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Fiche méthode 2 : Montrer qu’un ensemble est un espace

F HECHNER, ÉCÉ 2, Collège Épiscopal Saint Étienne Année 2014-2015 Fiche méthode 2 : Montrer qu’un ensemble est un espace vectoriel 1 La théorie



1 Montrer qu’un espace est (ou n’est pas) un espace vectoriel

E n’est pas un espace vectoriel, on peut montrer que 0 ∈/ E, ou qu’il existe a et b dans E avec a + b non dans E, ou en montrant qu’il existe a ∈ E avec λa /∈ E pour un certain λ ∈ R Exercice 1 Montrez que les espaces suivants ne sont pas des espaces vectoriels :



1 Espaces vectoriels, sous-espaces vectoriels

Pour montrer qu’un ensemble E est un e v , il suffit g´en´eralement La dimension d’un (sous-)espace vectoriel est le cardinal de l’une de ses



Chapitre 1 Espaces vectoriels - UMR 5582

Exemple : R2 est un sous-espace vectoriel de R3 Pour montrer qu’un ensemble est un espace vectoriel, il suffit souvent de montrer que c’est un sous-espace vectoriel d’un espace vectoriel connu Pour cela, on utilise le th´eor`eme suivant Th´eor`eme (Caract´erisation des sous-espaces) Soit E un espace vectoriel Soit F un ensemble



La structure d’espace vectoriel - Free

pratique, pour montrer qu’un sous-espace vectoriel Fest egal a f0g, on se contente de montrer que Fˆf0g, sans m^eme mentionner l’inclusion r eciproque M ethode : pour montrer qu’un ensemble Fest un K-espace vectoriel, il est pratique lorsque c’est possible, de trouver un ensemble E, que l’on sait d ej a ^etre un K-espace



TD 19 Les espaces vectoriels - heb3org

Exercice 17 : [corrigé] Montrer que l’ensemble des fonctions affines A est un sous-espace vectoriel de RR Puis, donner une base de cet ensemble Exercice 18 : [corrigé] (Q 1) Montrer que l’ensemble des solutions de l’équation différentielle y′ − xy = 0est un sous-espace vectoriel de F(R, R)



Espaces vectoriels

1°) Montrer que est un sous-espace vectoriel de ℝ3 2°) Déterminer une famille génératrice de et montrer que cette famille est une base 3°) Montrer que { , } est une base de



Chapitre III Espaces vectoriels

est un sous espace vectoriel de si et seulement si ou Démonstration : À voir en TD Remarque : Le complémentaire d’un sous espace vectoriel de n’est jamais un sous-espace vectoriel de En effet, par définition, { ⃗ } , ce qui fait que { ⃗ } 4 Sous-espaces vectoriels engendrés par une partie

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F. HECHNER, ÉCÉ 2, Collège Épiscopal Saint Étienne Année 2014-2015

Fiche méthode 2 :

Montrer qu"un ensemble est un espace vectoriel

1 La théorie

On ne montre jamais directement qu"un ensemble est un espace vectoriel. On montre que c"est un sous-espace

vectoriel d"un espace vectoriel de référence.

1.1 Espaces vectoriels de référence

•pour toutn>1,Rnest un espace vectoriel (de dimension finien, la base canonique étantf~e1;:::; ~en)où

~e

1= (1;0;:::;0); ~e2= (0;1;0:::;0);:::; ~en= (0;:::;0;1));

•pour tousn>etp>1,Mn;p(R)est un espace vectoriel (de dimension finienp, la base canonique étant

fE1;1;:::;E1;p;E2;1;:::;E2;p;:::;En;1;:::;En;pgoù, pour touti;j,Ei;jest la matrice deMn;p(R)dont tous

les coefficients sont égaux à0, sauf celui à lai-ième ligne etj-ième colonne qui vaut 1.

•l"ensembleR[X]des polynômes (ou des fonctions polynomiales) est un espace vectoriel (de dimension infinie).

[Peu utile!]

•pour toutn>0, l"ensembleRn[X]des polynômes (ou des fonctions polynomiales)de degré inférieur ou égal

ànest un espace vectoriel (de dimensionn+ 1, la base canonique étant(e0;e1;:::;en)oùe0:x7!1; e1:

x7!x; e2:x7!x2;:::; en(x) =xn).

1.2 Méthode 1 : La méthode générique

On montre queFest un sous-espace vectoriel d"un espace vectoriel en montrant que :

1.FE. En général, c"est évident (on travaille soit avec des vecteurs deRn, soit des matrices, soit des

fonctions...)

2.Fest non vide. Pour cela, on montre que~02F.

