle{}\f{\i-\j}=2\sp{1.5}(\sp{1.5}\i-\j\sp{1.5})\neq\i-\j\sp{1.5}.$
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Exercice d
\\(\ALGLIN \VEC \def\v#1{\op{Vect}(\sp{1.5}#1\sp{1.5})} \def\f#1{f(\sp{1.5}#1\sp{1.5})}\\)Soit $f$ l'endomorphisme de $\,\bb{R}^{3}\,$ de matrice $\,A=\smb{3.7}{\matr{1&1&1\\[-.5ex]0&0&0\\[-.5ex]1&\!\!\!-1&\ 1}}\,$ dans la base canonique $\,\sc B=(\sp{1.5}\i,\j,\k\sp{1.5})\,$ de $\,\bb{R}^{3}.\,$
Déterminer le noyau et l'image de l'endomorphisme $f\sp{1.5}.$
matrice d'un endomorphisme
Soient $E$ un $\bb{K}\tiret$espace vectoriel $E$ de base $\,\sc{B}=(e_1,\dots,e_n)\sp{1.5}.\,$ La matrice de $f\app\sc L(E)$ relativement à $\sc{B}$ est la matrice :
$\displaystyle{}\op{M}_{\sc B}(f)=\op M_{\sc B}\big(f(\sc B)\big)=\op{M}_{\sc B}\big(f(e_1),\dots,f(e_n)\big)$
- $\,f\mapsto\op{M}_\sc B(f)\,$ est un isomorphisme entre $\sc L(E)$ et $\sc M_n(\bb K)\sp{1.5};$
- $\,f\,$ et sa matrice ont le même rang : $\,\op{rg}(f)=\op{rg}\big({\rm M}_{\sc B}(f)\big)\sp{1.5}.\,$
image d'une matrice
L'image de $\,A\app\sc M_{m,n}(\bb K)\,$ est l'image de l'application linéaire $f_A:X\mapsto A\sp{1.5}X\sp{1.5}.$
$\displaystyle{}\op{Im}(A)=\ens{Y\app \bb K^m}{\iex X\app \bb K^n,\ Y=A\sp{1.5}X}$
Si $\,A=[C_1,\dots,C_n]\sp{1.5},\,$ alors : $\,\op{Im}(A)=\op{Vect}(C_1,\dots,C_n)\,$ et $\,\op{rg}(A)=\op{rg}(f_A)\sp{1.5}.\,$
noyau d'une matrice
Le noyau de $\,A\app\sc M_{m,n}(\bb K)\,$ est le noyau de l'application linéaire $f_A:X\mapsto A\sp{1.5}X\sp{1.5}.$
$\displaystyle{}\op{Ker}(A)=\ens{X\app \bb K^n}{A\sp{1.5}X=0}$
Si $A$ a pour lignes $\,L_1,\dots,L_m\sp{1.5},\,$ alors $\,\op{Ker}(A)\,$ est caractérisé par les équations $\,L_i\sp{1.5}X=0\sp{1.5}.\,$
indication
1
Interpréter la relation $\,L_2=0\sp{1.5},\,$ relative à la deuxième ligne de $A\sp{1.5},$ vis à vis de l'image de $f\sp{1.5}.$
indication
2
Interpréter l'égalité des colonnes $\,C_1\,$ et $\,C_3\,$ de $A$ quant au noyau de $f\sp{1.5}.$
réponse
On obtient : $\,\im f=\v{\i,\k}\,$ et $\,\ker f=\v{\i-\k}\sp{1.5}.\,$
correction
On note respectivement $\,L_1\sp{1.5},L_2\sp{1.5},L_3\,$ et $\,C_1\sp{1.5},C_2\sp{1.5},C_3\sp{1.5},\,$ les lignes et les colonnes de la
Pour $\,n,p\app \bb N^{\ast},\,$ une matrice $\,n\sp{-1.5}\times\sp{-1.5} p\,$ à coefficients dans $\bb K\sp{1.5},$ est un tableau $\,\smb1{A=[\sp{.75}a_{i,j}\sp{1.5}]_\indices{1\leq i\leq n}{1\leq j\leq p}}\,$ de $\,n\sp{1.5}p\,$ nombres.
matrice
$A\sp{1.5}.$
$A$ étant la
- Ces nombres sont disposés en $n$ lignes $\,L_i\,,\,$ et $p$ colonnes $\,C_j\,.\,$
- On note $\,\sc M_{n,p}(\bb K)\,$ l'ensemble de ces matrices.
