Matrices de familles de vecteurs et d`applications
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Matrices de familles de vecteurs et d`applications
´ ements de cours MPSI-El´ Matrices de familles de vecteurs et d’applications lin´eaires 20 mars 2015 Matrices de familles de vecteurs et d’applications lin´ eaires R´edaction incompl`ete. Version beta Plan I. Matrices d’une famille de vecteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II. Matrices d’une application lin´eaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III. Matrices d’une famille de formes lin´eaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 5 Index 1 – matrice d’une forme lin´eaire, 5 – matrice de passage, 2 – trace d’un endomorphisme, 4 – formule du changement de base, 2, 4 – matrice d’un vecteur dans une base, 1 – matrice d’une application lin´eaire dans des bases, 3 – matrice d’une famille de vecteurs dans une base, I. Matrices d’une famille de vecteurs D´ efinition (Matrice d’un vecteur dans une base). Soit E un K-espace vectoriel de dimension p, B = (e1 , · · · , ep ) une base de E et u ∈ E. La matrice de u dans B est la matrice colonne des coordonn´ees de u dans B. Elle est not´ee MatB (u). λ1 .. Mat(u) = . ⇔ u = λ1 e1 + · · · + λp ep B λp Exemples. 1. (e1 , e2 , e3 ) 2. Polynˆ omes d’interpolation. 3. Matrices d’une matrice. En particulier matrice d’une matrice colonne ou ligne dans la base canonique. Comme un vecteur est caract´eris´e par ses coordonn´ees dans une base donn´ee et que les fonctions coordonn´ees dans une base sont lin´eaires, la proposition suivante est v´erifi´ee. Proposition. Soit B une base d’un K-espace vectoriel E de dimension p. L’application ( E → Mp,1 (K) x 7→ Mat(x) B est un isomorphisme. Remarque. La lin´earit´e de cette application se traduit par : Mat(λ1 x1 + λ1 x1 + · · · λq xq ) = λ1 Mat(x1 ) + λ2 Mat(x2 ) + · · · + λq Mat(xq ) B B B B D´ efinition (Matrice d’une famille de vecteurs dans une base). Soit E un K-espace vectoriel de dimension p, B = (e1 , · · · , ep ) une base de E et U = (u1 , · · · , uq ) une famille de vecteurs de E. La matrice de U dans B est la matrice dont la colonne j (quelconque entre 1 et q) est MatB (uj ). Elle est not´ee Mat(U) = Mat(u1 , · · · , uq ) B et v´erifie B ∀j ∈ {1, · · · , q} : Cj Mat(U) = Mat(uj ) B B Remarque. Dans les conditions de la d´efinition pr´ec´edente, MatB (U) est une matrice `a p lignes et q colonnes. 1 Cette cr´ eation est mise ` a disposition selon le Contrat Paternit´ e-Pas d’utilisations commerciale-Partage des Conditions Initiales ` a l’Identique 2.0 France disponible en ligne http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.0/fr/ R´ emy Nicolai C2233 ´ ements de cours MPSI-El´ Matrices de familles de vecteurs et d’applications lin´eaires 20 mars 2015 Proposition. Soit B une base d’un K-espace vectoriel E, (u1 , · · · , uq ) une famille de vecteurs de E et (λ1 , · · · , λq ) une famille d’´el´ements de K. λ1 .. Mat(u1 , · · · , uq ) . = Mat(λ1 u1 + · · · + λq uq ) B B λq Preuve. D’apr`es une des propri´et´es du produit matriciel, λ1 .. Mat(u1 , · · · , uq ) . = C1 (Mat(u1 , · · · , uq ))λ1 + C2 (Mat(u1 , · · · , uq ))λ2 + · · · + Cq (Mat(u1 , · · · , uq ))λq B B B B λq = λ1 Mat(u1 ) + λ2 Mat(u2 ) + · · · + λq Mat(uq ) = Mat(λ1 u1 + · · · + λq uq ) B B B B en utilisant une remarque pr´ec´edente. D´ efinition (Matrice de passage). Soit B et B 0 deux bases d’un K-espace vectoriel E de dimension finie. La matrice de passage de B vers B 0 est la matrice de la famille B 0 dans la base B. Elle est not´ee PBB0 . PBB0 = Mat(B 0 ) B Exemples. 1. Un exemple num´erique ` a r´ediger. 