Aller au contenu

Accueil › PTSI › Maths

PTSI · Maths · semaine 22

Applications linéaires

Applications linéaires et opérations sur celles-ci, isomorphismes, image, noyau et rang. Endomorphismes, homothéties, projecteurs et symétries caractérisés par p2 = p et s2 = id, automorphismes et groupe linéaire. Détermination d'une application linéaire par l'image d'une base, théorème du rang, équations linéaires u(x) = a, formes linéaires et hyperplans en dimension finie.

Sommaire

Le cours

Résumé en cinq points

  1. Une application linéaire est déterminée par l'image d'une base, que l'on peut choisir librement.
  2. Noyau et image sont des sous-espaces. Injectivité équivaut à noyau nul, surjectivité à image pleine.
  3. Théorème du rang : dim⁡E=dim⁡Ker⁡u+rg⁡u\dim E = \dim \operatorname{Ker} u + \rg u, avec la dimension de l'espace de départ.
  4. En dimension finie égale, injectif, surjectif et bijectif sont équivalents, ce qui est faux en dimension infinie.
  5. Projecteurs et symétries se reconnaissent à p∘p=pp \circ p = p et s∘s=ids \circ s = \mathrm{id}, et les solutions d'une équation linéaire forment x0+Ker⁡ux_0 + \operatorname{Ker} u.
Pourquoi ce chapitre

Une application linéaire est une application qui respecte la structure d'espace vectoriel. C'est le bon objet pour transporter les problèmes d'un espace vers un autre.

  • Deux sous-espaces la résument : le noyau, qui mesure ce qui est écrasé, et l'image, qui mesure ce qui est atteint.
  • Le théorème du rang relie leurs dimensions, en algèbre comme en analyse.
  • Les endomorphismes remarquables, projecteurs et symétries, se caractérisent par p∘p=pp \circ p = p et s∘s=ids \circ s = \mathrm{id}.
  • La structure d'une équation linéaire, solution particulière plus solutions de l'équation homogène, unifie les systèmes linéaires, les équations différentielles et les suites récurrentes.

Le chapitre suivant traduira tout cela en matrices.

1Généralités

1.1Définition

Définition 1.1Application linéaire

Une application uu de EE dans FF est linéaire si, pour tous vecteurs xx et yy de EE et tout scalaire λ\lambda de K\K : u(x+y)=u(x)+u(y),u(λx)=λu(x).\begin{aligned} u(x + y) &= u(x) + u(y),\\ u(\lambda x) &= \lambda u(x). \end{aligned} De façon équivalente, u(λx+y)=λu(x)+u(y)u(\lambda x + y) = \lambda u(x) + u(y) pour tous xx, yy et tout λ\lambda. On note L(E,F)\mathcal{L}(E, F) l'ensemble des applications linéaires de EE dans FF.

Conséquence immédiate : u(0)=0u(0) = 0.

Attention

Une application qui n'envoie pas 00 sur 00 n'est pas linéaire. La réciproque est fausse : x↦x2x \mapsto x^2 vérifie u(0)=0u(0) = 0 sans être linéaire.

Exemple 1.2Exemples et contre-exemples

  • La dérivation de K[X]\K[X] dans K[X]\K[X].
  • L'application qui à un polynôme associe sa valeur en 22.
  • L'application de C0([0,1],R)\mathcal{C}^0([0,1], \R) dans R\R qui à ff associe son intégrale sur [0,1]\intff{0}{1}.
  • L'application de R3\R^3 dans R2\R^2 donnée par (x,y,z)↦(x−z,2y)(x, y, z) \mapsto (x - z, 2y).
  • Contre-exemples : x↦x2x \mapsto x^2 et x↦x+1x \mapsto x + 1 de R\R dans R\R.

1.2Opérations

Propriété 1.3Espace des applications linéaires

L(E,F)\mathcal{L}(E, F) est un K\K-espace vectoriel pour l'addition et la multiplication par un scalaire. La composée de deux applications linéaires est linéaire.

Propriété 1.4Bilinéarité de la composition

Hypothèses

  • λ∈K\lambda \in \K ;
  • u,v∈L(F,G)u, v \in \mathcal{L}(F, G) et w∈L(E,F)w \in \mathcal{L}(E, F) pour la première égalité ;
  • u,v∈L(F,G)u, v \in \mathcal{L}(F, G) et w∈L(G,H)w \in \mathcal{L}(G, H) pour la seconde.

Alors : (λu+v)∘w=λ(u∘w)+v∘w,w∘(λu+v)=λ(w∘u)+w∘v.\begin{aligned} (\lambda u + v) \circ w &= \lambda (u \circ w) + v \circ w,\\ w \circ (\lambda u + v) &= \lambda (w \circ u) + w \circ v. \end{aligned}

La composition est donc linéaire en chacune de ses deux variables.

Attention

La composition n'est pas commutative. Sur K[X]\K[X], dériver puis multiplier par XX ne donne pas la même chose que multiplier par XX puis dériver : la différence vaut l'identité.

1.3Isomorphismes

Définition 1.5Isomorphisme

Un isomorphisme est une application linéaire bijective. Deux espaces sont isomorphes s'il existe un isomorphisme de l'un sur l'autre.

Propriété 1.6Réciproque d'un isomorphisme

La réciproque d'un isomorphisme est linéaire.