Soient $E$ un $\bb{K}\tiret$espace vectoriel $E$ de base $\,\sc{B}=(e_1,\dots,e_n)\sp{1.5}.\,$ La matrice de $f\app\sc L(E)$ relativement à $\sc{B}$ est la matrice :
matrice
de $f$ dans la base canonique de $\bb R^3\sp{1.5},$ $f$ est
$\displaystyle{}\op{M}_{\sc B}(f)=\op M_{\sc B}\big(f(\sc B)\big)=\op{M}_{\sc B}\big(f(e_1),\dots,f(e_n)\big)$
- $\,f\mapsto\op{M}_\sc B(f)\,$ est un isomorphisme entre $\sc L(E)$ et $\sc M_n(\bb K)\sp{1.5};$
- $\,f\,$ et sa matrice ont le même rang : $\,\op{rg}(f)=\op{rg}\big({\rm M}_{\sc B}(f)\big)\sp{1.5}.\,$
L'endomorphisme de $\bb K^n$ canoniquement associé à $\,A\app\sc M_{n}(\bb K)\,$ est :
l'endomorphisme
$\,X\mapsto A\sp{1.5}X\,$ de $\bb R^3.$
$\displaystyle{}f_A:X\mapsto A\sp{1.5}X$
Relativement à la base canonique $\sc B$ de $\bb K^n\sp{1.5},$ on a : $\,A=\op M_{\sc B}(f_A)\sp{1.5}.\,$
- Avec $\,L_2=0\sp{1.5},\,$ les vecteurs $\,\f\i\sp{1.5},\f\j\sp{1.5},\f\k\,$ vérifient l'équation $\,y=0\,$ et appartiennent donc à $\,\v{\i,\k}\sp{1.5}.\,$
L'image de $\,A\app\sc M_{m,n}(\bb K)\,$ est l'image de l'application linéaire $f_A:X\mapsto A\sp{1.5}X\sp{1.5}.$l'image de $\,f:X\mapsto A\sp{1.5}X\,$ vérifie alors$\displaystyle{}\op{Im}(A)=\ens{Y\app \bb K^m}{\iex X\app \bb K^n,\ Y=A\sp{1.5}X}$Si $\,A=[C_1,\dots,C_n]\sp{1.5},\,$ alors : $\,\op{Im}(A)=\op{Vect}(C_1,\dots,C_n)\,$ et $\,\op{rg}(A)=\op{rg}(f_A)\sp{1.5}.\,$Un ensemble $F$ est inclus dans l'ensemble $E$ ssi tout élément de $F$ appartient à $E:$l'inclusion : $\,\im f\subset\v{\i,\k}\sp{1.5}.\,$ La matrice de $f$ est de$\displaystyle{}F\subset E\Ssi \big(x\app F \Imp x\app E\sp{1.5}\big)$On dit alors que $F$ est une partie ou un sous-ensemble de $E\sp{1.5}.$ On désigne par $\,\sc P(E)\,$ l'ensemble des parties de $E\sp{1.5}.$Le rang de $A\app\sc M_{n,p}(\bb K)\sp{1.5},$ de lignes $L_i$ et colonnes $C_j\sp{1.5},$ est à la fois :rang au plus $\,2\sp{1.5},\,$ car $\,L_2=0\sp{1.5},\,$ et même exactement $\,2\sp{1.5},\,$ puisque $\,(L_1,L_3)\,$ est libre. C'est aussi le
- le nombre maximal des $C_j$ linéairement indépendantes
- et le nombre maximal des $L_i$ linéairement indépendantes :
$\displaystyle{}\op{rg}(A)=\op{rg}(C_1,\dots,C_p)=\op{rg}(L_1,\dots,L_n)$Le rang est donc invariant par transposition : $\,\op{rg}(A^T)=\op{rg}(A)\sp{1.5}.\,$Soient $E$ et $E'$ deux $\bb{K}\tiret$espaces vectoriels et $\,f\app \sc{L}(E,E')\sp{1.5}.\,$ Si $\,\op{Im} f\,$ est de dimension finie, cette dimension est le rang de $f:$rang de $f\sp{1.5},$ si bien que pour raison de$\displaystyle{}\op{rg} (f)=\dim(\op{Im} f)$Soient $F$ et $G$ deux sous-espaces d'un espace vectoriel $E\sp{1.5}.$ Si on a $\,F\subset G\sp{1.5},\,$ et que $\,G\,$ est de dimension finie, alors :dimension, on a l'égalité :- $\,F=\{0\}\!\Ssi\dim(F)=0\sp{1.5},\,$
