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Espaces vectoriels et applications linéaires

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

Un espace vectoriel $(E, +, \cdot)$ sur $\mathbb{R}$ est un ensemble muni d'une addition interne et d'une multiplication externe vérifiant 8 axiomes. Un sous-espace vectoriel $F \subset E$ doit contenir le vecteur nul $0_E$ et être stable par combinaison linéaire : $\forall (\alpha, \beta) \in \mathbb{R}^2, \forall (u, v) \in F^2, \alpha u + \beta v \in F$. Une famille $(e_1, ..., e_n)$ est une base si elle est libre et génératrice. La dimension est le nombre de vecteurs d'une base. Pour une application linéaire $f : E \to F$ :

  • $\ker(f) = {x \in E / f(x) = 0_F}$
  • $\text{Im}(f) = {f(x) / x \in E}$
  • Théorème du rang : $\dim(E) = \dim(\ker(f)) + \dim(\text{Im}(f))$.

Méthodes à maîtriser

  1. Montrer qu'un ensemble est un SEV : Vérifier $0_E \in F$ puis la stabilité par combinaison linéaire.
  2. Montrer qu'une famille est une base : Si $\dim(E)=n$, montrer que la famille est libre (ou génératrice) et possède $n$ éléments.
  3. Déterminer le noyau : Résoudre l'équation $f(x) = 0_E$ en posant $x = (x_1, ..., x_n)$.
  4. Déterminer l'image : Chercher l'image des vecteurs de la base canonique.

Exemples corrigés

Exemple 1 : Soit $F = {(x, y, z) \in \mathbb{R}^3 / x + y = 0}$. $F$ est un SEV car $0+0=0$ et pour $u, v \in F$, $\alpha u + \beta v$ vérifie la même condition. Exemple 2 : Soit $f(x, y) = (x+y, x-y)$. $\ker(f) : x+y=0$ et $x-y=0 \implies x=y=0$. $\ker(f) = {(0,0)}$, donc $f$ est injective.

Erreurs fréquentes

  • Oublier de vérifier que le vecteur nul appartient à l'ensemble.
  • Confondre "famille libre" et "base" (oublier de vérifier le nombre d'éléments ou le caractère générateur).
  • Appliquer le théorème du rang sur une application qui n'est pas linéaire.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Espaces vectoriels et applications linéaires

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Soit $f$ un endomorphisme de $\mathbb{R}^3$ tel que $\dim(\ker(f)) = 0$. Alors :

❓ Questions fréquentes

Est-ce que l'ensemble des vecteurs (x, y) tels que x+y=1 est un sous-espace vectoriel ?

Non, car le vecteur nul $(0, 0)$ ne vérifie pas l'équation $0+0=1$. Un sous-espace vectoriel doit impérativement contenir le vecteur nul.

💡 À retenir : Si $0_E \notin F$, alors $F$ n'est pas un SEV.

Kifach n7seb la dimension dial wahed l'espace vectoriel ?
  1. 9elleb 3la une base (أساس) ديال هاد الفضاء.
  2. 7seb ch7al men vecteur kayn f had l'base.
  3. Dak l'3adad howa la dimension.

💡 À retenir : La dimension est le nombre de vecteurs dans n'importe quelle base.

Quelle est la différence entre une application linéaire et un endomorphisme ?

Une application linéaire est une fonction $f: E \to F$ entre deux espaces vectoriels. Un endomorphisme est un cas particulier où l'espace de départ et d'arrivée sont les mêmes ($f: E \to E$).

💡 À retenir : Endomorphisme = Application linéaire de $E$ dans $E$.

Chno hiya l'image d'une application linéaire ?

L'image $\text{Im}(f)$ est l'ensemble de tous les vecteurs $y$ dans l'espace d'arrivée qui ont au moins un antécédent $x$ dans l'espace de départ tel que $f(x) = y$.

💡 À retenir : $\text{Im}(f) = \text{vect}(f(e_1), ..., f(e_n))$ où $(e_i)$ est une base de $E$.

Est-ce qu'une famille libre est toujours une base ?

Non. Une famille libre est une base seulement si elle est aussi génératrice de l'espace. Si la dimension de l'espace est $n$, une famille libre de $n$ vecteurs est automatiquement une base.

💡 À retenir : Libre + Génératrice = Base.

Kifach nbiyen belli wahed l'application f hiya linéaire ?

Khassk tbeyen جوج شروط:

  1. $f(u+v) = f(u) + f(v)$ (additivité).
  2. $f(\alpha u) = \alpha f(u)$ (homogénéité).

💡 À retenir : $f(\alpha u + \beta v) = \alpha f(u) + \beta f(v)$.

Qu'est-ce que le rang d'une application linéaire ?

C'est la dimension de l'image de l'application. Il mesure la "taille" de l'espace atteint par l'application.

💡 À retenir : $\text{rg}(f) = \dim(\text{Im}(f))$.

Si ker(f) = {0}, que peut-on dire de f ?

Si le noyau est réduit au vecteur nul, alors l'application linéaire $f$ est injective.

💡 À retenir : $f$ est injective $\iff \ker(f) = {0}$.

Est-ce que l'union de deux sous-espaces vectoriels est un sous-espace vectoriel ?

En général, non. Par exemple, deux droites vectorielles distinctes dans $\mathbb{R}^2$ ne forment pas un SEV par leur union, car la somme de deux vecteurs (un sur chaque droite) n'est pas forcément dans l'union.

💡 À retenir : L'union n'est un SEV que si l'un est inclus dans l'autre.

Comment déterminer la matrice d'une application linéaire ?
  1. Choisir une base $(e_1, ..., e_n)$ au départ et $(f_1, ..., f_m)$ à l'arrivée.
  2. Calculer les images $f(e_j)$ pour chaque $j$.
  3. Exprimer chaque $f(e_j)$ comme combinaison linéaire des $f_i$.
  4. Les coefficients forment les colonnes de la matrice.

💡 À retenir : Colonne $j$ = coordonnées de $f(e_j)$.

Est-ce qu'un isomorphisme conserve la dimension ?

Oui, par définition, un isomorphisme est une application linéaire bijective. Pour qu'une telle application existe, il faut que $\dim(E) = \dim(F)$.

💡 À retenir : Deux espaces sont isomorphes s'ils ont la même dimension.

Si dim(E) = 3 et dim(ker(f)) = 1, quel est le rang de f ?

D'après le théorème du rang : $\dim(E) = \dim(\ker(f)) + \text{rg}(f)$. Donc $3 = 1 + \text{rg}(f)$, ce qui donne $\text{rg}(f) = 2$.

💡 À retenir : $\text{rg}(f) = \dim(E) - \dim(\ker(f))$.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Soit $f: \mathbb{R}^3 \to \mathbb{R}^2$ définie par $f(x, y, z) = (x+y, y+z)$.

  1. Montrer que $f$ est une application linéaire.
  2. Déterminer une base de $\ker(f)$.
  3. Déterminer le rang de $f$.
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Exercice 2

Soit $E = \mathbb{R}^2$. On considère les vecteurs $u_1 = (1, 2)$ et $u_2 = (2, 1)$.

  1. Montrer que $\mathcal{B} = (u_1, u_2)$ est une base de $\mathbb{R}^2$.
  2. Soit $v = (3, 3)$. Déterminer les coordonnées de $v$ dans la base $\mathcal{B}$.
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Exercice 3

Soit $F = {P \in \mathbb{R}_2[X] / P(1) = 0}$.

  1. Montrer que $F$ est un sous-espace vectoriel de $\mathbb{R}_2[X]$.
  2. Déterminer une base de $F$ et sa dimension.
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