Le cours
Résumé en cinq points
- Une application linéaire respecte les combinaisons linéaires. Elle est entièrement déterminée par les images des vecteurs d'une base.
- Le noyau mesure le défaut d'injectivité, l'image mesure la surjectivité, et le théorème du rang les relie : dimension de l'espace de départ égale dimension du noyau plus rang.
- En dimension finie égale au départ et à l'arrivée, injective, surjective et bijective sont trois propriétés équivalentes.
- Fixer des bases transforme une application linéaire en matrice, la composition en produit matriciel et la bijectivité en inversibilité.
- Changer de base transforme la matrice en . Deux matrices ainsi reliées sont dites semblables et représentent le même endomorphisme.
Pourquoi ce chapitre
Une application linéaire est une transformation qui respecte l'addition des vecteurs et la multiplication par un réel. Elle modélise de nombreuses situations concrètes :
- une technologie de production qui transforme des quantités d'intrants en quantités de produits ;
- une matrice de transition qui transforme une répartition de population en la répartition suivante ;
- une dérivation sur des polynômes.
Le chapitre fait le lien entre deux points de vue. Le point de vue géométrique parle de noyau, d'image et de rang. Le point de vue calculatoire parle de matrices. Une fois une base fixée, composer deux applications linéaires revient à multiplier deux matrices, et une application linéaire est bijective si et seulement si sa matrice est inversible.
Le théorème du rang, admis au programme, est l'outil de comptage central. Le changement de base prépare la réduction des matrices du chapitre suivant, puisque diagonaliser, c'est chercher une base dans laquelle la matrice est diagonale.
1Applications linéaires
1.1Définition
Définition 1.1Application linéaire
Soient et deux espaces vectoriels réels de dimension finie. Une application de dans est linéaire lorsque, pour tous vecteurs et de et tous réels et :
Conséquence immédiate : .
Attention
C'est le premier test à faire. Une application qui n'envoie pas le vecteur nul sur le vecteur nul n'est pas linéaire.
Définition 1.2Vocabulaire
- Un endomorphisme de est une application linéaire de dans .
- Un isomorphisme est une application linéaire bijective.
- Un automorphisme est un endomorphisme bijectif.
1.2Exemples
Exemple 1.3Applications linéaires
- L'application de dans définie par est linéaire.
- L'application de dans lui-même qui à associe est un endomorphisme.
- L'application de dans lui-même qui à associe , où est une matrice fixée, est un endomorphisme.
Exemple 1.4Applications non linéaires
- L'application de dans n'est pas linéaire, car elle n'envoie pas sur . On dit qu'elle est affine.
- L'application de dans définie par n'est pas linéaire, car et non .
1.3Composée
Propriété 1.5Composée
Si est linéaire de dans et est linéaire de dans , alors est linéaire de dans . La composée de deux isomorphismes est un isomorphisme, et la réciproque d'un isomorphisme est encore un isomorphisme.
1.4Une application linéaire est déterminée par l'image d'une base
Propriété 1.6Détermination par l'image d'une base
Hypothèses
- est linéaire de dans ;
- est une base de .
Alors est entièrement déterminée par les vecteurs . En effet, si , la linéarité donne
C'est ce résultat qui permet de coder une application linéaire par une matrice.
2Noyau, image, rang
2.1Noyau
Définition 2.1Noyau
Le noyau de , noté , est l'ensemble des vecteurs de tels que . C'est un sous-espace vectoriel de .
Propriété 2.2Caractérisation de l'injectivité
L'application est injective si et seulement si .
En pratique, déterminer le noyau revient à résoudre un système linéaire homogène.
2.2Image
Définition 2.3Image
L'image de , notée , est l'ensemble des vecteurs de de la forme pour dans . C'est un sous-espace vectoriel de .
Par définition, est surjective si et seulement si .
Propriété 2.4Image et base
Si est une base de , alors
C'est la méthode de calcul standard : on calcule les images des vecteurs de base, et on en extrait une famille libre.
2.3Rang
Définition 2.5Rang
Le rang de , noté , est la dimension de . C'est aussi le rang de la famille .
2.4Théorème du rang
Théorème 2.6Théorème du rang
Hypothèses
- est une application linéaire de dans ;
- est de dimension finie.
Alors
Résultat admis au programme : il n'y a pas de démonstration à connaître. Il faut savoir l'utiliser dans les deux sens. Si on connaît le noyau, on en déduit le rang. Si on connaît le rang, on en déduit la dimension du noyau.
Attention
La dimension qui apparaît à gauche est celle de l'espace de départ, jamais celle de l'espace d'arrivée. C'est l'erreur la plus fréquente.