Démonstration

Soit u:E→Fu : E \to F un isomorphisme, y,y′∈Fy, y' \in F et λ∈K\lambda \in \K. Alors u(λu−1(y)+u−1(y′))=λy+y′.u\big(\lambda u^{-1}(y) + u^{-1}(y')\big) = \lambda y + y'. Comme uu est injective, u−1(λy+y′)=λu−1(y)+u−1(y′)u^{-1}(\lambda y + y') = \lambda u^{-1}(y) + u^{-1}(y').

1.4Image et noyau

Propriété 1.7Images directe et réciproque

Soit u∈L(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F).

  • L'image directe d'un sous-espace de EE par uu est un sous-espace de FF.
  • L'image réciproque d'un sous-espace de FF par uu est un sous-espace de EE.

Définition 1.8Image et noyau

L'image de uu est Im⁡u=u(E)\operatorname{Im} u = u(E), sous-espace de FF. Le noyau de uu est Ker⁡u={x∈E, u(x)=0}\operatorname{Ker} u = \{x \in E,\ u(x) = 0\}, sous-espace de EE.

Propriété 1.9Caractérisations

Soit u∈L(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F).

  • uu est surjective si et seulement si Im⁡u=F\operatorname{Im} u = F.
  • uu est injective si et seulement si Ker⁡u={0}\operatorname{Ker} u = \{0\}.
Démonstration

Si uu est injective et u(x)=0=u(0)u(x) = 0 = u(0), alors x=0x = 0. Réciproquement, si le noyau est nul et u(x)=u(y)u(x) = u(y), alors u(x−y)=0u(x - y) = 0, donc x=yx = y.

Propriété 1.10Image et famille génératrice

Si (xi)(x_i) est une famille génératrice finie de EE, alors Im⁡u=Vect⁡(u(xi))\operatorname{Im} u = \operatorname{Vect}\big(u(x_i)\big).

L'image est engendrée par les images des vecteurs d'une famille génératrice, en particulier d'une base. C'est ainsi qu'on calcule une image en pratique.

Exemple 1.11Image et noyau dans R3\R^3

Soit u(x,y,z)=(x+y,y+z)u(x, y, z) = (x + y, y + z).

  • Les images de la base canonique sont (1,0)(1, 0), (1,1)(1, 1), (0,1)(0, 1). Elles engendrent R2\R^2, donc uu est surjective.
  • Le noyau est l'ensemble des (x,y,z)(x, y, z) avec x=−yx = -y et z=−yz = -y : c'est la droite engendrée par (1,−1,1)(1, -1, 1).

1.5Rang

Définition 1.12Rang

Si Im⁡u\operatorname{Im} u est de dimension finie, uu est dite de rang fini et rg⁡(u)=dim⁡Im⁡u\rg(u) = \dim \operatorname{Im} u.

Propriété 1.13Rang d'une composée

Pour u∈L(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F) et v∈L(F,G)v \in \mathcal{L}(F, G) : rg⁡(v∘u)⩽min⁡(rg⁡u, rg⁡v).\rg(v \circ u) \leqslant \min\big(\rg u,\ \rg v\big). Le rang est invariant par composition par un isomorphisme, à gauche comme à droite.

Démonstration

Im⁡(v∘u)\operatorname{Im}(v \circ u) est inclus dans Im⁡v\operatorname{Im} v. C'est aussi l'image par vv du sous-espace Im⁡u\operatorname{Im} u, dont la dimension est au plus rg⁡u\rg u. Composer par une bijection linéaire ne change pas la dimension des images.

2Endomorphismes

2.1Définitions

Définition 2.1Endomorphisme

Un endomorphisme de EE est une application linéaire de EE dans EE. On note L(E)\mathcal{L}(E) leur ensemble. L'identité est notée idE\mathrm{id}_E. Une homothétie de rapport λ\lambda est l'application x↦λxx \mapsto \lambda x.

Pour u∈L(E)u \in \mathcal{L}(E) et k∈Nk \in \N, uku^k est la composée de uu avec lui-même kk fois, avec u0=idu^0 = \mathrm{id}.

L(E)\mathcal{L}(E) est stable par composition. Deux endomorphismes uu et vv commutent quand u∘v=v∘uu \circ v = v \circ u.

Attention

La formule du binôme pour (u+v)n(u + v)^n n'est valable que si uu et vv commutent.

2.2Projecteurs

Définition 2.2Projection

Si E=F⊕GE = F \oplus G, la projection sur FF parallèlement à GG est l'application pp qui à x=f+gx = f + g, avec f∈Ff \in F et g∈Gg \in G, associe ff. Elle est linéaire grâce à l'unicité de la décomposition.

Propriété 2.3Propriétés d'une projection

  • Im⁡p=F\operatorname{Im} p = F et Ker⁡p=G\operatorname{Ker} p = G ;
  • p∘p=pp \circ p = p ;
  • FF est l'ensemble des vecteurs invariants par pp.

Propriété 2.4Caractérisation des projecteurs

Hypothèses

  • p∈L(E)p \in \mathcal{L}(E) ;
  • p∘p=pp \circ p = p.

Alors E=Im⁡p⊕Ker⁡pE = \operatorname{Im} p \oplus \operatorname{Ker} p et pp est la projection sur Im⁡p\operatorname{Im} p parallèlement à Ker⁡p\operatorname{Ker} p. On dit que pp est un projecteur.

Démonstration

Pour tout xx, on écrit x=p(x)+(x−p(x))x = p(x) + (x - p(x)). Le premier terme est dans Im⁡p\operatorname{Im} p. Le second est dans Ker⁡p\operatorname{Ker} p, car p(x−p(x))=p(x)−p(p(x))=0.p\big(x - p(x)\big) = p(x) - p(p(x)) = 0. La somme est directe : si yy est dans l'intersection, y=p(z)y = p(z) donne p(y)=p(p(z))=p(z)=y,p(y) = p(p(z)) = p(z) = y, et y∈Ker⁡py \in \operatorname{Ker} p donne p(y)=0p(y) = 0, d'où y=0y = 0.