- $\,F=\ G\ \sp{1.5}\Ssi \dim(F)=\dim(G)\sp{1.5}.\,$
$\displaystyle{}\im f=\v{\i,\k}$ - Avec $\,C_1=C_3\sp{1.5},\,$ on obtient : $\,\f{\i-\k}=\f\i-\f\k=\vecc 0\sp{1.5}.\,$
Par définition du
Soient $E$ et $E'$ deux $\bb K\tiret$espaces vectoriels et $\,f\app \sc L(E,E')\sp{1.5}.\,$ Le noyau de $f$ est l'ensemble des $u\app E$ tels que $\,f(u)=0_{E\sp{1.5}'}:\,$noyau, on en déduit une autre inclusion : $\,\v{\i-\k}\subset\ker f\sp{1.5}.\,$ Selon le$\displaystyle{}\op{Ker}f=\ens{u\app E}{f(u)=0_{E\sp{.75}'}}$$\,\op{Ker}f\,$ est un sous-espace vectoriel de l'espace de départ $E\sp{1.5}.$Soient $E$ et $E'$ deux $\bb{K}\tiret$espaces vectoriels et $\,f\app \sc{L}(E,E')\sp{1.5}.\,$ Si $E$ est de dimension finie, alors l'image de $f$ est de dimension finie et :théorème du rang, on a : $\,\dim(\ker f)=3-\dim(\im f)=1\sp{1.5},\,$ d'où pour raison de$\displaystyle{}\dim(\op{Im} f)+\dim(\op{Ker} f)=\dim(E)$Soient $F$ et $G$ deux sous-espaces d'un espace vectoriel $E\sp{1.5}.$ Si on a $\,F\subset G\sp{1.5},\,$ et que $\,G\,$ est de dimension finie, alors :dimensions :
- $\,F=\{0\}\!\Ssi\dim(F)=0\sp{1.5},\,$
- $\,F=\ G\ \sp{1.5}\Ssi \dim(F)=\dim(G)\sp{1.5}.\,$
$\displaystyle{}\ker f=\v{\i-\k}$
Un ensemble $F$ est inclus dans l'ensemble $E$ ssi tout élément de $F$ appartient à $E:$
l'inclusion
stricte de la
$\displaystyle{}F\subset E\Ssi \big(x\app F \Imp x\app E\sp{1.5}\big)$
On dit alors que $F$ est une partie ou un sous-ensemble de $E\sp{1.5}.$
On désigne par $\,\sc P(E)\,$ l'ensemble des parties de $E\sp{1.5}.$
Soit $E$ un espace vectoriel engendré par une famille finie.
Les bases de $E$ ont toutes le même cardinal fini, noté : $\,\dim(E)\sp{1.5}.\,$
C'est la dimension de $E\sp{1.5},$ et on pose : $\,\dim(\{0_E\})=0\sp{1.5}.\,$
droite
$\,\ker f\,$ dans le
- lorsque $\,\dim(E)=1:\,$ $E$ est une droite vectorielle ;
- lorsque $\,\dim(E)=2:\,$ $E$ est un plan vectoriel.
Soit $E$ un espace vectoriel engendré par une famille finie.
Les bases de $E$ ont toutes le même cardinal fini, noté : $\,\dim(E)\sp{1.5}.\,$
C'est la dimension de $E\sp{1.5},$ et on pose : $\,\dim(\{0_E\})=0\sp{1.5}.\,$
plan
$\,\im f:\,$ - lorsque $\,\dim(E)=1:\,$ $E$ est une droite vectorielle ;
- lorsque $\,\dim(E)=2:\,$ $E$ est un plan vectoriel.
$\displaystyle{}\ker f=\v{\i-\k}\subset\v{\i,\k}=\im f$