Exemple 2.7
Soit de dans dont le noyau est de dimension 2. Alors . Comme , n'est pas surjective.
2.5Caractérisation des isomorphismes en dimension finie
Théorème 2.8Caractérisation des isomorphismes
Hypothèses
- et sont de même dimension finie ;
- est linéaire de dans .
Alors les propriétés suivantes sont équivalentes :
- est bijective ;
- est injective ;
- est surjective ;
- ;
- .
C'est une conséquence directe du théorème du rang. Pour prouver qu'un endomorphisme d'un espace de dimension finie est bijectif, il suffit de montrer que son noyau est réduit au vecteur nul.
Exemple 2.9Contre-exemple quand les dimensions diffèrent
L'application de dans définie par est surjective mais pas injective. Il n'y a aucune contradiction, car les dimensions ne sont pas égales : l'équivalence exige .
3Matrice d'une application linéaire
3.1Définition
Définition 3.1Matrice d'une application linéaire
Soient de dimension muni d'une base , et de dimension muni d'une base . La matrice de dans les bases et , notée , est la matrice à lignes et colonnes dont la -ième colonne est formée des coordonnées de dans la base .
À retenir
Une colonne par vecteur de la base de départ, les coordonnées étant lues dans la base d'arrivée.
Quand est un endomorphisme de et que l'on prend la même base au départ et à l'arrivée, on note simplement . C'est une matrice carrée d'ordre .
3.2Le calcul des images
Propriété 3.2Calcul d'une image
Si est la colonne des coordonnées de dans , et celle de dans , alors
Calculer une image revient donc à un produit matriciel.
3.3Produit matriciel et composition
Propriété 3.3Matrice d'une composée
Hypothèses
- va de dans et de dans ;
- , et sont des bases de , et .
Alors
L'ordre est inversé par rapport à l'écriture de la composée, exactement comme pour les applications. C'est la raison pour laquelle le produit matriciel est défini de cette façon.
Propriété 3.4Endomorphismes et inversibilité
Pour un endomorphisme de :
- ;
- est un automorphisme si et seulement si est inversible, auquel cas .
3.4Rang d'une matrice et rang d'une application
Propriété 3.5Rang
Le rang de est égal au rang de la matrice , quelles que soient les bases choisies.
Le rang d'une matrice, notion vue en première année, est le rang de la famille de ses colonnes. On le calcule par le pivot de Gauss. Pour obtenir le rang d'une application linéaire, on écrit sa matrice dans les bases canoniques et on échelonne.
Exemple 3.6
L'application de dans définie par a pour matrice dans la base canonique la matrice dont les colonnes sont , et . La troisième colonne est la différence des deux premières. Le rang est donc 2, le noyau est de dimension 1, et n'est pas bijective.
4Changement de base
4.1Matrice de passage
Définition 4.1Matrice de passage
Soient et deux bases du même espace de dimension . La matrice de passage de à , notée , est la matrice carrée d'ordre dont les colonnes sont les coordonnées des vecteurs de exprimées dans la base .
Propriété 4.2Inversibilité
Une matrice de passage est toujours inversible, et
À retenir
La matrice de passage de à contient la nouvelle base écrite dans l'ancienne.
4.2Formule sur les coordonnées
Propriété 4.3Changement de coordonnées
Pour tout vecteur de , en notant et les colonnes de ses coordonnées dans chaque base :
Attention
Le sens de la formule surprend souvent. La matrice de passage transforme les nouvelles coordonnées en anciennes coordonnées. Pour obtenir les nouvelles à partir des anciennes, il faut inverser.
4.3Formule sur les matrices d'un endomorphisme
Propriété 4.4Changement de base pour un endomorphisme
Hypothèses
- est un endomorphisme de ;
- .
Alors
Un même endomorphisme possède autant de matrices que de bases, et toutes se déduisent les unes des autres par cette conjugaison. C'est la formule clef de la fin de l'année.
4.4Matrices semblables
Définition 4.5Matrices semblables
Deux matrices carrées et d'ordre sont semblables lorsqu'il existe une matrice inversible telle que .
Interprétation : et sont semblables si et seulement si elles représentent le même endomorphisme dans deux bases différentes.
Propriété 4.6Propriétés des matrices semblables
Hypothèse : .
Alors :
- et ont le même rang ;
- pour tout entier naturel .
Ce dernier point rendra le calcul des puissances facile dès qu'on saura rendre l'une des deux matrices diagonale.