Attention

Un projecteur n'est pas déterminé par son image seule : il faut aussi son noyau. Deux projections sur la même droite, parallèlement à deux droites différentes, sont deux applications différentes.

2.3Symétries

Définition 2.5Symétrie

Si E=F⊕GE = F \oplus G, la symétrie par rapport à FF parallèlement à GG est l'application ss qui à x=f+gx = f + g associe f−gf - g. Elle vérifie s∘s=ids \circ s = \mathrm{id} : c'est un automorphisme, égal à sa propre réciproque.

Propriété 2.6Caractérisation des symétries

Hypothèses

  • s∈L(E)s \in \mathcal{L}(E) ;
  • s∘s=ids \circ s = \mathrm{id}.

Alors ss est la symétrie par rapport à Ker⁡(s−id)\operatorname{Ker}(s - \mathrm{id}) parallèlement à Ker⁡(s+id)\operatorname{Ker}(s + \mathrm{id}).

Le lien avec les projecteurs est direct : s=2p−id,p=s+id2,s = 2p - \mathrm{id}, \qquad p = \frac{s + \mathrm{id}}{2}, où pp est la projection associée.

Exemple 2.7Parité

Sur les fonctions de R\R dans R\R, l'application f↦(x↦f(−x))f \mapsto (x \mapsto f(-x)) est une symétrie. Ses sous-espaces caractéristiques sont les fonctions paires et les fonctions impaires, qui sont donc supplémentaires.

2.4Automorphismes et groupe linéaire

Définition 2.8Groupe linéaire

Un automorphisme de EE est un endomorphisme bijectif. L'ensemble des automorphismes est noté GL(E)GL(E). Il est stable par composition, contient l'identité, et tout élément y a un inverse : c'est une structure de groupe. Pour u∈GL(E)u \in GL(E) et k∈Zk \in \Z, uku^k a un sens.

La définition axiomatique des groupes est hors programme à ce stade.

3Détermination d'une application linéaire en dimension finie

3.1Théorème fondamental

Théorème 3.1Détermination par l'image d'une base

Hypothèses

  • EE est de dimension finie et (ei)(e_i) est une base de EE ;
  • (fi)(f_i) est une famille quelconque de vecteurs de FF, indexée par le même ensemble.

Alors il existe une unique application linéaire u∈L(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F) telle que u(ei)=fiu(e_i) = f_i pour tout ii.

Une application linéaire est entièrement déterminée par l'image d'une base, et on peut imposer ces images librement. L'unicité vient de la linéarité, l'existence de la définition sur les coordonnées.

Propriété 3.2Caractérisations

Avec les notations du théorème :

  • uu est injective si et seulement si (fi)(f_i) est libre ;
  • uu est surjective si et seulement si (fi)(f_i) est génératrice de FF ;
  • uu est bijective si et seulement si (fi)(f_i) est une base de FF.

3.2Espaces isomorphes

Propriété 3.3Isomorphisme et dimension

Deux espaces de dimension finie sont isomorphes si et seulement s'ils ont la même dimension. En particulier, tout espace de dimension nn est isomorphe à Kn\K^n, par l'application coordonnées dans une base fixée.

Propriété 3.4Dimension de L(E,F)\mathcal{L}(E, F)

Si EE et FF sont de dimension finie, dim⁡L(E,F)=dim⁡E×dim⁡F\dim \mathcal{L}(E, F) = \dim E \times \dim F.

La démonstration passe par les matrices : elle peut être vue au chapitre suivant.

3.3Le théorème des trois équivalences

Théorème 3.5Injectif, surjectif, bijectif

Hypothèses

  • EE et FF sont de même dimension finie ;
  • u∈L(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F).

Alors uu est injective si et seulement si uu est surjective, si et seulement si uu est bijective.

Une seule des deux propriétés est à vérifier.

Attention

L'hypothèse de dimension finie et d'égalité des dimensions est indispensable. Sur K[X]\K[X], la dérivation est surjective et non injective, la multiplication par XX est injective et non surjective.

Propriété 3.6Inverse à gauche ou à droite

Un endomorphisme d'un espace de dimension finie inversible à gauche ou à droite est inversible, et son inverse à gauche coïncide avec son inverse à droite.

Démonstration

Si v∘u=idv \circ u = \mathrm{id}, alors uu est injective, donc bijective. En composant par u−1u^{-1}, on obtient v=u−1v = u^{-1}.

3.4Recollement

Propriété 3.7Recollement

Hypothèses

  • E=E1⊕E2E = E_1 \oplus E_2 ;
  • u1∈L(E1,F)u_1 \in \mathcal{L}(E_1, F) et u2∈L(E2,F)u_2 \in \mathcal{L}(E_2, F).

Alors il existe une unique application linéaire u∈L(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F) qui coïncide avec u1u_1 sur E1E_1 et avec u2u_2 sur E2E_2. Elle est définie par u(x1+x2)=u1(x1)+u2(x2)u(x_1 + x_2) = u_1(x_1) + u_2(x_2), ce qui a un sens grâce à l'unicité de la décomposition.

4Théorème du rang

4.1Forme géométrique

Théorème 4.1Forme géométrique du théorème du rang

Hypothèses

  • u∈L(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F) ;
  • SS est un supplémentaire de Ker⁡u\operatorname{Ker} u dans EE.

