―  Chapitre 12 · Mathématiques approfondies  ―

Applications linéaires

Noyau · Image · Matrices d'applications linéaires · Rang · Isomorphismes

Table des matières
I
Application linéaire, endomorphisme, isomorphisme
Définition 1Application linéaire

Soient \(E\) et \(F\) deux espaces vectoriels. On appelle application linéaire de \(E\) dans \(F\) toute application \(f : E \to F\) telle que :

\[\begin{cases} \forall\, \vec u \in E,\ \forall\, \vec v \in E \\ \forall\, (\alpha,\beta) \in \mathbb{R}^2 \end{cases} \quad f(\alpha \vec u + \beta \vec v) = \alpha f(\vec u) + \beta f(\vec v)\]

L'ensemble des applications linéaires de \(E\) dans \(F\) se note \(\mathcal{L}(E,F)\).

Proposition 1
Propriétés

Soit \(f\) une application linéaire de \(E\) dans \(F\). On a :

  1. \(f(\vec 0_E) = \vec 0_F\)
  2. \(\forall\,(\vec e_1,\vec e_2,\dots,\vec e_p)\in E^p,\ \forall\,(\lambda_1,\lambda_2,\dots,\lambda_p)\in\mathbb{R}^p\), \[f\Big(\sum_{i=1}^{p}\lambda_i \vec e_i\Big) = \sum_{i=1}^{p}\lambda_i f(\vec e_i)\]
Définition 2Endomorphisme

On appelle endomorphisme de \(E\) toute application linéaire de \(E\) dans \(E\). L'ensemble des endomorphismes de \(E\) se note \(\mathcal{L}(E)\).

Pour prouver que \(f\) est un endomorphisme, il faut vérifier deux choses : \(f\) est linéaire et \(f\) est à valeurs dans \(E\) (càd \(\forall\, \vec u \in E,\ f(\vec u) \in E\)).

Définition 3Isomorphisme

On appelle isomorphisme de \(E\) dans \(F\) toute application linéaire bijective de \(E\) dans \(F\).

Proposition 2
Somme, composée d'applications linéaires
  1. Soit \(f\in\mathcal{L}(E,F)\), \(g\in\mathcal{L}(E,F)\) et \((\lambda,\mu)\in\mathbb{R}^2\). L'application \(\lambda f + \mu g\) est linéaire. L'ensemble \(\mathcal{L}(E,F)\) est donc un espace vectoriel.
  2. Soit \(f\in\mathcal{L}(E,F)\) et \(g\in\mathcal{L}(F,G)\) alors \(g\circ f \in \mathcal{L}(E,G)\) (la composée d'applications linéaires est une application linéaire).
  3. Soit \(f\in\mathcal{L}(E)\), on pose \(f^0 = Id_E\) et \(\forall\, n\in\mathbb{N}^*,\ f^n = f\circ f\circ\dots\circ f\) (\(f\) composée \(n\) fois). Alors, pour tout \(n\in\mathbb{N}\), \(f^n\) est une application linéaire, c'est-à-dire \(\forall\, n\in\mathbb{N},\ f^n \in \mathcal{L}(E)\).
Proposition 3
Réciproque d'une application linéaire
  1. Si \(f\) est une application linéaire de \(E\) dans \(F\) et si \(f\) est une bijection de \(E\) dans \(F\), alors \(f^{-1}\) est une application linéaire de \(F\) dans \(E\).
  2. Ainsi, si \(f\) est un isomorphisme de \(E\) dans \(F\) alors \(f^{-1}\) est un isomorphisme de \(F\) dans \(E\).
II
Noyau d'une application linéaire

Dans tout ce paragraphe, \(f\) est une application linéaire de \(E\) dans \(F\).

Définition 1Noyau

On appelle noyau de \(f\) l'ensemble noté \(\ker f\) défini par :

\[\ker f = \{\, \vec u \in E \text{ tel que } f(\vec u) = \vec 0_F \,\}\]

On a donc : \(\vec u \in \ker f \iff \vec u \in E\) avec \(f(\vec u) = \vec 0_F\).