2. Par d´efinition : PBB = MatB (B) = Ip . Proposition (Formules de changement de base). Soit B et B 0 deux bases d’un K-espace vectoriel E de dimension finie, soit u un vecteur de E et (u1 , · · · , uq ) une famille de E : Mat(u) = PBB0 Mat (u) 0 B B Mat(u1 , · · · , uq ) = PBB0 Mat (u1 , · · · , uq ) 0 B B 0 Preuve. Notons p la dimension de E avec B = (e01 , · · · , e0p ) et λ1 .. . = Mat(u) B0 λp les coordonn´ees de u. On peut alors ´ecrire λ1 PBB0 Mat (u) = Mat(e01 , · · · , e0q ) ... = Mat(λ1 e01 + · · · + λq e0q ) = Mat(u) 0 B B B B λp Pour la famille de vecteurs, il suffit d’appliquer le premier r´esultat colonne par colonne. Proposition. Soit B et B 0 deux bases d’un K-espace vectoriel E de dimension finie. La matrice de passage PBB0 est inversible d’inverse PB0 B Preuve. On utilise la formule de changement de base en prenant B dans le rˆole de la famille (u1 , u2 , · · · , up ). On en d´eduit PBB0 PB0 B = PBB0 Mat (B) = Mat(B) = Ip 0 B B On obtient l’autre produit en ´echangeant les rˆ oles de B et B 0 . Remarque. Si on connait les coordonn´ees d’un vecteur u dans une base B et les coordonn´ees des vecteurs de B dans une base B 0 (c’est ` a dire PB0 B ), il est facile (en rempla¸cant, d´eveloppant, regroupant) d’obtenir les coordonn´ees de u dans B 0 . Cela se traduit par la relation matricielle Mat (u) = PB0 B Mat(u) 0 B B En revanche si on connait seulement la matrice de passage PBB0 , un calcul suppl´ementaire est n´ecessaire. 2 Cette cr´ eation est mise ` a disposition selon le Contrat Paternit´ e-Pas d’utilisations commerciale-Partage des Conditions Initiales ` a l’Identique 2.0 France disponible en ligne http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.0/fr/ R´ emy Nicolai C2233 ´ ements de cours MPSI-El´ Matrices de familles de vecteurs et d’applications lin´eaires 20 mars 2015 Remarques. On peut traduire matriciellement le caract`ere libre ou li´e d’une famille de vecteurs. Soit E un K-espace vectoriel de dimension p, soit B une base de E. 1. Soit u1 , · · · , up une famille de p vecteurs de E. (u1 , · · · , up ) base de E ⇔ (u1 , · · · , up ) libre ⇔ Mat(u1 , · · · , uq ) inversible B 2. Soit u1 , · · · , uq une famille de q vecteurs de E. 0 0 (u1 , · · · , up ) li´ee ⇔ ∃X ∈ Mq,1 , X 6= ... tel que Mat(u1 , · · · , uq )X = ... B 0 0 II. 1. Matrices d’une application lin´ eaire D´ efinition. Image d’un vecteur. D´ efinition (matrice d’une application lin´eaire dans des bases). Soit E et F deux K-espaces vectoriels, soit U = (u1 , · · · , uq ) une base de E et V = (v1 , · · · , vp ) une base de F , soit f une application lin´eaire de E dans F . La matrice de f dans les bases U et V est la matrice `a p lignes et q colonnes d´efinie par Mat f = Mat(f (U)) = Mat(f (u1 ), · · · , f (uq )) UV V V Dans le cas d’un endomorphisme f ∈ L(E), lorsque la base est la mˆeme au d´epart et `a l’arriv´ee, on note Mat f = Mat f U UU Remarque. Soit U et V des bases d’un K-espace vectoriel E Mat IdE = Ip U Mat IdE = PU V matrice de passage VU Proposition. Soit E et F deux K-espaces vectoriels, soit U = (u1 , · · · , uq ) une base de E et V = (v1 , · · · , vp ) une base de F , soit f une application lin´eaire de E dans F et u un vecteur de E : Mat(f (u)) = Mat f Mat u V UV U Preuve. ` a r´ediger Proposition. Soit E et F deux K-espaces vectoriels, soit U = (u1 , · · · , uq ) une base de E et V = (v1 , · · · , vp ) une base de F . L’application ”MatU V ” de L(E, F ) dans Mpq (K) qui, ` a une application lin´eaire, associe sa matrice dans les bases consid´er´ees est un isomorphisme de K-espace vectoriel. Preuve. ` a r´ediger Proposition. Soit E, F , G trois K-espaces vectoriels, soit U une base de E et V une base de F et W une base de G, soit f ∈ L(E, F ) et g ∈ L(F, G) : Mat g ◦ f = Mat g Mat f UW VW UV Preuve. ` a r´ediger Proposition. Soit U une base d’un K-espace vectoriel E. L’application L(E) → Mp (K) f → Mat f U est un isomorphisme