Alors uu induit un isomorphisme de SS sur Im⁡u\operatorname{Im} u.

Démonstration

La restriction de uu à SS est linéaire à valeurs dans Im⁡u\operatorname{Im} u. Elle est injective, car son noyau est S∩Ker⁡u={0}S \cap \operatorname{Ker} u = \{0\}. Elle est surjective sur Im⁡u\operatorname{Im} u : tout élément de Im⁡u\operatorname{Im} u s'écrit u(x)u(x) avec x=k+sx = k + s, k∈Ker⁡uk \in \operatorname{Ker} u et s∈Ss \in S, et u(x)=u(s)u(x) = u(s).

4.2Forme dimensionnelle

Théorème 4.2Théorème du rang

Hypothèses

  • EE est de dimension finie nn ;
  • u∈L(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F).

Alors n=dim⁡Ker⁡u+rg⁡(u)n = \dim \operatorname{Ker} u + \rg(u).

Démonstration

Avec SS supplémentaire de Ker⁡u\operatorname{Ker} u, la forme géométrique donne dim⁡S=n−dim⁡Ker⁡u=dim⁡Im⁡u\dim S = n - \dim \operatorname{Ker} u = \dim \operatorname{Im} u.

Attention

C'est la dimension de l'espace de départ qui intervient, pas celle de l'arrivée. FF n'a pas besoin d'être de dimension finie.

Exemple 4.3Applications du théorème du rang

  • Soit u:R4→R3u : \R^4 \to \R^3 dont le noyau contient un plan. Alors rg⁡(u)⩽2\rg(u) \leqslant 2 et uu n'est pas surjective.
  • L'application P↦P′P \mapsto P' de Rn[X]\R_n[X] dans Rn[X]\R_n[X] a pour noyau les constantes : son rang vaut nn.

5Équations linéaires

Définition 5.1Équation linéaire

Une équation linéaire est une équation de la forme u(x)=au(x) = a, où u∈L(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F) et aa est un vecteur donné de FF. L'équation homogène associée est u(x)=0u(x) = 0 : son ensemble de solutions est Ker⁡u\operatorname{Ker} u.

Propriété 5.2Structure des solutions

Soit u∈L(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F) et a∈Fa \in F.

  • Si a∉Im⁡ua \notin \operatorname{Im} u, l'ensemble des solutions de u(x)=au(x) = a est vide.
  • Sinon, si x0x_0 est une solution particulière, l'ensemble des solutions est x0+Ker⁡ux_0 + \operatorname{Ker} u, c'est-à-dire l'ensemble des x0+hx_0 + h avec h∈Ker⁡uh \in \operatorname{Ker} u.
Démonstration

u(x)=au(x) = a équivaut à u(x−x0)=0u(x - x_0) = 0.

Les solutions d'une équation linéaire forment x0+Ker⁡ux_0 + \operatorname{Ker} u. Cette structure s'applique à :

  • un système linéaire AX=BAX = B : une solution particulière plus le noyau de AA ;
  • une équation différentielle linéaire d'ordre 1 ou 2 : une solution particulière plus la solution générale de l'équation homogène ;
  • une suite arithmético-géométrique : on cherche un point fixe comme solution particulière.

6Formes linéaires et hyperplans en dimension finie

Définition 6.1Forme linéaire et hyperplan

Une forme linéaire sur EE est une application linéaire de EE dans K\K. Un hyperplan de EE est le noyau d'une forme linéaire non nulle.

Propriété 6.2Dimension d'un hyperplan

En dimension finie nn, un hyperplan est exactement un sous-espace de dimension n−1n - 1.

Démonstration

Sens direct : une forme linéaire non nulle a pour image K\K, donc un rang égal à 11, et son noyau est de dimension n−1n - 1 par le théorème du rang.

Propriété 6.3Équation d'un hyperplan

Dans une base fixée, un hyperplan est l'ensemble des vecteurs dont les coordonnées vérifient une équation a1x1+⋯+anxn=0a_1 x_1 + \cdots + a_n x_n = 0 avec les aia_i non tous nuls. Deux formes linéaires non nulles ont le même noyau si et seulement si elles sont proportionnelles : l'équation est donc unique à un facteur non nul près.

Théorème 6.4Hyperplan et droite

Hypothèses

  • HH est un hyperplan de EE ;
  • DD est une droite non contenue dans HH.

Alors E=H⊕DE = H \oplus D.

Démonstration

L'intersection H∩DH \cap D est un sous-espace de DD différent de DD, donc nul. Les dimensions s'ajoutent alors à nn.

Exemple 6.5Plan de R3\R^3

Le plan d'équation x+y+z=0x + y + z = 0 est un hyperplan de R3\R^3. La droite engendrée par (1,0,0)(1, 0, 0), qui n'est pas dans ce plan, en est un supplémentaire.

Méthodes

MéthodeMontrer qu'une application est linéaire ou non

  1. Pour montrer qu'elle l'est, vérifier u(λx+y)=λu(x)+u(y)u(\lambda x + y) = \lambda u(x) + u(y) en une seule ligne.
  2. Pour montrer qu'elle ne l'est pas, tester u(0)u(0) ou un contre-exemple numérique.

MéthodeDéterminer un noyau et une image

  1. Noyau : résoudre u(x)=0u(x) = 0 et donner une base du sous-espace des solutions.
  2. Image : calculer les images des vecteurs d'une base, puis extraire une base de leur espace engendré.

MéthodeTrouver un rang

  1. Choisir le côté le plus simple : l'image directement, ou le noyau.
  2. Dans le second cas, conclure par le théorème du rang.

