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ECG2 · Maths approfondies · semaine 1

Compléments d’algèbre linéaire

Somme directe de k sous-espaces vectoriels, dimension et concaténation de bases. Matrice d'un endomorphisme dans une base, matrice de passage, formules de changement de base et matrices semblables. Trace d'une matrice carrée, linéarité, propriété Tr(AB) = Tr(BA) et invariance par changement de base.

Sommaire

Le cours

Résumé en cinq points

  1. Une somme de kk sous-espaces est directe lorsque la décomposition du vecteur nul est unique. Pour k⩾3k \geqslant 3, les intersections deux à deux ne suffisent pas.
  2. La somme est directe si et seulement si la concaténation de bases est libre. Dans ce cas la dimension de la somme est la somme des dimensions.
  3. La matrice de passage PB,B′P_{B,B'} contient les vecteurs de B′B' écrits dans BB, et elle transforme les nouvelles coordonnées en anciennes : XB=PB,B′ XB′X_B = P_{B,B'}\,X_{B'}.
  4. Deux matrices sont semblables quand B=P−1APB = P^{-1}AP, ce qui signifie exactement qu'elles représentent le même endomorphisme dans deux bases.
  5. La trace est linéaire, vérifie tr⁡(AB)=tr⁡(BA)\tr(AB) = \tr(BA), donc est invariante par similitude. Elle vaut la somme des valeurs propres avec leurs multiplicités quand la matrice est diagonalisable.
Pourquoi ce chapitre

Ce chapitre est court, mais il conditionne toute la suite de l'année.

  • La somme directe de kk sous-espaces sert à énoncer le critère de diagonalisation.
  • Les formules de changement de base servent à passer d'un endomorphisme à une matrice et inversement, donc à traduire « ff est diagonalisable » en « AA est semblable à une matrice diagonale ».
  • La trace sert d'outil de vérification rapide sur les valeurs propres.

En première année, on a vu la somme directe de deux sous-espaces et la matrice d'une application linéaire. Ici on généralise à kk sous-espaces et on formalise les changements de repère. Aux concours, ces notions apparaissent rarement seules : ce sont les outils d'un exercice de réduction, d'un calcul de puissances de matrices ou d'une étude de suites récurrentes couplées.

1Somme directe de k sous-espaces vectoriels

Dans toute cette partie, EE est un espace vectoriel réel et F1,…,FkF_1, \dots, F_k sont des sous-espaces vectoriels de EE.

1.1Somme de k sous-espaces

Définition 1.1Somme de kk sous-espaces

La somme F1+F2+⋯+FkF_1 + F_2 + \dots + F_k est l'ensemble des vecteurs de la forme x1+x2+⋯+xkx_1 + x_2 + \dots + x_k, où chaque xix_i appartient à FiF_i.

C'est un sous-espace vectoriel de EE. C'est le plus petit sous-espace vectoriel de EE contenant tous les FiF_i.

1.2Somme directe

Définition 1.2Somme directe

La somme F1+⋯+FkF_1 + \dots + F_k est directe lorsque tout vecteur xx de cette somme s'écrit d'une seule manière x=x1+⋯+xkx = x_1 + \dots + x_k avec xi∈Fix_i \in F_i pour chaque ii. On la note alors F1⊕⋯⊕FkF_1 \oplus \dots \oplus F_k.

Propriété 1.3Caractérisation par le vecteur nul

La somme est directe si et seulement si la seule décomposition du vecteur nul est la décomposition triviale. Autrement dit, si x1+⋯+xk=0x_1 + \dots + x_k = 0 avec xi∈Fix_i \in F_i pour tout ii, alors tous les xix_i sont nuls.

Démonstration

Le sens direct est immédiat car 0=0+⋯+00 = 0 + \dots + 0 est une décomposition. Réciproquement, si un vecteur xx admet deux décompositions x=x1+⋯+xk=y1+⋯+ykx = x_1 + \dots + x_k = y_1 + \dots + y_k, alors (x1−y1)+⋯+(xk−yk)=0,(x_1 - y_1) + \dots + (x_k - y_k) = 0, avec xi−yi∈Fix_i - y_i \in F_i. L'hypothèse donne xi=yix_i = y_i pour tout ii.

1.3Le piège des intersections deux à deux

Propriété 1.4Cas k=2k = 2

La somme F1+F2F_1 + F_2 est directe si et seulement si F1∩F2={0}F_1 \cap F_2 = \{0\}.

Attention

Ce critère ne se généralise pas. Pour k⩾3k \geqslant 3, il ne suffit pas que les FiF_i soient deux à deux d'intersection nulle.

Exemple 1.5Contre-exemple à connaître

Dans R2\R^2, prenons F1=Vect⁡((1,0))F_1 = \Vect((1, 0)), F2=Vect⁡((0,1))F_2 = \Vect((0, 1)) et F3=Vect⁡((1,1))F_3 = \Vect((1, 1)). Ces trois droites sont deux à deux d'intersection réduite au vecteur nul. Pourtant (1,0)+(0,1)−(1,1)=0(1, 0) + (0, 1) - (1, 1) = 0 est une décomposition non triviale du vecteur nul. La somme n'est donc pas directe. On le voit aussi sur les dimensions : la somme vaut R2\R^2, de dimension 2, alors que la somme des dimensions vaut 3.

À retenir

Pour k⩾3k \geqslant 3, on revient toujours à la décomposition du vecteur nul, ou aux bases, ou aux dimensions. Jamais aux intersections deux à deux.

1.4Concaténation de bases, base adaptée

Supposons chaque FiF_i de dimension finie, et notons BiB_i une base de FiF_i.