3.Fest stable par combinaison linéaire, c"est-à-dire que si~x;~ysont deux vecteurs deFet quea;bsont

deux réels, alors le vecteura~x+b~yappartient àF. (On peut aussi montrer séparément que~x+~y2F

et quea~x2F.)

1.3 Méthode 2 : La méthode accélérée (qui marche surtout pour les exercices

avec des matrices)

On montre queFest un espace vectoriel en en exhibant une famille génératrice : on trouve (on l"invente!) une

famille(~e1;:::; ~en)de vecteurs tels que tout vecteur~xdeFs"écrive comme combinaison linéaire des vecteurs

(~e1;:::; ~en), autrement dit qu"il existex1;:::;xntels que~x=x1~e1++xn~en.

1.4 Méthode 3 : La méthode astucieuse (qui marche parfois)

On exhibe une application linéairetelle queF=Ker(). AlorsFest un sous-espace vectoriel deEparce

que le cours dit que le noyau d"une application linéaire est un sous-espace vectoriel de l"ensemble de départ.

1/?? F. HECHNER, ÉCÉ 2, Collège Épiscopal Saint Étienne Année 2014-2015

2 Les exemples

2.1 Un exemple classique, d"après Ecricome 2009.

À tout triplet(a;b;c)de réels, on associe la matriceM(a;b;c)définie par :

M(a;b;c) =0

@a a a 0b b 0 0c1 A On désigne parEl"ensemble des matricesM(a;b;c)oùa,b,csont des réels. Ainsi :

E=fM(a;b;c)aveca;b;créelsg:

Montrer queEforme un espace vectoriel.

Solutionpar la méthode accélérée :

Une matriceNappartient àEsi et seulement si elle s"écrit

N=M(a;b;c) =a0

@1 1 1 0 0 0

0 0 01

A +b0 @0 0 0 0 1 1

0 0 01

A +c0 @0 0 0 0 0 0

0 0 11

A

autrement dit si et seulement si elle est combinaison linéaire des trois matricesA:=M(1;0;0),B:=M(0;1;0)

etC:=M(0;0;1). Ainsi, par définition,Eest l"espace vectoriel engendré par les trois matricesA,B,C:

E=Vect(A;B;C). C"est donc un espace vectoriel. CommeE M3(R),

Eest bien un sous-espace vectoriel deM3(R).

Solutionpar la méthode générique :

•Par définition,E M3(R); •la matrice nulle estM(0;0;0)2EdoncEest non vide; •siN1:=M(a;b;c)etN2:=M(a0;b0;c0)sont dansEet que;sont deux réels, alorsN1+N22Ecar ce n"est autre que la matriceM(a+a0;b+b0; c+c0).

Ainsi,Eest bien un sous-espace vectoriel deM3(R).

2.2 Un autre exemple classique, d"après EDHEC 2006

SoitNune matrice deM3(R). On noteCNl"ensemble des matrices deM3(R)qui commutent avecN. (Une matriceAdeCNest donc une matrice vérifiantAN=NA.) Montrer queCNest un sous-espace vectoriel de M 3(R).

Solution(par la méthode générique puisqueNn"est pas explicitement donnée, voir le cours pour l"utilisation

d"une bonne application linéaire!) : •SiMest telle queMN=NM, alorsM2 M3(R)pour que les deux produitsMNetNMaient un sens.

Ainsi,CN M3(R).

•La matrice nulleOvérifieON=NO=O, donc appartient àCN. Ainsi,CNest non vide.

•SoientA;Bdeux matrices deCNeta;bdeux réels. On veut montrer queaA+bB2 CN, c"est-à-dire que

(aA+bB)N=N(aA+bB). Développons le premier membre :(aA+bB)N=aAN+bBN. CommeA2 CN, AN=NA. De même, commeB2 CN,BN=NB. Ainsi,aAN+bBN=aNA+bNB. CommeN(aA+bB)

est également égal (en développant) àaNA+bNB, on a bien montré que(aA+bB)N=N(aA+bB), donc

aA+bB2 CN. Finalement,CNest bien un sous-espace vectoriel deN.

Solutionpar la méthode astucieuse :

L"application':M2 M3(R)7!MNNM2 M3(R)est linéaire car siM1etM2sont deux matrices carrées d"ordre3et;deux réels,'(M1+M2) = (M1+M2)NN(M1+M2) =M1N+M2NNM1 NM

2et'(M1)+'(M2) =M1NNM1+M2NNM2, donc'(M1+M2) ='(M1)+'(M2).

On remarque alors queM2Ker'()'(M) = 0()MNNM= 0()MN=NM()M2 CN. Donc C

N=Ker'est un sous-espace vectoriel deM3(R).

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