MéthodeIdentifier un projecteur ou une symétrie

  1. Calculer p∘pp \circ p ou s∘ss \circ s.
  2. Décrire les sous-espaces Im⁡p\operatorname{Im} p et Ker⁡p\operatorname{Ker} p, ou Ker⁡(s−id)\operatorname{Ker}(s - \mathrm{id}) et Ker⁡(s+id)\operatorname{Ker}(s + \mathrm{id}).

MéthodeMontrer qu'un endomorphisme est bijectif

Pour un endomorphisme d'un espace de dimension finie, ou une application entre espaces de même dimension finie, prouver seulement l'injectivité, c'est-à-dire que le noyau est nul.

MéthodeRésoudre une équation linéaire

  1. Séparer solution particulière et équation homogène.
  2. Conclure par x0+Ker⁡ux_0 + \operatorname{Ker} u.

Ce qu'il faut savoir refaire en khôlle

  1. Démontrer que uu est injective si et seulement si son noyau est nul.
  2. Démontrer que si p∘p=pp \circ p = p, alors E=Im⁡p⊕Ker⁡pE = \operatorname{Im} p \oplus \operatorname{Ker} p et pp est la projection associée.
  3. Faire le lien entre projecteur et symétrie par s=2p−ids = 2p - \mathrm{id}.
  4. Énoncer et démontrer la forme géométrique du théorème du rang, puis en déduire la formule des dimensions.
  5. Justifier qu'en dimension finie égale, injectif équivaut à surjectif, et donner deux contre-exemples en dimension infinie.
  6. Déterminer noyau, image et rang d'une application linéaire explicite de R4\R^4 dans R3\R^3.
  7. Montrer qu'un hyperplan et une droite non incluse dedans sont supplémentaires.
  8. Décrire l'ensemble des solutions de u(x)=au(x) = a et citer trois situations où cette structure s'applique.

Méthodes et exercices

Les résultats à connaître

  • L(E, F) est un K-espace vectoriel, une composée d'applications linéaires est linéaire et la composition est bilinéaire. Exigible.
  • La réciproque d'un isomorphisme est linéaire. Exigible avec démonstration.
  • L'image directe et l'image réciproque d'un sous-espace sont des sous-espaces. Exigible avec démonstration.
  • u est injective si et seulement si Ker u = {0}. Exigible avec démonstration.
  • Si (xi) est une famille finie génératrice de E, alors Im u = Vect(u(xi)). Exigible avec démonstration.
  • rg(v ∘ u) ≤ min(rg u, rg v), et le rang est invariant par composition par un isomorphisme. Exigible avec démonstration.
  • GL(E) contient id et il est stable par composition et par passage à l'inverse. Exigible. La définition axiomatique d'un groupe est hors programme.
  • Si p ∘ p = p, alors p est la projection sur Im p parallèlement à Ker p. Exigible avec démonstration.
  • Si s ∘ s = id, alors s est la symétrie par rapport à Ker(s − id) parallèlement à Ker(s + id). Exigible avec démonstration.
  • E de dimension finie, (ei) base de E, (fi) famille de F : il existe une unique u avec u(ei) = fi. De plus, u est injective, surjective ou bijective selon que (fi) est libre, génératrice ou une base. Exigible avec démonstration.
  • Deux espaces de dimension finie sont isomorphes si et seulement s'ils ont la même dimension. Exigible avec démonstration.
  • Entre deux espaces de même dimension finie, injective ⇔ surjective ⇔ bijective. Exigible avec démonstration.
  • En dimension finie, un endomorphisme inversible à gauche ou à droite est inversible. Exigible avec démonstration.
  • dim L(E, F) = dim E × dim F. Exigible, avec une démonstration qui peut attendre le chapitre des matrices.
  • Recollement sur E = E₁ ⊕ E₂. Exigible avec démonstration.
  • Forme géométrique du théorème du rang, pour tout supplémentaire S de Ker u. Exigible avec démonstration, sans hypothèse de dimension.
  • Théorème du rang, avec E de dimension finie et F quelconque. Exigible avec démonstration.
  • Les solutions de u(x) = a forment l'ensemble vide ou x₀ + Ker u. Exigible avec démonstration.
  • En dimension finie n, les hyperplans sont exactement les sous-espaces de dimension n − 1. Deux formes non nulles ont le même noyau si et seulement si elles sont proportionnelles. Exigible.
  • En dimension finie, si H est un hyperplan et D une droite non contenue dans H, alors E = H ⊕ D. Exigible avec démonstration.
  • Hors programme en PCSI : dual, lemme des noyaux, polynômes annulateurs, valeurs propres. La trace attend le chapitre des matrices.

Clés de démonstration

Réciproque linéaire. On veut u⁻¹(λa + b) = λu⁻¹(a) + u⁻¹(b). On applique u aux deux membres, et on trouve λa + b de chaque côté. Astuce : l'injectivité de u conclut sans calculer u⁻¹.

Image engendrée. Tout x s'écrit Σ λi xi, donc u(x) = Σ λi u(xi). Inversement, chaque u(xi) appartient au sous-espace Im u. Astuce : on raisonne par double inclusion.

Rang d'une composée. Im(v ∘ u) = v(Im u) est incluse dans Im v. Elle est aussi engendrée par les images d'une base de Im u. Astuce : une famille génératrice de rg u vecteurs donne une dimension au plus rg u.

Symétrie. On écrit x = (x + s(x))/2 + (x − s(x))/2. Le premier terme est fixé par s et le second est changé en son opposé. Si y est dans l'intersection, alors y = −y, donc y = 0. Astuce : c'est la décomposition en parties paire et impaire.