Définition 1.6Concaténation des bases

La famille obtenue en écrivant à la suite les vecteurs de B1B_1, puis ceux de B2B_2, et ainsi de suite jusqu'à BkB_k, s'appelle la concaténation des bases. Elle est notée ici B1∪⋯∪BkB_1 \cup \dots \cup B_k par abus d'écriture.

Théorème 1.7Caractérisation par les bases

La somme F1+⋯+FkF_1 + \dots + F_k est directe si et seulement si la concaténation des bases B1,…,BkB_1, \dots, B_k est une famille libre. Dans ce cas, cette concaténation est une base de F1⊕⋯⊕FkF_1 \oplus \dots \oplus F_k.

Démonstration

Une combinaison linéaire nulle des vecteurs concaténés se regroupe paquet par paquet. Le paquet numéro ii donne un vecteur xix_i de FiF_i, et la somme des xix_i est nulle. Si la somme est directe, chaque xix_i est nul, donc les coefficients du paquet ii sont nuls puisque BiB_i est libre. La réciproque se lit dans l'autre sens, en décomposant chaque xix_i sur BiB_i.

Définition 1.8Base adaptée

Lorsque E=F1⊕⋯⊕FkE = F_1 \oplus \dots \oplus F_k, une base de EE obtenue par concaténation de bases des FiF_i est dite adaptée à cette décomposition.

Dans une telle base, la matrice d'un endomorphisme qui laisse chaque FiF_i stable est diagonale par blocs. C'est exactement ce qui se produira en réduction, avec des blocs scalaires.

1.5Dimension d'une somme directe

Propriété 1.9Dimension d'une somme directe

Hypothèses

  • la somme F1+⋯+FkF_1 + \dots + F_k est directe ;
  • chaque FiF_i est de dimension finie.

Alors dim⁡(F1⊕⋯⊕Fk)=∑i=1kdim⁡Fi.\dim(F_1 \oplus \dots \oplus F_k) = \sum_{i=1}^{k} \dim F_i.

C'est une conséquence immédiate du théorème précédent : la base concaténée compte exactement dim⁡F1+⋯+dim⁡Fk\dim F_1 + \dots + \dim F_k vecteurs.

Remarque

Sans hypothèse de somme directe, on a seulement dim⁡(F1+⋯+Fk)⩽∑i=1kdim⁡Fi.\dim(F_1 + \dots + F_k) \leqslant \sum_{i=1}^{k} \dim F_i.

1.6Critères pratiques quand E est de dimension finie

Soit EE de dimension nn.

Propriété 1.10Critère 1

Hypothèses

  • la somme F1+⋯+FkF_1 + \dots + F_k est directe ;
  • dim⁡F1+⋯+dim⁡Fk=n\dim F_1 + \dots + \dim F_k = n.

Alors E=F1⊕⋯⊕FkE = F_1 \oplus \dots \oplus F_k.

Démonstration

La somme est un sous-espace de EE de dimension nn, donc égale à EE.

Propriété 1.11Critère 2

Hypothèses

  • F1+⋯+Fk=EF_1 + \dots + F_k = E ;
  • dim⁡F1+⋯+dim⁡Fk=n\dim F_1 + \dots + \dim F_k = n.

Alors la somme est directe.

Démonstration

On concatène des bases : on obtient une famille génératrice de EE de cardinal nn, donc une base.

2Matrice d'un endomorphisme et changement de base

Dans toute cette partie, EE est un espace vectoriel réel de dimension n⩾1n \geqslant 1.

2.1Matrice d'un endomorphisme dans une base

Définition 2.1Matrice d'un endomorphisme

Soit B=(e1,…,en)B = (e_1, \dots, e_n) une base de EE et ff un endomorphisme de EE. La matrice de ff dans la base BB, notée MatB(f)\mathrm{Mat}_B(f), est la matrice carrée d'ordre nn dont la jj-ième colonne est formée des coordonnées de f(ej)f(e_j) dans la base BB.

Si XBX_B désigne la colonne des coordonnées de xx dans BB, alors la colonne des coordonnées de f(x)f(x) est MatB(f) XB\mathrm{Mat}_B(f)\,X_B. L'application qui à ff associe MatB(f)\mathrm{Mat}_B(f) est un isomorphisme d'espaces vectoriels de L(E)\mathcal{L}(E) sur Mn(R)\mathcal{M}_n(\R), et elle transforme la composition en produit matriciel.

2.2Matrice de passage

Définition 2.2Matrice de passage

Soient BB et B′B' deux bases de EE. La matrice de passage de BB vers B′B', notée PB,B′P_{B,B'}, est la matrice carrée dont les colonnes sont les coordonnées, dans la base BB, des vecteurs de la nouvelle base B′B'.

Propriété 2.3Propriétés des matrices de passage

PB,B′P_{B,B'} est inversible, et son inverse est la matrice de passage dans l'autre sens : (PB,B′)−1=PB′,B.(P_{B,B'})^{-1} = P_{B',B}. On a aussi la relation de composition PB,B′′=PB,B′ PB′,B′′.P_{B,B''} = P_{B,B'}\,P_{B',B''}.

Moyen mnémotechnique : dans PB,B′P_{B,B'}, ce sont les vecteurs de B′B' qui sont écrits, dans l'ancienne base BB. On lit « nouveaux vecteurs exprimés dans l'ancienne base ».

