―  Chapitre 16 · Mathématiques approfondies  ―

Complément d'algèbre linéaire

Matrices et applications linéaires · Polynômes d'endomorphismes · Projecteurs

Table des matières
I
Compléments sur les liens entre matrices et applications linéaires
1 — Application linéaire associée à une matrice
Proposition 1
Application linéaire associée à une matrice

Soit \(A \in \mathcal{M}_{n,p}(\mathbb{R})\). Il existe une unique application linéaire \(f \in \mathcal{L}(\mathbb{R}^p,\mathbb{R}^n)\) telle que \(A = \mathrm{Mat}_{\mathcal{C},\mathcal{B}}(f)\) (où \(\mathcal{B}\) = base canonique de \(E=\mathbb{R}^p\) et \(\mathcal{C}\) = base canonique de \(F=\mathbb{R}^n\)).

\(f\) est définie par : \(\forall i \in \llbracket 1,p\rrbracket,\ \mathrm{Coord}_{\mathcal{C}}\big[f(\vec{b_i})\big] = K_i\) (\(=\) \(i\)-ème colonne de \(A\)). On dit que \(f\) est l'application linéaire associée à \(A\).

La colonne \(Y_{\mathcal{C}}\) des coordonnées de \(\vec{v}=f(\vec{u})\) dans la base \(\mathcal{C}\) de \(F\) s'obtient par le calcul :

\[Y_{\mathcal{C}} = \mathrm{Mat}_{\mathcal{B},\mathcal{C}}(f) \times X_{\mathcal{B}}\]
L'application associée à \(I_n\) est l'identité de \(\mathbb{R}^n\), et pour toute base \(\mathcal{B}\) d'un ev \(E\), on a \(\mathrm{Mat}_{\mathcal{B}}(\mathrm{Id}_E)=I_n\).
Définition 1Matrices de passage

Soit \(\mathcal{B}=\{\vec{b_1},\vec{b_2},\dots,\vec{b_n}\}\) et \(\mathcal{C}=\{\vec{c_1},\vec{c_2},\dots,\vec{c_n}\}\) deux bases de \(E\).

On appelle matrice de passage de la base \(\mathcal{B}\) à la base \(\mathcal{C}\) la matrice, notée \(P_{\mathcal{B},\mathcal{C}}\), qui donne les coordonnées des vecteurs de la nouvelle base \(\mathcal{C}\) dans l'ancienne base \(\mathcal{B}\). On a donc :

\[P_{\mathcal{B},\mathcal{C}} = {}_{\mathcal{B}}\big(K_1 \mid K_2 \mid \dots \mid K_n\big) \quad \text{avec } K_i = \mathrm{Coord}_{\mathcal{B}}\big[f(\vec{c_i})\big]\]
Proposition 2

Soit \(\mathcal{B}=\{\vec{b_1},\vec{b_2},\dots,\vec{b_n}\}\) et \(\mathcal{C}=\{\vec{c_1},\vec{c_2},\dots,\vec{c_n}\}\) deux bases de \(E\).

La matrice de passage \(P_{\mathcal{B},\mathcal{C}}\) est inversible et on a \(\big(P_{\mathcal{B},\mathcal{C}}\big)^{-1} = P_{\mathcal{C},\mathcal{B}}\).

Proposition 3
Formule de changement de base pour les coordonnées d'un vecteur

Soit \(\mathcal{B}=\{\vec{b_1},\dots,\vec{b_n}\}\) et \(\mathcal{C}=\{\vec{c_1},\dots,\vec{c_n}\}\) deux bases de \(E\). Soit \(\vec{u}\) un vecteur de \(E\).

\(\vec{u}\) se décompose sur \(\mathcal{B}\) par \(\vec{u}=\sum_{i=1}^n x_i \vec{b_i}\) et sur \(\mathcal{C}\) par \(\vec{u}=\sum_{i=1}^n y_i \vec{c_i}\).

On pose \(X_{\mathcal{B}}=\begin{pmatrix}x_1\\x_2\\ \vdots\\x_n\end{pmatrix}\) et \(X_{\mathcal{C}}=\begin{pmatrix}y_1\\y_2\\ \vdots\\y_n\end{pmatrix}\). Alors on a :

\[X_{\mathcal{B}} = P_{\mathcal{B},\mathcal{C}} \cdot X_{\mathcal{C}} \qquad \text{et} \qquad X_{\mathcal{C}} = P_{\mathcal{C},\mathcal{B}} \cdot X_{\mathcal{B}}\]
2 — Opérations matricielles et opérations sur les applications linéaires
Proposition 4

Soit \(E,F\) deux \(\mathbb{R}\)-ev de dimension finie avec \(\mathcal{B}\) base de \(E\) et \(\mathcal{C}\) base de \(F\).