Détermination par une base. Pour l'unicité, u(Σ xi ei) = Σ xi fi est imposée. Pour l'existence, on pose cette formule, bien définie par unicité des coordonnées, et elle est linéaire. Astuce : Σ xi fi = 0 équivaut à u(x) = 0, d'où les caractérisations.

Trois équivalences. Si u est injective, le théorème du rang donne rg u = dim E = dim F, donc Im u = F par le cas d'égalité des dimensions. Si u est surjective, alors dim Ker u = dim E − dim F = 0. Astuce : un sous-espace de même dimension finie que l'espace est l'espace entier.

Forme géométrique du rang. On restreint u à S. Le noyau de la restriction est S ∩ Ker u = {0}. Pour la surjectivité sur Im u, on décompose x selon Ker u ⊕ S. Astuce : la composante dans le noyau disparaît quand on applique u.

Hyperplans. On complète une base (e₁, …, en−1) d'un sous-espace de dimension n − 1 par en, puis on pose φ(ei) = 0 pour i < n et φ(en) = 1. Ker φ contient le sous-espace et il a la même dimension, donc ils sont égaux. Si φ et ψ ont le même noyau H, on choisit a hors de H, et ψ − (ψ(a)/φ(a))φ s'annule sur H ⊕ Ka = E. Astuce : on se ramène à H ⊕ D.

Exemples et contre-exemples à connaître

  1. Sur K[X], la dérivation D est surjective et non injective, et la multiplication M par X est injective et non surjective. Ce sont les contre-exemples aux trois équivalences en dimension infinie.
  2. D ∘ M − M ∘ D = id, car (XP)' − XP' = P. C'est le contre-exemple standard à la commutativité.
  3. Sur R², u(x, y) = (y, 0) vérifie Ker u = Im u = Vect((1, 0)). Noyau et image ne sont donc pas toujours supplémentaires.
  4. Avec u(x, y) = (x, 0) et v(x, y) = (y, 0), on a v ∘ u = 0 alors que les deux rangs valent 1. L'inégalité sur le rang d'une composée peut être stricte.
  5. 0 et id sont des projecteurs, id et −id sont des symétries. −id est la symétrie par rapport à {0} parallèlement à E, cas limite souvent oublié.
  6. La rotation (x, y) ↦ (−y, x) de R² vérifie u ∘ u = −id. Elle n'est ni un projecteur ni une symétrie, et elle ne laisse aucune droite stable.
  7. P ↦ P(X + 1) − P(X) sur Rn[X] a pour noyau les constantes et pour image Rn−1[X]. C'est l'exemple type d'image obtenue par le théorème du rang.
  8. La conjugaison z ↦ z̄ est R-linéaire mais pas C-linéaire, car i a pour image −i au lieu de i · 1. Il faut toujours préciser le corps.

Techniques du chapitre

Noyau par un système, image par inclusion et dimension. Mini-exercice : u(x, y, z) = (x − y, y − z, z − x) sur R³. Le noyau est donné par x = y = z, c'est Vect((1, 1, 1)), donc rg u = 2. Toute image a une somme de coordonnées nulle, donc Im u est le plan a + b + c = 0, par égalité des dimensions.

Bijectivité par le noyau seul. Mini-exercice : φ(P) = P + P' sur Rn[X]. Si P ≠ 0, alors deg P' < deg P, donc P + P' a le degré de P et n'est pas nul. Le noyau est nul, donc φ est bijective, et P + P' = Q a une unique solution pour tout Q.

Reconnaître un projecteur. Mini-exercice : p(x, y, z) = (x, y, x + y). On trouve p(x, y, x + y) = (x, y, x + y), donc p ∘ p = p. Im p est le plan z = x + y et Ker p = Vect((0, 0, 1)).

Reconnaître une symétrie. Mini-exercice : s(x, y, z) = (y, x, z). On a s ∘ s = id. Ker(s − id) est le plan x = y et Ker(s + id) = Vect((1, −1, 0)).

Traduire une composée nulle. v ∘ u = 0 équivaut à Im u ⊂ Ker v. Mini-exercice : si u ∘ u = 0 sur R⁵, alors Im u ⊂ Ker u, donc rg u ≤ 5 − rg u, soit rg u ≤ 2.

Solution particulière plus noyau. Mini-exercice : résoudre P(X + 1) − P(X) = 1 dans R[X]. X convient. Le noyau est formé des constantes, car P − P(0) s'annule en tout entier naturel. Les solutions sont les X + c, avec c réel.

Définir par l'image d'une base. Mini-exercice : existe-t-il u sur R² avec u(1, 1) = (1, 0) et u(1, −1) = (0, 1) ? Oui, et elle est unique, car ces deux vecteurs forment une base. Par exemple u(1, 0) = (u(1, 1) + u(1, −1))/2 = (1/2, 1/2).

Exercices classiques corrigés

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

Exercice 1. Noyau, image et rang

Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle

Soit u de R⁴ dans R³ définie par u(x, y, z, t) = (x + y + z + t, x − y + z − t, 2x + 2z). Donner une base du noyau, puis une base et une équation de l'image.

Technique système pour le noyau, théorème du rang pour l'image.