2.3Changement de coordonnées d'un vecteur

Propriété 2.4Changement de coordonnées

Pour tout vecteur xx de EE, XB=PB,B′ XB′.X_B = P_{B,B'}\,X_{B'}. Pour obtenir les nouvelles coordonnées à partir des anciennes, on inverse : XB′=(PB,B′)−1XB.X_{B'} = (P_{B,B'})^{-1} X_B.

Attention

La matrice de passage transforme les nouvelles coordonnées en anciennes coordonnées. C'est contre-intuitif au premier abord, et c'est la principale source d'erreur du chapitre.

Exemple 2.5Changement de coordonnées dans R2\R^2

Soit BB la base canonique et B′=(u,v)B' = (u, v) avec u=(1,1)u = (1, 1) et v=(1,−1)v = (1, -1). Alors PB,B′P_{B,B'} est la matrice de lignes (1,1)(1, 1) et (1,−1)(1, -1). Son carré vaut 2I22 I_2, donc son inverse est sa moitié. Le vecteur x=(3,1)x = (3, 1) a pour nouvelles coordonnées (2,1)(2, 1), puisque 2u+v=(3,1)2u + v = (3, 1).

2.4Formule de changement de base pour un endomorphisme

Théorème 2.6Changement de base d'un endomorphisme

Hypothèses

  • BB et B′B' sont deux bases de EE ;
  • ff est un endomorphisme de EE ;
  • P=PB,B′P = P_{B,B'}.

Alors MatB′(f)=P−1 MatB(f) P.\mathrm{Mat}_{B'}(f) = P^{-1}\,\mathrm{Mat}_B(f)\,P.

Démonstration

Pour tout xx, on a XB=PXB′X_B = P X_{B'}. En notant YY les coordonnées de f(x)f(x), il vient YB=MatB(f)XBY_B = \mathrm{Mat}_B(f) X_B, donc PYB′=MatB(f)PXB′P Y_{B'} = \mathrm{Mat}_B(f) P X_{B'}, puis YB′=P−1 MatB(f) P XB′.Y_{B'} = P^{-1}\,\mathrm{Mat}_B(f)\,P\,X_{B'}. Comme cela vaut pour toute colonne XB′X_{B'}, les deux matrices coïncident.

2.5Matrices semblables

Définition 2.7Matrices semblables

Deux matrices carrées AA et BB d'ordre nn sont semblables lorsqu'il existe une matrice inversible PP d'ordre nn telle que B=P−1APB = P^{-1} A P.

La similitude est une relation d'équivalence sur Mn(R)\mathcal{M}_n(\R) :

  • réflexive avec P=InP = I_n ;
  • symétrique en remplaçant PP par P−1P^{-1} ;
  • transitive en multipliant les matrices de passage.

Propriété 2.8Interprétation

Deux matrices carrées sont semblables si et seulement si elles représentent un même endomorphisme dans deux bases.

C'est la traduction directe de la formule précédente.

Propriété 2.9Invariants de similitude

Si AA et B=P−1APB = P^{-1}AP sont semblables :

  • elles ont le même rang et la même trace ;
  • l'une est inversible si et seulement si l'autre l'est ;
  • Bk=P−1AkPB^k = P^{-1} A^k P pour tout entier naturel kk.

La dernière relation est le moteur du calcul des puissances par diagonalisation.

Attention

Ces invariants ne caractérisent pas la similitude. Deux matrices de même rang et de même trace ne sont pas nécessairement semblables.

3Trace d'une matrice carrée

Le programme introduit la trace uniquement comme outil de recherche de valeurs propres. Aucun développement théorique n'est attendu, et aucun autre résultat sur la trace n'est exigible.

3.1Définition

Définition 3.1Trace

Soit A=(ai,j)A = (a_{i,j}) une matrice carrée d'ordre nn. Sa trace, notée tr⁡(A)\tr(A), est la somme de ses coefficients diagonaux : tr⁡(A)=∑i=1nai,i.\tr(A) = \sum_{i=1}^{n} a_{i,i}.

3.2Linéarité

Propriété 3.2Linéarité de la trace

L'application A↦tr⁡(A)A \mapsto \tr(A) est une forme linéaire sur Mn(R)\mathcal{M}_n(\R). Pour toutes matrices AA et BB d'ordre nn et tout réel λ\lambda : tr⁡(A+B)=tr⁡(A)+tr⁡(B),tr⁡(λA)=λ tr⁡(A).\begin{aligned} \tr(A + B) &= \tr(A) + \tr(B),\\ \tr(\lambda A) &= \lambda\,\tr(A). \end{aligned}

C'est immédiat coefficient par coefficient. On a aussi tr⁡(tA)=tr⁡(A)\tr({}^t A) = \tr(A), puisque la transposition ne change pas la diagonale.

3.3La propriété Tr(AB) = Tr(BA)

Propriété 3.3Permutation des facteurs

Pour toutes matrices carrées AA et BB d'ordre nn, tr⁡(AB)=tr⁡(BA)\tr(AB) = \tr(BA).

Démonstration

Le coefficient d'indice (i,i)(i, i) de ABAB vaut ∑kai,kbk,i\sum_k a_{i,k} b_{k,i}. Donc tr⁡(AB)=∑i∑kai,k bk,i.\tr(AB) = \sum_{i}\sum_{k} a_{i,k}\, b_{k,i}. De même tr⁡(BA)=∑k∑ibk,i ai,k.\tr(BA) = \sum_{k}\sum_{i} b_{k,i}\, a_{i,k}. Les deux sommes portent sur les mêmes termes, dans un ordre différent. Elles sont égales.

Attention

En général tr⁡(ABC)\tr(ABC) n'est pas égal à tr⁡(ACB)\tr(ACB). Seule la permutation circulaire est licite.