d’alg`ebre. Preuve. ` a r´ediger 3 Cette cr´ eation est mise ` a disposition selon le Contrat Paternit´ e-Pas d’utilisations commerciale-Partage des Conditions Initiales ` a l’Identique 2.0 France disponible en ligne http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.0/fr/ R´ emy Nicolai C2233 ´ ements de cours MPSI-El´ Matrices de familles de vecteurs et d’applications lin´eaires 2. Application lin´ eaire canoniquement associ´ ee ` a une matrice 3. Des bases pour une matrice simple 20 mars 2015 Proposition. Soit E de dimension q et F de dimension p deux K-espaces vectoriels. Soit f ∈ L(E, F ) une application lin´eaire de rang r. Alors r ≤ min(p, q) et il existe des bases U de E et V de F telles que : 1 0 0 0 . . . 0 0 1 0 0 Mat f = . .. .. (not´ee Jr (p, q)) UV .. . 0 0 . . .. 0 ··· 0 ··· 0 Preuve. On rappelle que le rang de f est la dimension de f (E) qui est un sous-espace vetoriel de F . On en d´eduit r ≤ p = dim F . D’autre part, d’apr`es le th´eor`eme du rang, dim E = dim(ker f ) + rg f . On en d´eduit que rg f ≤ q = dim E. Consid´erons une base (v1 , · · · , vr ) de f (E). Comme chacun de ses vecteur est une image, il existe une famille (u1 , · · · , ur ) de vecteurs de E tels que f (ui ) = vi pour i entre 1 et r. D’apr`es le th´eor`eme du rang ker f est de dimension q − r, consid´erons une base (ur+1 , · · · , uq ) de ker f et formons la famille U = (u1 , · · · , ur , ur+1 , · · · , uq ) Montrons que c’est une base de E. Comme elle est form´ee de q = dim E vecteurs, il suffit de prouver qu’elle est libre. Consid´erons des scalaires λ1 , · · · , λq tels que λ1 u1 + · · · + λq uq = 0E En composant par f , on ´elimine les vecteurs du noyau d’o` u λ1 v1 + · · · + λr vq = 0F Comme la famille (v1 , · · · , vr ) est libre car c’est une base de f (E), les λi sont nuls pour i entre 1 et r. Pour les autres, on exploite le fait que (ur+1 , · · · , uq ) est libre car c’est une base du noyau. La famille est donc bien libre, c’est une base. On compl`ete la famille libre (v1 , · · · , vr ) en une base V = (v1 , · · · , vp ). On aura alors f (ui ) = vi pour i entre 1 et r et f (ui ) = 0F pour les autres i. La matrice de f dans les base U et V est bien celle annonc´ee. 4. Changements de bases Proposition (formule du changement de base). Soit E et F deux K-espaces vectoriels et f ∈ L(E, F ), soit U et U 0 deux bases de E, soit V et V 0 deux bases de F : −1 Mat f = PV 0 V Mat f PU U 0 = PVV 0 Mat f PU U 0 0 0 U V UV UV Preuve. ` a r´ediger Proposition (formule du changement de base pour un endomorphisme). Soit E un K-espace vectoriel, soit U, V deux bases de E, soit f ∈ L(E). La formule du changement de base pour les matrices de f obtenues avec la mˆeme base au d´epart et ` a l’arriv´ee s’´ecrit : Mat f = PVU Mat(f )PU V = PU−1 V Mat(f )PU V V U U Preuve. ` a r´ediger 4 Cette cr´ eation est mise ` a disposition selon le Contrat Paternit´ e-Pas d’utilisations commerciale-Partage des Conditions Initiales ` a l’Identique 2.0 France disponible en ligne http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.0/fr/ R´ emy Nicolai C2233 ´ ements de cours MPSI-El´ III. Matrices de familles de vecteurs et d’applications lin´eaires 20 mars 2015 Matrices d’une famille de formes lin´ eaires D´ efinition. Soit U = (u1 , · · · , up ) une base d’un K-espace vectoriel E et ϕ ∈ E ∗ une forme lin´eaire sur E. La matrice de ϕ dans la base U est d´efinie par Mat ϕ = Mat ϕ = ϕ(u1 ) ϕ(u2 ) · · · ϕ(up ) U U (1) o` u (1) d´esigne la base canonique de K consid´er´e comme K-espace vectoriel. Remarque. Attention ` a ne pas confondre la matrice ligne MatU ϕ avec la matrice colonne MatU ∗ ϕ o` u U ∗ d´esigne ∗ la base de E . ϕ(u1 ) ϕ(u2 ) Mat ϕ = ϕ(u1 ) ϕ(u2 ) · · · ϕ(up ) Mat ϕ = .. U U∗ . ϕ(up ) IV. Matrices ´ equivalentes et rang D´efinition