Attention
Deux matrices de même rang ne sont pas nécessairement semblables. La matrice identité d'ordre 2 et la matrice dont les coefficients sont sur la première ligne et sur la seconde ont toutes deux un rang égal à 2, mais elles ne sont pas semblables, car la seule matrice semblable à l'identité est l'identité elle-même.
Méthodes
MéthodeMontrer qu'une application est linéaire
Vérifier en une seule fois, plutôt qu'en deux étapes séparées.
MéthodeDéterminer le noyau
- Résoudre , c'est-à-dire un système homogène.
- Donner une base du noyau et sa dimension.
MéthodeDéterminer l'image
- Calculer les images des vecteurs de la base de départ.
- En extraire une famille libre par le pivot.
MéthodeVérifier la cohérence
La somme de la dimension du noyau et du rang doit valoir la dimension de l'espace de départ. C'est un contrôle gratuit en fin de question.
MéthodeProuver qu'un endomorphisme est bijectif
En dimension finie, montrer que son noyau est réduit au vecteur nul.
MéthodeÉcrire une matrice dans une base
Une colonne par vecteur de la base de départ, coordonnées dans la base d'arrivée.
MéthodeChanger de base
- Écrire en mettant la nouvelle base en colonnes dans l'ancienne.
- Vérifier que est inversible.
- Appliquer .
Ce qu'il faut savoir refaire en khôlle
- Montrer qu'une application donnée de dans est linéaire, et donner sa matrice dans les bases canoniques.
- Déterminer noyau, image, rang d'une application linéaire explicite, et vérifier le théorème du rang.
- Énoncer le théorème du rang avec ses hypothèses exactes, et dire qu'il est admis.
- Démontrer qu'une application linéaire est injective si et seulement si son noyau est réduit au vecteur nul.
- Prouver qu'un endomorphisme d'un espace de dimension finie est bijectif en calculant seulement son noyau.
- Écrire une matrice de passage entre deux bases de , l'inverser, et en déduire la matrice d'un endomorphisme dans la nouvelle base.
- Justifier que deux matrices semblables ont même rang et que leurs puissances se correspondent.
- Traiter l'exemple de l'endomorphisme de dérivation sur : matrice dans la base canonique, noyau, image, rang.
Méthodes et exercices
Les résultats à connaître
- Si f est linéaire, f(0E) = 0F. Exigible avec démonstration, f(0) = f(0 × 0) = 0 × f(0).
- La composée de deux applications linéaires est linéaire. La réciproque d'un isomorphisme est linéaire. Exigibles avec démonstration.
- Une application linéaire est déterminée par les images des vecteurs d'une base. Exigible avec démonstration, par linéarité sur les coordonnées.
- Ker(f) est un sous-espace vectoriel de E, Im(f) un sous-espace vectoriel de F. Exigibles avec démonstration.
- f est injective si et seulement si Ker(f) = {0E}. Exigible avec démonstration, c'est la preuve du chapitre.
- Si (e₁, …, ep) est une base de E, Im(f) = Vect(f(e₁), …, f(ep)). Exigible avec démonstration, et c'est la méthode de calcul de l'image.
- Théorème du rang. Si E est de dimension finie, dim E = dim Ker(f) + rg(f). Admis au programme.
- Si dim E = dim F, alors f injective, f surjective, f bijective, rg(f) = dim E sont équivalents. Exigible avec démonstration à partir du théorème du rang.
- Y = Mat(f) X, matrice d'une composée égale produit des matrices, rang de f égal au rang de sa matrice. Admis, à savoir utiliser.
- f automorphisme si et seulement si Mat_B(f) inversible, et alors Mat_B(f⁻¹) = Mat_B(f)⁻¹. Exigible à partir du précédent.
- Matrice de passage P de B à B′, colonnes égales aux vecteurs de B′ écrits dans B. P inversible, P⁻¹ est la matrice de passage de B′ à B. XB = P XB′. MatB′(f) = P⁻¹ Mat_B(f) P. Admis, à savoir retrouver le sens.
- Deux matrices semblables ont même rang, et si B = P⁻¹AP alors Bᵏ = P⁻¹AᵏP. Exigibles avec démonstration.
- Hors programme, à signaler. La trace, le déterminant hors ordre 2, les projecteurs et symétries comme théorie, les sous-espaces stables, la dualité. Un exercice sur p ∘ p = p n'utilise que les définitions, il reste licite.
Clés de démonstration
Injectivité et noyau. Si Ker(f) = {0} et f(x) = f(y), alors f(x − y) = 0 par linéarité, donc x − y = 0. Réciproquement si f est injective, f(x) = 0 = f(0) impose x = 0. Astuce, la linéarité transforme « deux images égales » en « une image nulle ».