3.4Invariance par changement de base

Propriété 3.4Invariance de la trace

Hypothèses

  • AA est une matrice carrée ;
  • PP est une matrice inversible de même ordre.

Alors tr⁡(P−1AP)=tr⁡(A)\tr(P^{-1} A P) = \tr(A).

Démonstration

On applique la propriété précédente avec les deux matrices P−1AP^{-1}A et PP : tr⁡((P−1A) P)=tr⁡(P (P−1A))=tr⁡(A).\begin{aligned} \tr((P^{-1}A)\,P) &= \tr(P\,(P^{-1}A))\\ &= \tr(A). \end{aligned}

Conséquence : toutes les matrices d'un même endomorphisme ff, dans toutes les bases, ont la même trace. On peut donc parler de la trace de ff.

3.5À quoi cela sert

Si une matrice AA d'ordre nn est diagonalisable, elle est semblable à une matrice diagonale DD dont les coefficients diagonaux sont les valeurs propres, chacune répétée autant de fois que la dimension du sous-espace propre associé. La trace de AA est alors la somme de ces valeurs propres, comptées avec ces multiplicités. C'est un excellent moyen de contrôler un calcul de valeurs propres.

Exemple 3.5Contrôle par la trace

La matrice de lignes (1,3)(1, 3) et (3,1)(3, 1) a pour trace 22, et ses valeurs propres sont 44 et −2-2, de somme 22.

Méthodes

MéthodeMontrer qu'une somme de kk sous-espaces est directe

  1. Partir d'une égalité x1+⋯+xk=0x_1 + \dots + x_k = 0 avec xi∈Fix_i \in F_i, et prouver que tous les xix_i sont nuls.
  2. Si des bases sont disponibles, montrer plutôt que la concaténation est libre.
  3. Si on connaît déjà la somme et les dimensions, utiliser l'un des deux critères pratiques.

MéthodeMontrer que EE est somme directe de kk sous-espaces

Deux stratégies :

  1. Prouver la somme directe, puis comparer la somme des dimensions à dim⁡E\dim E.
  2. Ou prouver que tout vecteur se décompose, en exhibant la décomposition, puis prouver l'unicité.

MéthodeÉcrire une matrice de passage

  1. Exprimer chaque vecteur de la nouvelle base dans l'ancienne.
  2. Ranger ces coordonnées en colonnes.
  3. Vérifier que la matrice obtenue est inversible, ce qui confirme que la nouvelle famille est bien une base.

MéthodeChanger de base pour un endomorphisme

  1. Écrire MatB(f)\mathrm{Mat}_B(f) dans la base la plus simple, souvent la base canonique.
  2. Écrire PP avec la nouvelle base en colonnes.
  3. Calculer P−1P^{-1} puis P−1APP^{-1} A P.

Dans les exercices de réduction, on procède souvent dans l'autre sens : on cherche la base B′B' pour que MatB′(f)\mathrm{Mat}_{B'}(f) soit diagonale, et on écrit A=PDP−1A = P D P^{-1}.

MéthodeContrôler un résultat avec la trace

Après avoir diagonalisé, vérifier que la somme des coefficients diagonaux de DD est égale à la trace de AA. Si ce n'est pas le cas, il y a une erreur.

MéthodeCalculer les puissances d'une matrice

Si A=PDP−1A = P D P^{-1}, alors Ak=PDkP−1A^k = P D^k P^{-1}, et DkD^k s'obtient en élevant chaque coefficient diagonal à la puissance kk.

Ce qu'il faut savoir refaire en khôlle

  1. Définir la somme directe de kk sous-espaces et prouver la caractérisation par la décomposition du vecteur nul.
  2. Donner le contre-exemple de trois droites de R2\R^2 deux à deux d'intersection nulle dont la somme n'est pas directe.
  3. Démontrer que la somme est directe si et seulement si la concaténation des bases est libre, et en déduire la formule des dimensions.
  4. Écrire la matrice de passage entre deux bases d'un espace de dimension 2 ou 3, calculer son inverse, et l'utiliser pour changer les coordonnées d'un vecteur.
  5. Établir la formule MatB′(f)=P−1 MatB(f) P\mathrm{Mat}_{B'}(f) = P^{-1}\,\mathrm{Mat}_B(f)\,P à partir de la relation sur les coordonnées.
  6. Démontrer tr⁡(AB)=tr⁡(BA)\tr(AB) = \tr(BA) par un calcul de somme double.
  7. En déduire l'invariance de la trace par similitude, et l'utiliser pour vérifier un calcul de valeurs propres.
  8. Montrer que deux matrices semblables ont le même rang et les mêmes puissances à conjugaison près.