de l’´equivalence entre deux matrices de mˆeme taille. Remarque. Deux matrices sont ´equivalentes si et seulement si elles repr´esentent la mˆeme application lin´eaire dans des bases diff´erentes. Proposition. La relation d’´equivalence est une relation d’´equivalence. Preuve. ` a r´ediger D´ efinition. Le rang(des colonnes) d’une matrice est le rang de la famille de ses colonnes. Proposition. Si une matrice repr´esente une famille de vecteurs dans une base, le rang de la matrice est ´egal au rang de la famille de vecteurs. Si une matrice repr´esente une application lin´eaires dans des bases, le rang de la matrice est ´egal au rang de l’application lin´eaire. Preuve. ` a r´ediger Proposition. Deux matrices ´equivalentes sont de mˆeme rang. Preuve. En effet elles repr´esentent une mˆeme application lin´eaire dans des bases diff´erentes. Remarque. Le rang est donc invariant par une multiplication d’un cˆot´e ou de l’autre par une matrice inversible. C’est un cas particulier d’´equivalence. Proposition. Une matrice de Mp, q(K) est de rang r ∈ J0, min(p, q)K si et seulement si elle est ´equivalente ` a Jr (p, q). Proposition. Le rang d’une matrice est ´egal ` a celui de sa transpos´ee. Preuve. ` a r´ediger Remarque. Une matrice et sa transpos´ee ne sont pas de mˆeme taille. Proposition. Le rang des lignes est ´egal au rang des colonnes. Matrices extraites Extraire diminue le rang. De toute matrice non nulle, on peut extraire des matrices carr´ees inversibles. Proposition. Soit A une matrice non nulle et I l’ensemble des s tels qu’il existe une matrice carr´ee inversible s × s extraite de A. Le rang de A est alors le plus grand ´el´ement de I. Preuve. ` a r´ediger 5 Cette cr´ eation est mise ` a disposition selon le Contrat Paternit´ e-Pas d’utilisations commerciale-Partage des Conditions Initiales ` a l’Identique 2.0 France disponible en ligne http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.0/fr/ R´ emy Nicolai C2233 ´ ements de cours MPSI-El´ V. Matrices de familles de vecteurs et d’applications lin´eaires 20 mars 2015 Matrices semblables et trace D´ efinition. Deux matrices carr´ees de mˆeme taille A et B dans Mp (K) sont semblables si et seulement si il existe P ∈ GLp (K) telle que B = P −1 A B On rappelle que la trace d’une matrice carr´ee est la somme de ses termes diagonaux. La fonction trace not´ee tr est une forme lin´eaire sur Mp (K). Elle v´erifie ∀(A, B) ∈ Mp (K)2 , tr(AB) = tr(BA) Proposition. Deux matrices semblables ont la mˆeme trace. Preuve. ` a r´ediger. Remarque. On en d´eduit que les traces des matrices repr´esentant un endomorphisme dans une base sont ´egales entre elles donc ind´ependantes de la base choisie. Si U et V sont deux bases d’un K-espace vectoriel E et f un endomorphisme de E : −1 tr Mat f = tr PVU Mat f PU V = tr Mat f PU V PU−1 V = tr Mat f V U U U Cet ´el´ement de K est appel´e trace de f et not´e tr(f ). C’est la trace de l’endomorphisme. Cette fonction nouvelle fonction trace est une forme lin´eaire sur l’espace des endomorphismes. Proposition. Si p est un projecteur dans un espace E de dimension finie, sa trace est le dimension de son image. Si A et B sont deux sous-espaces supplementaires et p la projection sur A parall`element ` a B, alors tr(p) = dim(A). Preuve. On consid`ere une base E = (a1 , · · · , aα , b1 , · · · , bβ ) de E de B. Alors 1 0 . 0 1 . . .. .. . . 0 0 1 Mat(p) = E 0 0 . .. .. . 0 ··· 0 6 avec (a1 , · · · , aα ) base de A et (b1 , · · · , bβ ) base 0 0 .. .. . . 0 0 .. .. . . 0 Cette cr´ eation est mise ` a disposition selon le Contrat Paternit´ e-Pas d’utilisations commerciale-Partage des Conditions Initiales ` a l’Identique 2.0 France disponible en ligne http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.0/fr/ 0 R´ emy Nicolai C2233