Proposition 1
  1. On a toujours \(\vec 0_E \in \ker f\) (car \(f\) est une application linéaire donc \(f(\vec 0_E) = \vec 0_F\)).
  2. \(\ker f\) est un sous-espace vectoriel de \(E\).
Méthode
Déterminer \(\ker f\)

Pour déterminer \(\ker f\) ou pour en trouver une base, on procède de la manière suivante :

  1. Commencer par prendre un vecteur \(\vec u\) quelconque dans \(\ker f\) ; il possède deux propriétés :
    • \(\vec u \in E\) donc \(\vec u\) se décompose sur une base de \(E\) ;
    • \(f(\vec u) = \vec 0_F\) (ce qui crée des conditions sur les coordonnées de \(\vec u\)).
  2. Si on arrive à \(\vec u = \vec 0_E\), c'est terminé (on a alors \(\ker f = \{\vec 0_E\}\)). Sinon, on obtient l'allure générale d'un vecteur de \(\ker f\). On en déduit alors une famille génératrice de \(\ker f\). On regarde ensuite si la famille obtenue est libre pour en déduire une base de \(\ker f\).
Proposition 2
\[f \text{ est injective} \iff \ker f = \{\vec 0_E\}\]
\(\ker f\) est un ssev de \(E\) donc on a toujours \(\{\vec 0_E\} \subset \ker f\). Pour prouver que \(f\) est injective, il suffit donc de montrer l'autre inclusion. On écrira toujours « soit \(\vec u \in \ker f\) alors \(\vec u \in E\) avec \(f(\vec u) = \vec 0_F\) donc … » (on travaille ensuite selon le contexte pour arriver à démontrer que \(\vec u = \vec 0_E\)).
III
Image d'une application linéaire

Dans tout ce paragraphe, \(f\) est une application linéaire de \(E\) dans \(F\).

Définition 1Image

On appelle image de \(f\) l'ensemble, noté \(\mathrm{Im}\,f\), constitué des images des éléments de \(E\) par \(f\). Ainsi :

\[\mathrm{Im}\,f = f(E) = \{\, f(\vec u) \text{ avec } \vec u \in E \,\}, \qquad \vec v \in \mathrm{Im}\,f \iff \exists\, \vec u \in E,\ f(\vec u) = \vec v\]

\(\mathrm{Im}\,f\) est un sous-espace vectoriel de \(F\).

Proposition 1
Famille génératrice de \(\mathrm{Im}\,f\)

Si \((\vec e_1,\vec e_2,\dots,\vec e_n)\) est une base de \(E\) alors la famille \(\{f(\vec e_1),f(\vec e_2),\dots,f(\vec e_n)\}\) est une famille génératrice de \(\mathrm{Im}\,f\).

\[\mathrm{Im}(f) = \mathrm{Vect}\big(\{f(\vec e_1),f(\vec e_2),\dots,f(\vec e_n)\}\big)\]
On obtient une famille génératrice de \(\mathrm{Im}\,f\) en prenant l'image d'une base de \(E\). Cette famille n'est pas forcément une base de \(\mathrm{Im}\,f\) (car elle n'est pas forcément libre). Mais on ira chercher parmi les vecteurs de cette famille ceux qui forment une base de \(\mathrm{Im}\,f\).
Proposition 2
\[f \text{ est surjective} \iff \mathrm{Im}\,f = F\]
IV
Lien entre matrices et applications linéaires
Définition 1Matrice d'une application linéaire

Soit \(E\) et \(F\) deux \(\mathbb{R}\)-ev avec \(\dim(E) = p\), \(\dim(F) = n\) et \(f \in \mathcal{L}(E,F)\). Soit \(\mathcal{B}_E = (\vec b_1,\vec b_2,\dots,\vec b_p)\) une base de \(E\) et \(\mathcal{C}_F = (\vec c_1,\vec c_2,\dots,\vec c_n)\) une base de \(F\). On appelle matrice de \(f\) de la base \(\mathcal{B}_E\) dans la base \(\mathcal{C}_F\), notée \(\mathrm{Mat}_{\mathcal{C}_F,\mathcal{B}_E}(f)\), la matrice définie par :

\[\mathrm{Mat}_{\mathcal{C}_F,\mathcal{B}_E}(f) = \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1p} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2p} \\ \vdots & \vdots & & \vdots \\ a_{n1} & a_{n2} & \cdots & a_{np} \end{pmatrix} \quad \text{où } \forall\, j\in\llbracket 1,n\rrbracket,\ f(\vec b_j) = a_{1j}\vec c_1 + a_{2j}\vec c_2 + \dots + a_{nj}\vec c_n\]