Méthodes et exercices

Les résultats à connaître

  • Une somme F₁ + … + Fk est directe si et seulement si la seule décomposition du vecteur nul est la décomposition triviale. Exigible avec démonstration, par différence de deux décompositions.
  • Pour k = 2, la somme est directe si et seulement si F₁ ∩ F₂ = {0}. Exigible. Pour k ≥ 3, ce critère par intersections deux à deux est faux, contre-exemple exigible.
  • La somme est directe si et seulement si la concaténation de bases des Fi est une famille libre. Dans ce cas cette concaténation est une base de la somme. Exigible avec démonstration.
  • Dimension d'une somme directe, dim(F₁ ⊕ … ⊕ Fk) = Σ dim Fi. Exigible, conséquence immédiate du résultat précédent.
  • Si E est de dimension finie et si la somme des Fi est directe avec Σ dim Fi = dim E, alors E = F₁ ⊕ … ⊕ Fk. Exigible, critère de dimension.
  • Base adaptée à une somme directe. Si f laisse chaque Fi stable, sa matrice dans une base adaptée est diagonale par blocs. Exigible comme énoncé.
  • Matrice de passage PB,B', ses colonnes sont les coordonnées des vecteurs de B' dans B. Elle est inversible et PB',B = (PB,B')⁻¹. Exigible.
  • Formule des coordonnées, XB = PB,B' XB'. Exigible avec démonstration, en décomposant chaque vecteur de B' sur B.
  • Formule de changement de base pour un endomorphisme, MatB'(f) = P⁻¹ Mat_B(f) P avec P = PB,B'. Exigible avec démonstration à partir de la formule des coordonnées.
  • Deux matrices A et B sont semblables s'il existe P inversible avec B = P⁻¹ A P. C'est le cas si et seulement si elles représentent un même endomorphisme dans deux bases. Exigible.
  • Deux matrices semblables ont le même rang, la même trace, et leurs puissances sont semblables via le même P. Exigible, Bk = P⁻¹ Ak P.
  • Linéarité de la trace, Tr(A + B) = Tr A + Tr B et Tr(λA) = λ Tr A. Exigible, immédiate.
  • Tr(AB) = Tr(BA) pour A, B carrées de même ordre. Exigible avec démonstration par somme double.
  • Invariance par changement de base, Tr(P⁻¹ A P) = Tr A. Exigible avec démonstration en deux lignes à partir du résultat précédent.
  • Hors programme, à signaler si un exercice les demande, le déterminant, le polynôme caractéristique, la dimension de l'espace des matrices de trace nulle comme résultat de cours, et Tr(ABC) = Tr(BCA) autrement que comme conséquence directe de Tr(XY) = Tr(YX).

Clés de démonstration

Caractérisation par le vecteur nul. Si x = x₁ + … + xk = y₁ + … + yk, alors (x₁ − y₁) + … + (xk − yk) = 0 avec xi − yi dans Fi. Si seule la décomposition triviale de 0 existe, xi = yi pour tout i. Astuce, l'unicité pour tout vecteur se ramène à l'unicité pour le seul vecteur nul, par différence.

Concaténation de bases. Une combinaison linéaire nulle des vecteurs concaténés se regroupe par paquets, le paquet i donne un vecteur xi de Fi, et Σ xi = 0. Si la somme est directe, chaque xi est nul, donc chaque paquet de coefficients est nul par liberté de Bi. Astuce, regrouper les termes par sous-espace avant de conclure.

Formule des coordonnées. Si x = Σ x'_j e'_j et e'_j = Σ pi,j ei, alors x = Σi (Σj pi,j x'_j) ei, ce qui est le produit P X'. Astuce, la colonne j de P est le vecteur e'_j lu dans B.

Changement de base d'un endomorphisme. Pour tout x, YB = A XB avec A = Mat_B(f). On remplace XB = P XB' et YB = P YB', on obtient P YB' = A P XB', donc YB' = P⁻¹ A P XB' pour tout XB'. Astuce, une matrice qui vérifie Y = M X pour toute colonne X est la matrice de f dans la base concernée.

Tr(AB) = Tr(BA). Le coefficient (i, i) de AB vaut Σk ai,k bk,i. Donc Tr(AB) = Σi Σk ai,k bk,i. De même Tr(BA) = Σk Σi bk,i ai,k. Les deux sommes doubles contiennent les mêmes termes. Astuce, échanger l'ordre de deux sommes finies est toujours licite.

Invariance de la trace. Tr(P⁻¹ A P) = Tr((P⁻¹ A) P) = Tr(P (P⁻¹ A)) = Tr(A). Astuce, grouper P⁻¹A comme une seule matrice et appliquer Tr(XY) = Tr(YX).

Exemples et contre-exemples à connaître

  1. Dans R², les trois droites engendrées par (1, 0), (0, 1) et (1, 1) sont deux à deux d'intersection nulle, mais leur somme n'est pas directe, car (1, 0) + (0, 1) − (1, 1) = 0. Pour k ≥ 3, on ne raisonne jamais par intersections deux à deux.
  2. Rn[x] est la somme directe des polynômes pairs et des polynômes impairs. Un polynôme s'écrit de façon unique comme somme de sa partie paire et de sa partie impaire.
  3. Mn(R) est la somme directe des matrices symétriques et des matrices antisymétriques, avec A = (A + ᵗA)/2 + (A − ᵗA)/2, de dimensions n(n + 1)/2 et n(n − 1)/2.
  4. Si p est un projecteur, E = ker p ⊕ Im p, et dans une base adaptée sa matrice est diagonale avec des 1 puis des 0. Sa trace est donc son rang.
  5. La matrice nulle et la matrice N d'ordre 2 de lignes (0, 1) et (0, 0) ont même trace, même spectre, et ne sont pas semblables, car toute matrice semblable à 0 est nulle. La trace ne caractérise pas la classe de similitude.
  6. In n'est semblable qu'à elle-même, puisque P⁻¹ I P = I. Une matrice scalaire a une seule représentation, quelle que soit la base.
  7. Tr(AB) = Tr(BA) n'implique pas AB = BA. Avec A de lignes (0, 1) et (0, 0), B de lignes (0, 0) et (1, 0), on a AB de lignes (1, 0) et (0, 0), BA de lignes (0, 0) et (0, 1), différentes et de même trace 1.
  8. La matrice de passage de la base canonique (1, x, x²) de R2[x] à la base (1, x − 1, (x − 1)²) a pour colonnes (1, 0, 0), (−1, 1, 0), (1, −2, 1). C'est la formule de Taylor en 1 lue en colonnes.
  9. Il n'existe pas de matrices A et B carrées avec AB − BA = In, car la trace du membre de gauche est nulle et celle du membre de droite vaut n.
  10. Tr(ᵗA A) = Σ ai,j² pour toute matrice carrée A. Donc Tr(ᵗA A) = 0 impose A = 0. Ce calcul apparaît dans les exercices d'algèbre bilinéaire.