\[\forall (\lambda,\mu) \in \mathbb{R}^2,\ \forall (f,g) \in \mathcal{L}(E,F)^2, \qquad \mathrm{Mat}_{\mathcal{C},\mathcal{B}}(\lambda f + \mu g) = \lambda\, \mathrm{Mat}_{\mathcal{C},\mathcal{B}}(f) + \mu\, \mathrm{Mat}_{\mathcal{C},\mathcal{B}}(g)\]
Proposition 5
Matrice d'une composée

Soient \(f\) et \(g\) deux applications linéaires. On note \(A\) la matrice de \(f\) et \(M\) la matrice de \(g\).

L'application composée \(g\circ f\) est définie par : \(\forall \vec{u}\in E,\ (g\circ f)(\vec{u}) = g\big[f(\vec{u})\big]\)

D'où la formule :

\[\mathrm{Mat}(g\circ f) = \mathrm{Mat}(g) \times \mathrm{Mat}(f)\]

Ainsi, pour \(f\) et \(g\) deux endomorphismes d'un ev \(E\) muni d'une base \(\mathcal{B}\), on a : \(\mathrm{Mat}_{\mathcal{B}}(g\circ f) = \mathrm{Mat}_{\mathcal{B}}(g)\times \mathrm{Mat}_{\mathcal{B}}(f)\)

Pour \(f\in\mathcal{L}(E,F)\) et \(g\in\mathcal{L}(F,G)\), avec \(\mathcal{B}_E\) base de \(E\), \(\mathcal{B}_F\) base de \(F\) et \(\mathcal{B}_G\) base de \(G\), la formule devient :

\[\mathrm{Mat}_{\mathcal{B}_G,\mathcal{B}_E}(g\circ f) = \mathrm{Mat}_{\mathcal{B}_G,\mathcal{B}_F}(g) \times \mathrm{Mat}_{\mathcal{B}_F,\mathcal{B}_E}(f)\]
Proposition 6

Soit \(E\) un \(\mathbb{R}\)-ev de dimension finie et \(\mathcal{B}\) une base de \(E\). Soit \(f \in \mathcal{L}(E)\).

On pose \(f^0 = \mathrm{Id}_E\) et \(\forall n\in\mathbb{N}^*,\ f^n = f\circ f\circ \dots \circ f\) (\(n\) fois).

Si \(A=\mathrm{Mat}_{\mathcal{B}}(f)\) alors on a : \(\forall n \in \mathbb{N},\ \mathrm{Mat}_{\mathcal{B}}(f^n) = A^n\)

3 — Inversibilité d'une matrice et application linéaire bijective
Proposition 7

Soit \(E\) et \(F\) deux \(\mathbb{R}\)-ev avec \(\dim(E)=\dim(F)=n\) et soit \(f\in\mathcal{L}(E,F)\).

Soit \(\mathcal{B}\) une base de \(E\) et \(\mathcal{C}\) une base de \(F\). Alors on a :

\[f \text{ est bijective} \iff \mathrm{Mat}_{\mathcal{C},\mathcal{B}}(f) \text{ est inversible}\]

Dans ce cas, on a : \(\big(\mathrm{Mat}_{\mathcal{C},\mathcal{B}}(f)\big)^{-1} = \mathrm{Mat}_{\mathcal{B},\mathcal{C}}(f^{-1})\)

Méthode
Montrer qu'une matrice carrée \(A\) est inversible
  1. Montrer que \(AX=0 \iff X=0\)
  2. Montrer que \(\mathrm{rang}(A) = n = \) taille de la matrice
  3. Trouver \(B\) tel que \(A\times B = B\times A = I_n\)
Méthode
Montrer que \(f\in\mathcal{L}(E,F)\) est bijective

(il faut avoir \(\dim(E)=\dim(F)\))

  1. Écrire une matrice de \(f\) et montrer qu'elle est inversible.
  2. Déterminer \(\ker f\) ou \(\mathrm{Im}f\) et utiliser le théorème du rang.
  3. Montrer que \(f\) transforme une base de \(E\) en base de \(F\).
  4. Trouver \(g\) tel que \(f\circ g = \mathrm{Id}\) ou \(g\circ f = \mathrm{Id}\).
4 — Calculs dans \(\mathcal{L}(E)\)

Nous venons de voir que tout endomorphisme de \(E\) est représenté par une matrice et que toute opération sur les matrices correspond à une opération sur les éléments de \(\mathcal{L}(E)\). Les règles de calculs dans \(\mathbb{R}\) se généralisent à \(\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\) et à \(\mathcal{L}(E)\). Ainsi :

Proposition 8
Opérations dans \(\mathcal{L}(E)\)

Soit \(E\) un espace vectoriel, \(f,g,h\) des endomorphismes de \(E\) et \(\alpha,\beta\) des réels.