(la colonne \(K_j\) de \(\mathrm{Mat}_{\mathcal{C}_F,\mathcal{B}_E}(f)\) est constituée des coordonnées du vecteur \(f(\vec b_j)\) dans la base \(\mathcal{C}\) de \(F\))

Si \(E = F\) et si on a la même base \(\mathcal{B}\) au départ et à l'arrivée, on note \(\mathrm{Mat}_{\mathcal{B}}(f)\) au lieu de \(\mathrm{Mat}_{\mathcal{B},\mathcal{B}}(f)\).
Proposition 1
Coordonnées de l'image d'un vecteur par une application linéaire

Soit \(\mathcal{B}_E = (\vec b_1,\vec b_2,\dots,\vec b_p)\) une base de \(E\) et \(\mathcal{B}_F = (\vec c_1,\vec c_2,\dots,\vec c_n)\) une base de \(F\). Soit \(f \in \mathcal{L}(E,F)\) et soit \(\mathrm{Mat}_{\mathcal{B}_F,\mathcal{B}_E}(f)\) sa matrice. Pour tout \(\vec u \in E\), on note \(X_{\mathcal{B}_E}\) la matrice des coordonnées de \(\vec u\) dans la base \(\mathcal{B}\) de \(E\). Alors la matrice \(Y_{\mathcal{B}_F}\) des coordonnées de \(\vec v = f(\vec u)\) dans la base \(\mathcal{B}_F\) de \(F\) s'obtient par le calcul :

\[\mathrm{Coord}_{\mathcal{B}_F}[f(\vec u)] = \mathrm{Mat}_{\mathcal{B}_F,\mathcal{B}_E}(f) \times \mathrm{Coord}_{\mathcal{B}_E}(\vec u)\]
Méthode
Définir une application linéaire

Pour définir une application linéaire \(f : E \to F\), on peut :

  1. Option 1 : Donner l'expression de \(f(\vec u)\) pour tout vecteur \(\vec u\) de l'espace de départ \(E\).
  2. Option 2 : Donner les images de chacun des vecteurs d'une base de l'espace de départ.
  3. Option 3 : Donner sa matrice. Dans ce cas, on utilise la proposition précédente.
Deux points de vue : point de vue vectoriel / point de vue matriciel. On peut passer de l'un à l'autre :
vecteurs → matrices : écrire les coordonnées des vecteurs dans les bases adéquates.
matrices → vecteurs : reconstituer le vecteur à partir de ses coordonnées.
On passe d'une égalité à l'autre : \(\vec v = f(\vec u) \iff Y = M \times X\).
V
Utilisation des matrices en algèbre linéaire
1 — Matrice et recherche de noyau
Proposition 1

Soit \(f \in \mathcal{L}(E,F)\) et soit \(\mathrm{Mat}_{\mathcal{C},\mathcal{B}}(f)\) sa matrice associée (avec \(\mathcal{B}\) base de \(E\) et \(\mathcal{C}\) base de \(F\)). Soit \(\vec u \in E\). On a l'équivalence :

\[\vec u \in \ker f \iff \mathrm{Mat}_{\mathcal{C},\mathcal{B}}(f) \times \mathrm{Coord}_{\mathcal{B}}(\vec u) = O \quad (= \mathrm{Coord}_{\mathcal{C}}[\vec 0])\]
Déterminer le noyau d'une application linéaire revient donc à résoudre le système linéaire associé à sa matrice. (!) résoudre le système fournit des coordonnées ; il faut ensuite reconstituer les vecteurs du noyau.
2 — Rang d'une matrice, rang d'une application linéaire
Définition 1Rang d'une famille

Soit \(E\) un \(\mathbb{R}\)-ev avec \(\dim(E) = n\) et \(\vec u_1,\vec u_2,\dots,\vec u_p\) des vecteurs. On appelle rang de la famille \(\{\vec u_1,\vec u_2,\dots,\vec u_p\}\) le nombre :

\[rg\{\vec u_1,\vec u_2,\dots,\vec u_p\} = \dim(\mathrm{Vect}\{\vec u_1,\vec u_2,\dots,\vec u_p\})\]
Définition 2Rang d'une matrice

Soit \(A \in M_{n,p}(\mathbb{R})\). On note \(K_1,K_2,\dots,K_p\) ses vecteurs colonnes. On appelle rang de \(A\) le nombre \(rg(A) = \dim\,\mathrm{Vect}[K_1,K_2,\dots,K_p]\).