Techniques du chapitre

Montrer qu'une somme est directe par le vecteur nul. Mini-exercice, dans R³, F = Vect((1, 0, 0)), G = Vect((0, 1, 0)), H = Vect((1, 1, 1)). Si a(1, 0, 0) + b(0, 1, 0) + c(1, 1, 1) = 0, la troisième coordonnée donne c = 0, puis a = b = 0. Somme directe, et de dimension 3, donc R³ = F ⊕ G ⊕ H.

Concaténer des bases. Mini-exercice, dans R2[x], P = Vect(1, x²) et I = Vect(x). La famille (1, x², x) est une base de R2[x], donc R2[x] = P ⊕ I.

Décomposer explicitement. Mini-exercice, dans M2(R), écrire A de lignes (1, 2) et (0, 3) comme somme d'une symétrique et d'une antisymétrique. S = (A + ᵗA)/2 a pour lignes (1, 1) et (1, 3), et K = (A − ᵗA)/2 a pour lignes (0, 1) et (−1, 0). On vérifie S + K = A.

Écrire une matrice de passage et l'inverser. Mini-exercice, B' = ((1, 1), (1, −1)) dans R². P a pour colonnes (1, 1) et (1, −1). Comme P² = 2I, P⁻¹ = P/2. Les coordonnées de (3, 1) dans B' sont P⁻¹(3, 1) = (2, 1), et on vérifie 2(1, 1) + 1(1, −1) = (3, 1).

Changer de base pour un endomorphisme. Mini-exercice, f(x, y) = (x + 2y, 2x + y), A de lignes (1, 2) et (2, 1). Avec le P précédent, P⁻¹ A P = (1/2) P A P. On calcule AP de colonnes (3, 3) et (−1, 1), puis P(AP)/2 de colonnes (3, 0) et (0, −1). Donc MatB'(f) = diag(3, −1). Contrôle, trace 2 des deux côtés.

Vérifier une diagonalisation avec la trace. Mini-exercice, si l'on trouve pour la matrice de lignes (2, 1) et (1, 2) les valeurs propres 3 et 1, la trace 4 = 3 + 1 confirme. Si l'on avait trouvé 3 et 2, la trace aurait détecté l'erreur.

Utiliser Tr(AB) = Tr(BA). Mini-exercice, si A est une matrice colonne fois ligne, A = X ᵗY avec X, Y dans Mn,1(R), alors Tr(A) = Tr(X ᵗY) = Tr(ᵗY X) = ᵗY X, qui est un réel. La trace d'une matrice de rang 1 se calcule en un produit scalaire.

Exercices classiques corrigés

Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.

Exercice 1. Somme directe de trois sous-espaces

Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle

Dans R³, on pose F = {(x, y, z), x + y + z = 0}, G = Vect((1, 1, 1)). (a) Montrer que R³ = F ⊕ G. (b) Décomposer le vecteur (1, 2, 3).

Technique intersection nulle et dimensions pour k = 2, puis calcul explicite.

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  1. (a) F est un plan, de dimension 2, G une droite. Si (x, y, z) est dans F ∩ G, alors x = y = z = t et 3t = 0, donc t = 0. La somme est directe, et 2 + 1 = 3, donc R³ = F ⊕ G. 2. (b) On cherche t avec (1, 2, 3) − t(1, 1, 1) dans F, soit 6 − 3t = 0, t = 2. Donc (1, 2, 3) = (−1, 0, 1) + (2, 2, 2).

piège : Prouver l'intersection nulle et oublier l'argument de dimension, ce qui ne donne pas la somme égale à R³.

Exercice 2. Symétriques et antisymétriques

Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle

Montrer que Mn(R) = Sn(R) ⊕ An(R), où Sn et An désignent les matrices symétriques et antisymétriques.

Technique décomposition explicite et unicité par l'intersection.

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  1. Sn et An sont des sous-espaces, stables par combinaison linéaire car la transposition est linéaire. 2. Si M est symétrique et antisymétrique, ᵗM = M = −M donc M = 0, l'intersection est nulle. 3. Pour toute M, S = (M + ᵗM)/2 est symétrique, K = (M − ᵗM)/2 est antisymétrique, et S + K = M. La somme est donc Mn(R) tout entier.

piège : Ne prouver que l'intersection nulle sans exhiber la décomposition, ou l'inverse.

Exercice 3. Noyau et image d'un projecteur

Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle

Soit p un endomorphisme de E, de dimension finie, tel que p ∘ p = p. (a) Montrer que E = ker p ⊕ Im p. (b) En déduire que dans une base adaptée, la matrice de p est diagonale avec des 1 et des 0, et que Tr(p) = rg(p).

Technique écrire x = (x − p(x)) + p(x).