Voir le corrigé
  1. La troisième coordonnée est la somme des deux premières, donc le système équivaut à x + z = 0 et y + t = 0. 2. Ker u = Vect((1, 0, −1, 0), (0, 1, 0, −1)), de dimension 2. 3. Donc rg u = 4 − 2 = 2. 4. Les images de la base canonique sont (1, 1, 2), (1, −1, 0), (1, 1, 2), (1, −1, 0). Les deux premières sont libres et forment une base de Im u. 5. Toute image vérifie c = a + b, et les dimensions sont égales, donc Im u est le plan c = a + b.

piège : Donner les quatre images comme base, sans extraire une famille libre.

Exercice 2. Endomorphisme de carré nul

Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle

Soit E de dimension n et u dans L(E) avec u ∘ u = 0. Montrer que rg u ≤ n/2. Pour n = 4, construire un tel u de rang 2.

Technique composée nulle traduite en inclusion, puis théorème du rang.

Voir le corrigé
  1. Pour tout x, u(u(x)) = 0, donc Im u ⊂ Ker u. 2. Ainsi rg u ≤ n − rg u, soit 2 rg u ≤ n. 3. Pour n = 4, dans une base (e₁, e₂, e₃, e₄), on définit u par u(e₁) = 0, u(e₂) = e₁, u(e₃) = 0, u(e₄) = e₃, ce qui est licite par détermination par une base. 4. u ∘ u s'annule sur chaque vecteur de la base, donc u ∘ u = 0 par linéarité. Im u = Vect(e₁, e₃) est de dimension 2.

piège : Vérifier u ∘ u = 0 sur quelques vecteurs au lieu de tous les vecteurs d'une base.

Exercice 3. Noyau de u et noyau de u²

Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle

Soit u dans L(E). Montrer que Ker u ⊂ Ker u², puis que Ker u = Ker u² si et seulement si Ker u ∩ Im u = {0}. En dimension finie, en déduire que Ker u = Ker u² équivaut à E = Ker u ⊕ Im u.

Technique revenir aux éléments, puis appliquer le théorème du rang.

Voir le corrigé
  1. Si u(x) = 0, alors u(u(x)) = 0. 2. Sens direct : soit y = u(x) dans Ker u ∩ Im u. Alors u²(x) = u(y) = 0, donc x ∈ Ker u, et y = 0. 3. Réciproque : si u²(x) = 0, alors u(x) est dans Im u et dans Ker u, donc u(x) = 0. 4. En dimension finie, dim Ker u + dim Im u = dim E. La somme est directe exactement quand l'intersection est nulle, et elle vaut alors E par égalité des dimensions.

piège : Oublier que le point 4 exige la dimension finie. Sur K[X], la multiplication M par X est injective, donc Ker M = Ker M² = {0}, mais Im M ne contient pas 1, et Ker M ⊕ Im M n'est pas K[X].

Exercice 4. Opérateur de différence

Classiques de khôlle et concours · D'après un écrit CCINP PC

Pour n ≥ 1, soit Δ(P) = P(X + 1) − P(X) sur Rn[X]. Déterminer Ker Δ et Im Δ. Pour n ≥ 3, en déduire l'existence de P tel que Δ(P) = X², puis calculer Σ k² pour k de 0 à m.

Technique inclusion de l'image, théorème du rang, télescopage.

Voir le corrigé
  1. Si Δ(P) = 0, alors P(k) = P(0) pour tout entier naturel k. P − P(0) a une infinité de racines, donc il est nul. Ker Δ = R₀[X]. 2. Si P est de degré d ≥ 1 et de coefficient dominant a, Δ(P) est de degré d − 1 et de coefficient dominant ad. Donc Im Δ ⊂ Rn−1[X]. 3. rg Δ = (n + 1) − 1 = n = dim Rn−1[X], d'où Im Δ = Rn−1[X]. 4. On vérifie que P = X³/3 − X²/2 + X/6 convient. 5. On somme Δ(P)(k) = k² pour k de 0 à m. Par télescopage, Σ k² = P(m + 1) − P(0) = m(m + 1)(2m + 1)/6.

piège : Prendre n au lieu de n + 1 pour la dimension de Rn[X].

Exercice 5. Somme de deux projecteurs

Classiques de khôlle et concours · D'après un écrit CCINP PC

Soient p et q deux projecteurs de E. Montrer que p + q est un projecteur si et seulement si p ∘ q = q ∘ p = 0.

Technique développer sans commutativité, puis composer à gauche et à droite.

Voir le corrigé
  1. (p + q)² = p + q + p ∘ q + q ∘ p, donc p + q est un projecteur si et seulement si p ∘ q + q ∘ p = 0. 2. La condition suffisante est immédiate. 3. Réciproquement, on compose cette égalité par p à gauche, ce qui donne p ∘ q + p ∘ q ∘ p = 0, puis par p à droite, ce qui donne p ∘ q ∘ p + q ∘ p = 0. 4. Par soustraction, p ∘ q = q ∘ p, donc 2 p ∘ q = 0. Comme K est R ou C, p ∘ q = 0 = q ∘ p.

piège : Écrire (p + q)² = p² + 2pq + q², ce qui suppose la commutativité.

Exercice 6. Projection et symétrie dans R³

Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle

Soit H le plan x + y + z = 0 et D = Vect((1, 0, 0)). Justifier que R³ = H ⊕ D, puis exprimer la projection p sur H parallèlement à D et la symétrie s par rapport à H parallèlement à D.

Technique lire la composante sur D grâce à la forme qui définit H.