Pour \(A \in M_{n,p}(\mathbb{R})\), \(rg(A)\) = nombre maximum de colonnes qui forment une famille libre. On a donc \(rg(A) \le n\) et \(rg(A) \le p\).
Proposition 2

Le rang d'une matrice est égal à celui de sa transposée. Ainsi, pour \(A \in M_{n,p}(\mathbb{R})\), on a : \(rg(A) = rg({}^{t}A)\).

Proposition 3

Soit \(f \in \mathcal{L}(E,F)\) et soit \(A = \mathrm{Mat}_{\mathcal{C}_F,\mathcal{B}_E}(f)\) (où \(\mathcal{B}_E = (\vec e_1,\dots,\vec e_n)\) base de \(E\) et \(\mathcal{C}_F\) base de \(F\)).

  1. On appelle rang de \(f\) le nombre défini par \(rg(f) = \dim(\mathrm{Im}\,f)\).
  2. On a \(rg(f) = rg(A)\). Ainsi, le rang d'une application linéaire est égal à celui d'une matrice qui la représente.

Démonstration : Par définition du rang d'une application linéaire, on a \(rg(f) = \dim[\mathrm{Im}\,f] = \dim\,\mathrm{Vect}[f(\vec e_1),f(\vec e_2),\dots,f(\vec e_p)]\). Alors, par construction de la matrice \(A\), on a : \(rg(f) = rg(\{f(\vec e_1),\dots,f(\vec e_n)\}) = \dim\,\mathrm{Vect}[K_1,\dots,K_p] = rg(A)\).

Si \(f \in \mathcal{L}(E,F)\) avec \(\dim(E) = n\) alors \(rg(f) \le n = \dim(E)\) et \(rg(f) \le \dim(F)\). En effet, \(\{f(\vec e_1),\dots,f(\vec e_n)\}\) est une famille génératrice de \(\mathrm{Im}\,f\) (avec \((\vec e_1,\dots,\vec e_n)\) base de \(E\)) donc \(rg(f) = rg\{f(\vec e_1),\dots,f(\vec e_n)\} \le n\) ; de plus \(rg(f) = \dim(\mathrm{Im}\,f) \le \dim(F)\) car \(\mathrm{Im}\,f \subset F\).
Proposition 4
Théorème du rang

Soit \(E\) un ev de dimension finie et soit \(F\) un ev quelconque. Soit \(f\) une application linéaire de \(E\) dans \(F\). On a :

\[\dim(E) = \dim(\ker f) + \dim(\mathrm{Im}\,f)\]

Ce théorème permet de relier la dimension de \(\ker f\) et celle de \(\mathrm{Im}\,f\).
3 — Isomorphismes en dimension finie
Proposition 5

Soient \(E\) et \(F\) deux \(\mathbb{R}\)-ev de dimension finie et soit \(f \in \mathcal{L}(E,F)\).

  1. Si \(f\) est injective et si \(\dim(E) = \dim(F)\) alors \(f\) est bijective.
  2. Si \(f\) est surjective et si \(\dim(E) = \dim(F)\) alors \(f\) est bijective.

Démonstration à savoir faire : à l'aide du théorème du rang, démontrer la proposition précédente.

La proposition précédente s'applique en particulier pour les endomorphismes, càd lorsque \(E = F\). Ainsi, si \(f \in \mathcal{L}(E)\) et si \(f\) est injective ou surjective alors \(f\) est bijective.
Proposition 6

Soit \(E\) et \(F\) deux \(\mathbb{R}\)-ev de dimension finie et soit \(f \in \mathcal{L}(E,F)\). \(f\) est un isomorphisme de \(E\) dans \(F\) ssi \(f\) transforme une base de \(E\) en une base de \(F\).