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  1. (a) Si x est dans ker p ∩ Im p, alors x = p(y) pour un y, et p(x) = p(p(y)) = p(y) = x, or p(x) = 0, donc x = 0. 2. Pour tout x, x − p(x) est dans ker p car p(x − p(x)) = p(x) − p(x) = 0, et p(x) est dans Im p. Donc E = ker p + Im p, et la somme est directe. 3. (b) On concatène une base (u₁, …, ur) de Im p et une base de ker p. Chaque ui s'écrit p(yi), donc p(ui) = ui. Chaque vecteur du noyau est envoyé sur 0. La matrice est diag(1, …, 1, 0, …, 0) avec r fois 1, et Tr(p) = r = rg(p), la trace ne dépendant pas de la base.

piège : Écrire E = ker p ⊕ Im p par le théorème du rang, qui donne seulement l'égalité des dimensions, pas l'intersection nulle.

Exercice 4. Symétrie et somme directe

Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle

Soit s un endomorphisme de E tel que s ∘ s = Id_E. Montrer que E = ker(s − Id) ⊕ ker(s + Id).

Technique décomposition explicite x = (x + s(x))/2 + (x − s(x))/2.

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  1. Si x est dans les deux noyaux, s(x) = x et s(x) = −x, donc 2x = 0, x = 0. 2. Pour tout x, u = (x + s(x))/2 vérifie s(u) = (s(x) + x)/2 = u, donc u est dans ker(s − Id). De même v = (x − s(x))/2 vérifie s(v) = −v. Et u + v = x. 3. La somme est directe et vaut E.

piège : Oublier le facteur 1/2, ce qui donne bien deux vecteurs des bons noyaux mais dont la somme est 2x.

Exercice 5. Matrice de passage dans R2[x]

Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle

Dans R2[x], soit B = (1, x, x²) et B' = (1, 1 + x, 1 + x + x²). (a) Justifier que B' est une base. (b) Écrire P = PB,B' et P⁻¹. (c) Donner les coordonnées de 2 + 3x + x² dans B'.

Technique colonnes de P, résolution triangulaire.

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  1. (a) Les trois polynômes ont des degrés 0, 1, 2 échelonnés, donc la famille est libre, et elle a trois vecteurs dans un espace de dimension 3. 2. (b) P a pour colonnes (1, 0, 0), (1, 1, 0), (1, 1, 1). Elle est triangulaire à diagonale non nulle, donc inversible. On inverse en remontant, 1 = 1, x = (1 + x) − 1, x² = (1 + x + x²) − (1 + x). P⁻¹ a pour colonnes (1, 0, 0), (−1, 1, 0), (0, −1, 1). 3. (c) Les coordonnées dans B' sont P⁻¹(2, 3, 1) = (−1, 2, 1). Vérification, −1 + 2(1 + x) + (1 + x + x²) = 2 + 3x + x².

piège : Écrire les vecteurs de B' en lignes au lieu de colonnes, ce qui donne la transposée.

Exercice 6. Trace et commutateur

Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle

(a) Montrer qu'il n'existe pas de matrices A, B de Mn(R) telles que AB − BA = In. (b) Montrer que si A est une matrice carrée telle que Tr(AM) = 0 pour toute matrice M, alors A = 0.

Technique trace du commutateur, choix de M parmi les matrices élémentaires.

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  1. (a) Tr(AB − BA) = Tr(AB) − Tr(BA) = 0, alors que Tr(In) = n ≥ 1. 2. (b) Soit Ei,j la matrice avec un 1 en position (i, j) et des 0 ailleurs. Le produit A Ei,j a pour seule colonne non nulle la colonne j, égale à la colonne i de A. Sa trace est donc aj,i. 3. L'hypothèse donne aj,i = 0 pour tout couple, donc A = 0.

piège : Dans (b), tester seulement M = A ou M = I, ce qui ne suffit pas.

Exercice 7. Matrice de rang 1

Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit Ecricome

Soient X et Y deux colonnes non nulles de Mn,1(R) et A = X ᵗY. (a) Montrer que A est de rang 1. (b) Montrer que A² = Tr(A) A. (c) En déduire Ak pour k ≥ 1.

Technique associativité du produit, ᵗY X est un réel.

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  1. (a) Toute colonne de A est un multiple de X, donc Im A ⊂ Vect(X), et A ≠ 0 car X et Y sont non nulles, ᵗY ayant un coefficient non nul. Le rang vaut 1. 2. (b) A² = X (ᵗY X) ᵗY = (ᵗY X) X ᵗY = (ᵗY X) A, et ᵗY X = Tr(ᵗY X) = Tr(X ᵗY) = Tr(A). 3. (c) Par récurrence, Ak = Tr(A)k−1 A pour k ≥ 1. Si Tr(A) = 0, A² = 0.

piège : Oublier que ᵗY X est un scalaire et vouloir le garder au milieu du produit.

Exercice 8. Réduction à une matrice nilpotente élémentaire

Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit Ecricome

Soit N une matrice non nulle de M2(R) telle que N² = 0. Montrer que N est semblable à la matrice de lignes (0, 1) et (0, 0).

Technique construire une base adaptée à partir d'un vecteur dont l'image est non nulle.

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  1. N ≠ 0, donc il existe une colonne X avec NX ≠ 0. On pose e₂ = X et e₁ = NX. 2. La famille (e₁, e₂) est libre, car si a e₁ + b e₂ = 0, on applique N, ce qui donne b NX = 0 puisque N e₁ = N²X = 0, donc b = 0, puis a = 0. 3. C'est une base de M2,1(R). Dans cette base, N e₁ = 0 et N e₂ = e₁, donc la matrice de l'endomorphisme X ↦ NX est celle de l'énoncé. La matrice de passage P de colonnes e₁, e₂ vérifie P⁻¹ N P égale cette matrice.

piège : Prendre e₁ = X et e₂ = NX, ce qui donne la transposée. L'ordre des vecteurs dans la base fixe la forme de la matrice.