  • \((\alpha f + \beta g)\circ h = \alpha (f\circ h) + \beta (g\circ h)\) et \(h\circ(\alpha f + \beta g) = \alpha (h\circ f) + \beta (h \circ g)\)
  • \(f\circ \mathrm{Id}_E = \mathrm{Id}_E \circ f = f\)
  • Si \(f\circ g = g\circ f\), alors pour tout \(n\in\mathbb{N}\) :
\[(f+g)^n = \sum_{k=0}^n \binom{n}{k} f^k \circ g^{n-k}\]

\(= g^n + nf\circ g^{n-1} + \binom{n}{2}f^2\circ g^{n-2}+\dots+\binom{n}{n-2}f^{n-2}\circ g^2 + nf^{n-1}\circ g + f^n\)

5 — Polynômes de matrices, polynômes d'endomorphismes
Définition 2

Soit \(P\in\mathbb{R}[x]\) avec \(P(x)=\alpha_0+\alpha_1 x+\alpha_2 x^2+\dots+\alpha_r x^r\).

Dans ce polynôme, la variable \(x\) peut être remplacée par des objets de différents types :

Pour une matrice \(A\in\mathcal{M}_n(\mathbb{K})\), on crée une matrice \(P(A)\) par :

\[P(A) = \alpha_0 A^0 + \alpha_1 A + \alpha_2 A^2 + \dots + \alpha_r A^r = \alpha_0 I_n + \alpha_1 A + \alpha_2 A^2 + \dots + \alpha_r A^r\]

On dit que la matrice \(P(A)\) est un polynôme en \(A\).

Pour \(f\in\mathcal{L}(E)\), on crée un endomorphisme, noté \(P(f)\) par :

\[P(f) = \alpha_0 f^0 + \alpha_1 f + \alpha_2 f^2 + \dots + \alpha_r f^r = \alpha_0 \mathrm{Id}_E + \alpha_1 f + \alpha_2 f^2 + \dots + \alpha_r f^r\]

On dit que l'application \(P(f)\) est un polynôme en \(f\) (ici, le \(\times\) devient \(\circ\)).

Proposition 9

\(\forall P \in \mathbb{R}[x]\) on a :

  • \(\forall A \in \mathcal{M}_n(\mathbb{R})\), \(A\) et \(P(A)\) commutent (c'est-à-dire \(A\times P(A) = P(A)\times A\))
  • \(\forall f \in \mathcal{L}(E)\), \(f\) et \(P(f)\) commutent (c'est-à-dire \(f\circ P(f) = P(f)\circ f\))
Définition 3Polynôme annulateur

Soit \(A\in\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\), soit \(f\in\mathcal{L}(E)\) et soit \(P\in\mathbb{R}[x]\).

On dit que \(P\) est un polynôme annulateur de \(A\) ssi \(P(A)=0_n\)

On dit que \(P\) est un polynôme annulateur de \(f\) ssi \(P(f)=0_{\mathcal{L}(E)}\)

Une relation sur les endomorphismes se transmet aux matrices qui les représentent et réciproquement. Ainsi un endomorphisme et une matrice qui le représente ont même polynôme annulateur.
II
Sous-espaces vectoriels supplémentaires et projecteurs
1 — Sous-espaces supplémentaires
Définition 1Somme de deux sous-espaces / somme directe

Soit \(E\) un espace vectoriel et \(F,G\) deux sous-espaces vectoriels de \(E\).

On appelle somme de \(F\) et \(G\) le sous-espace vectoriel, noté \(F+G\), défini par :

\[F+G = \{\vec{x}_F + \vec{x}_G \text{ avec } \vec{x}_F\in F \text{ et } \vec{x}_G \in G\}\]

Ainsi : \(\vec{u}\in F+G \iff \exists\, \vec{x}_F \in F\) et \(\exists\, \vec{x}_G \in G\) tq \(\vec{u}=\vec{x}_F+\vec{x}_G\)

On dit que \(F\) et \(G\) sont en somme directe ssi \(F\cap G = \{\vec{0}\}\). Dans ce cas, l'espace \(F+G\) se note \(F \oplus G\).