Voir le corrigé
  1. (1, 0, 0) a une somme de coordonnées égale à 1, donc D n'est pas contenue dans H, et R³ = H ⊕ D. 2. On écrit v = (x, y, z) = h + λ(1, 0, 0) avec h dans H. La forme φ(x, y, z) = x + y + z s'annule sur H, donc λ = x + y + z. 3. p(v) = v − λ(1, 0, 0) = (−y − z, y, z). 4. s = 2p − id donne s(v) = (−x − 2y − 2z, y, z). 5. Contrôle : la première coordonnée de s(s(v)) vaut x + 2y + 2z − 2y − 2z = x.

piège : Confondre le plan sur lequel on projette et la direction de projection.

Exercice 7. Un hyperplan en dimension infinie

Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit e3a

Soit E = C⁰([0, 1], R) et H l'ensemble des f d'intégrale nulle sur [0, 1]. Montrer que H est le noyau d'une forme linéaire non nulle, que E = H ⊕ C où C est la droite des constantes, et identifier la projection sur C parallèlement à H.

Technique décomposition explicite, car le théorème H ⊕ D n'est au programme qu'en dimension finie.

Voir le corrigé
  1. I : f ↦ ∫ f est une forme linéaire, non nulle car I(1) = 1, et H = Ker I. 2. Une constante c d'intégrale nulle vérifie c = 0, donc H ∩ C = {0}. 3. f = (f − I(f)) + I(f), où f − I(f) est d'intégrale nulle. 4. La projection sur C parallèlement à H associe à f la constante I(f).

piège : Invoquer un argument de dimension dans un espace de dimension infinie.

Exercice 8. Inégalité de Sylvester

Approfondissement · Niveau écrit Mines

Soient u dans L(E, F) et v dans L(F, G), avec F de dimension finie n. Montrer que rg u + rg v − n ≤ rg(v ∘ u).

Technique théorème du rang appliqué à la restriction de v à Im u.

Voir le corrigé
  1. Soit w la restriction de v à Im u. Son image est v(Im u) = Im(v ∘ u), donc rg w = rg(v ∘ u). 2. Ker w = Ker v ∩ Im u, de dimension au plus n − rg v. 3. Im u est de dimension finie rg u, et le théorème du rang donne rg(v ∘ u) = rg u − dim(Ker v ∩ Im u) ≥ rg u + rg v − n.

piège : Appliquer le théorème du rang à v ∘ u sur E, qui n'est pas forcément de dimension finie.

Exercice 9. Indice de nilpotence

Approfondissement · Niveau écrit Centrale

Soit E de dimension n et u dans L(E). On suppose up = 0 et up−1 ≠ 0 pour un entier p ≥ 1. Montrer que p ≤ n.

Technique exhiber une famille libre de p vecteurs.

Voir le corrigé
  1. On choisit x tel que up−1(x) ≠ 0. 2. On suppose Σ λk uk(x) = 0 pour k de 0 à p − 1, avec des λk non tous nuls, et on note j le plus petit indice tel que λj ≠ 0. 3. On applique up−1−j. Les termes d'indice k > j donnent un exposant au moins p, donc ils sont nuls. Il reste λj up−1(x) = 0. 4. Donc λj = 0, ce qui est absurde. La famille (x, u(x), …, up−1(x)) est libre, donc p ≤ n, et en particulier un = 0.

piège : Appliquer up−1 d'emblée, ce qui ne traite que λ₀.

Exercice 10. Endomorphisme qui conserve toutes les droites

Approfondissement · Type oral Centrale

Soit E ≠ {0} et u dans L(E) tel que (x, u(x)) est liée pour tout x. Montrer que u est une homothétie.

Technique identifier les coefficients sur une famille libre.

Voir le corrigé
  1. Pour x ≠ 0, il existe un unique scalaire λx tel que u(x) = λx x. 2. Si x et y sont libres, u(x + y) s'écrit λx+y(x + y) et λx x + λy y. Par liberté, λx = λx+y = λy. 3. Si y = μx avec μ ≠ 0, alors u(y) = μλ_x x = λx y, donc λy = λx. 4. λx est donc une constante λ, et u = λ id, ce qui reste vrai en 0.

piège : Oublier le cas de deux vecteurs colinéaires, seul cas présent en dimension 1.

Erreurs fréquentes

  1. Écrire le théorème du rang avec la dimension de l'espace d'arrivée, ou en déduire que E = Ker u ⊕ Im u, ce que dément u(x, y) = (y, 0).
  2. Utiliser injective ⇔ surjective en dimension infinie, ou entre deux espaces de dimensions différentes.
  3. Décrire un projecteur par sa seule image, sans donner sa direction Ker p.
  4. Croire que u(0) = 0 prouve la linéarité. Ce test est nécessaire mais pas suffisant, comme le montre x ↦ x².
  5. Développer (u + v)² ou (u + v)n par le binôme sans vérifier que u et v commutent.

Fiche de cours rédigée à partir du programme officiel de PCSI (2021), deuxième semestre, section « Espaces vectoriels et applications linéaires », paragraphe C « Applications linéaires ». Elle suppose connus les espaces vectoriels (paragraphe A) et la dimension (paragraphe B). K\K désigne R\R ou C\C, et EE, FF, GG désignent des K\K-espaces vectoriels.

Au concours

Les questions des sujets corrigés qui travaillent ce chapitre. La première question de chaque sujet est en accès libre.

CCINP 2025, PC, Mathématiques

  • Q1, en accès libre Endomorphisme de multiplication à gauche sur les matrices
  • Q2 et Q3 Endomorphisme de multiplication à gauche sur les matrices

Centrale-Supélec 2025, PC, Mathématiques 1

  • Q1, en accès libre Noyau de l'opérateur dérivée seconde et équation différentielle y''+λy=0
  • Q2 Noyau de l'opérateur dérivée seconde et équation différentielle y''+λy=0