Exercice 9. Sous-espaces stables et matrice diagonale par blocs

Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit Ecricome

Soit f l'endomorphisme de R³ de matrice A dans la base canonique, A ayant pour lignes (1, 1, 0), (1, 1, 0), (0, 0, 2). Soit F = Vect((1, 0, 0), (0, 1, 0)) et G = Vect((0, 0, 1)). (a) Montrer que F et G sont stables par f et que R³ = F ⊕ G. (b) Trouver une base de F dans laquelle la restriction de f est diagonale, et en déduire une base B' de R³ avec MatB'(f) diagonale.

Technique traiter les blocs séparément, concaténer.

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  1. (a) f(1, 0, 0) = (1, 1, 0) et f(0, 1, 0) = (1, 1, 0) sont dans F, f(0, 0, 1) = (0, 0, 2) est dans G. La concaténation des bases est la base canonique, donc R³ = F ⊕ G. 2. (b) Sur F, la matrice est de lignes (1, 1) et (1, 1). On cherche (a, b) avec f(a, b, 0) = λ(a, b, 0), soit a + b = λa et a + b = λb. Avec (1, 1, 0), λ = 2. Avec (1, −1, 0), λ = 0. 3. B' = ((1, 1, 0), (1, −1, 0), (0, 0, 1)) est une base, et MatB'(f) = diag(2, 0, 2). Contrôle, trace de A égale 4, trace de la diagonale 4.

piège : Oublier de vérifier que B' est bien une base de R³ avant d'écrire une matrice dedans.

Exercice 10. Matrices semblables et puissances

Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit BCE, type EDHEC

Soit A la matrice de lignes (5, −2) et (6, −2), et B = diag(2, 1). (a) Trouver P inversible avec A = P B P⁻¹. (b) En déduire An pour tout n. (c) Justifier que An − 2n I est de rang au plus 1.

Technique résoudre AX = λX, ranger en colonnes, conjuguer les puissances.

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  1. (a) AX = 2X donne 3x − 2y = 0, on prend X₁ = (2, 3). AX = X donne 4x − 2y = 0, on prend X₂ = (1, 2). P de colonnes X₁, X₂ a pour lignes (2, 1) et (3, 2), inversible car 2 × 2 − 1 × 3 = 1 ≠ 0, et AP = PB par construction, donc A = P B P⁻¹. 2. (b) An = P Bn P⁻¹ avec Bn = diag(2n, 1). P⁻¹ a pour lignes (2, −1) et (−3, 2). Le calcul donne An de lignes (4 × 2n − 3, −2 × 2n + 2) et (6 × 2n − 6, −3 × 2n + 4). Contrôle n = 1, on retrouve A. 3. (c) An − 2n I = P(Bn − 2n I)P⁻¹ = P diag(0, 1 − 2n) P⁻¹, semblable à une matrice de rang au plus 1, donc de rang au plus 1.

piège : Écrire A = P⁻¹ B P avec P construit par colonnes de vecteurs propres, ce qui inverse le sens.

Exercice 11. Trace et dimension de l'espace des matrices de trace nulle

Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit HEC ou ESSEC

Soit T l'ensemble des matrices de Mn(R) de trace nulle. (a) Montrer que T est un sous-espace vectoriel et donner sa dimension. (b) Montrer que Mn(R) = T ⊕ Vect(In). (c) Soit f un endomorphisme de Mn(R) défini par f(M) = M − Tr(M) In / n. Montrer que f est un projecteur et préciser son noyau et son image.

Technique noyau d'une application linéaire non nulle vers R, décomposition explicite.

Voir le corrigé
  1. (a) La trace est une application linéaire de Mn(R) dans R, non nulle puisque Tr(In) = n. Son image est R, de dimension 1, donc par le théorème du rang T = ker(Tr) est de dimension n² − 1. 2. (b) In n'est pas de trace nulle, donc T ∩ Vect(In) = {0}. Les dimensions donnent n² − 1 + 1 = n², donc la somme directe est Mn(R). Explicitement, M = (M − Tr(M) In / n) + Tr(M) In / n. 3. (c) f est linéaire par linéarité de la trace. Tr(f(M)) = Tr(M) − Tr(M) = 0, donc f(M) est dans T, et f(N) = N pour N dans T, donc f(f(M)) = f(M). f est le projecteur sur T parallèlement à Vect(In), son image est T et son noyau est Vect(In).

piège : Affirmer dim T = n² − 1 sans argument, le théorème du rang appliqué à la trace est attendu.

Erreurs fréquentes

  1. Prouver qu'une somme de trois sous-espaces est directe par intersections deux à deux.
  2. Conclure E = F ⊕ G avec la seule intersection nulle, sans dimension ni décomposition explicite.
  3. Écrire les vecteurs de la nouvelle base en lignes dans la matrice de passage, ou confondre P et P⁻¹ dans MatB'(f) = P⁻¹ Mat_B(f) P.
  4. Déduire AB = BA de Tr(AB) = Tr(BA), ou permuter trois matrices dans une trace sans passer par une permutation circulaire.
  5. Croire que deux matrices de même trace et même spectre sont semblables, alors que 0 et la matrice nilpotente élémentaire en sont le contre-exemple.

Fiche de cours rédigée à partir du programme officiel d'ECG deuxième année, mathématiques approfondies (2021), enseignement du troisième semestre, partie I « Algèbre linéaire et bilinéaire », paragraphe 1 « Compléments d'algèbre linéaire ». Elle couvre la somme directe de kk sous-espaces vectoriels, le changement de base et la trace. Les éléments propres et la réduction font l'objet du chapitre suivant.