Définition 2Sous-espaces vectoriels supplémentaires

Soit \(E\) un \(\mathbb{R}\)-ev et \(F,G\) deux sous-espaces vectoriels de \(E\).

\[F \text{ et } G \text{ sont supplémentaires ssi } F \oplus G = E\]

Ainsi \(F\oplus G = E\) ssi la somme est directe (c'est-à-dire \(F\cap G = \{\vec{0}\}\)) et elle vaut \(E\) (c'est-à-dire \(\forall \vec{u}\in E,\ \exists\, \vec{x}_F\in F\) et \(\exists\, \vec{x}_G\in G\) tq \(\vec{u}=\vec{x}_F+\vec{x}_G\)).

Proposition 1
Supplémentaire en dimension finie

Soit \(E\) un \(\mathbb{R}\)-ev de dimension finie et \(F,G\) deux sous-espaces vectoriels de \(E\).

\(F\) et \(G\) sont supplémentaires ssi l'une des équivalences suivantes est vérifiée :

\[F\oplus G = E \iff \begin{cases} F\cap G = \{\vec{0}\} \\ \dim F + \dim G = \dim E \end{cases}\]

\(F\oplus G = E \iff\) la famille obtenue en réunissant une base \(\mathcal{B}_F\) de \(F\) et une base \(\mathcal{B}_G\) de \(G\) est une base de \(E\)

Proposition 2

Soit \(E\) un \(\mathbb{R}\)-ev, \(\dim E = n\) et soit \(F\) un sous-espace vectoriel de \(E\).

  1. Théorème de la base incomplète : Soit \((\vec{e_1},\vec{e_2},\dots,\vec{e_p})\) une famille libre de \(E\) (avec \(p\le n-1\)). Alors il existe \((\vec{u}_{p+1},\vec{u}_{p+2},\dots,\vec{u}_n)\) famille constituée de \(n-p\) vecteurs de \(E\) telle que \((\vec{e_1},\vec{e_2},\dots,\vec{e_p},\vec{u}_{p+1},\vec{u}_{p+2},\dots,\vec{u}_n)\) soit une base de \(E\).
  2. Existence d'un supplémentaire : Le ss-ev \(F\) admet au moins un supplémentaire \(H\) tel que \(F\oplus H = E\) (un même sous-espace vectoriel peut admettre plusieurs supplémentaires).
2 — Projecteur, symétrie
Définition 3

Soit \(E\) un \(\mathbb{R}\)-ev et soit \(f\in\mathcal{L}(E)\). On dit que \(f\) est un projecteur ssi \(f\circ f = f\).

Proposition 3

Si \(p\) est un projecteur (c'est-à-dire si \(p\in\mathcal{L}(E)\) avec \(p\circ p = p\)) alors :

  • \(\mathrm{Im}\, p = \ker(p-\mathrm{Id}_E)\)
  • \(E = \ker p \oplus \mathrm{Im}\, p\) (c'est-à-dire \(\ker p\) et \(\mathrm{Im}\, p\) sont supplémentaires)
  • Si \(\mathcal{B}\) est une base obtenue par concaténation des bases de \(\ker(p)\) et \(\mathrm{Im}(p)\), alors \(\mathrm{Mat}_{\mathcal{B}}(p)\) est une matrice diagonale dont la diagonale est formée de 0 et de 1.
Proposition 4

Soit \(E\) un \(\mathbb{R}\)-ev et soit \(F,G\) deux sous-espaces vectoriels supplémentaires de \(E\).

On définit deux applications \(p\) et \(q\) sur \(E\) en posant :

\[\forall \vec{u}\in E \text{ avec } \vec{u}=\vec{x}_F+\vec{x}_G,\qquad p(\vec{u})=\vec{x}_F \qquad \text{et} \qquad q(\vec{u})=\vec{x}_G\]

On dit que \(p\) et \(q\) sont les projecteurs associés à la décomposition \(E=F\oplus G\).

On a alors :

  • \(p\in\mathcal{L}(E)\) et \(q\in\mathcal{L}(E)\) avec \(p+q=\mathrm{Id}_E\) et \(p\circ p = p\) et \(q\circ q = q\)
  • \(G = \ker p = \mathrm{Im}\, q\) et \(F = \mathrm{Im}\, p = \ker q\)
Définition 4

Soit \(E\) un \(\mathbb{R}\) ev. Soit \(f\in\mathcal{L}(E)\).

On dit que \(f\) est une symétrie ssi \(f\circ f = \mathrm{Id}_E\).

Proposition 5
Propriétés d'une symétrie

Soit \(s\in\mathcal{L}(E)\) une symétrie.

• \(s\) est bijective et \(s^{-1}=s\)

• On pose \(F=\ker(f-\mathrm{Id}_E)\) et \(G=\ker(f+\mathrm{Id}_E)\), on a \(E = F\oplus G\)

• Il existe une base \(\mathcal{C}\) de \(E\) telle que \(\mathrm{Mat}_{\mathcal{C}}(f)\) est diagonale.