Image engendrée par les images de la base. Tout x s'écrit Σ xᵢeᵢ, donc f(x) = Σ xᵢf(eᵢ) est dans Vect des f(eᵢ). Réciproquement chaque f(eᵢ) est dans Im(f), qui est un sous-espace. Astuce, double inclusion, l'une par linéarité, l'autre par stabilité.
Caractérisation des isomorphismes. Si f est injective, dim Ker = 0, donc rg(f) = dim E = dim F, donc Im(f) = F par égalité des dimensions, f surjective. Le sens inverse se lit de la même façon. Astuce, le théorème du rang transfère l'information d'un côté à l'autre.
Sens de la formule de passage. Le vecteur x = Σ x′ⱼe′ⱼ, et chaque e′ⱼ a pour coordonnées dans B la colonne j de P. Donc les coordonnées de x dans B valent P XB′. Astuce, P convertit les nouvelles coordonnées en anciennes, jamais l'inverse.
Puissances de matrices semblables. Bᵏ⁺¹ = Bᵏ B = P⁻¹AᵏP P⁻¹AP = P⁻¹Aᵏ⁺¹P, les P P⁻¹ centraux disparaissent. Astuce, récurrence en une ligne.
Rang invariant par similitude. A et P⁻¹AP représentent le même endomorphisme dans deux bases, et le rang de l'endomorphisme ne dépend pas de la base. Astuce, revenir à l'interprétation, pas au calcul.
Exemples et contre-exemples à connaître
- x ↦ x + 1 n'est pas linéaire, elle n'envoie pas 0 sur 0. (x, y) ↦ xy non plus, f(2x, 2y) = 4f(x, y).
- La dérivation sur Rn[x] est un endomorphisme ni injectif, les constantes sont dans le noyau, ni surjectif, l'image est Rn−1[x]. Le théorème du rang donne n + 1 = 1 + n.
- (x, y, z) ↦ (x, y) de R³ dans R² est surjective et non injective. Aucune contradiction, les dimensions diffèrent.
- (x, y) ↦ (x + y, x − y) est un automorphisme de R², son noyau est réduit à zéro.
- M ↦ ᵗM est un automorphisme de Mn(R), égal à sa propre réciproque.
- L'identité I₂ et la matrice de lignes (1, 1) et (0, 1) ont même rang 2 et ne sont pas semblables, la seule matrice semblable à I est I.
- Une application linéaire de R² dans R³ n'est jamais surjective, son rang est au plus 2. Une application linéaire de R³ dans R² n'est jamais injective, son noyau a une dimension au moins 1.
- La matrice de lignes (0, 1) et (−1, 0) vérifie J² = −I, donc J est inversible d'inverse −J. L'endomorphisme associé est un automorphisme sans aucun vecteur envoyé sur un multiple de lui-même.
- Pour un endomorphisme, Mat_B(f)² = Mat_B(f ∘ f). Composer deux fois, c'est élever la matrice au carré.
- Si p ∘ p = p, alors tout x s'écrit p(x) + (x − p(x)) avec p(x) ∈ Im(p) et x − p(x) ∈ Ker(p). Le noyau et l'image se complètent, la matrice devient diagonale dans une base adaptée.
Techniques du chapitre
Prouver la linéarité en une fois. Mini-exercice, f(x, y) = (2x − y, x + 3y). Pour u = (x, y), v = (x′, y′) et λ, μ réels, f(λu + μv) = (2(λx + μx′) − (λy + μy′), (λx + μx′) + 3(λy + μy′)) = λf(u) + μf(v).
Noyau par système. Mini-exercice, la même f. f(x, y) = (0, 0) donne 2x = y et x = −3y, donc x = −6x, x = 0, y = 0. Ker(f) = {0}, f injective, donc automorphisme de R² par égalité des dimensions.
Image par les images de la base. Mini-exercice, g(x, y, z) = (x + y, y + z) de R³ dans R². Images de la base, (1, 0), (1, 1), (0, 1). Deux d'entre elles ne sont pas colinéaires, Im(g) = R², rang 2, dim Ker = 3 − 2 = 1.
Contrôle par le théorème du rang. Mini-exercice, un candidat trouve pour un endomorphisme de R³ un noyau de dimension 1 et une image de dimension 1. C'est faux sans même relire, 1 + 1 ≠ 3.
Écrire la matrice. Mini-exercice, la f ci-dessus dans la base canonique. Colonnes f(e₁) = (2, 1) et f(e₂) = (−1, 3), matrice de lignes (2, −1) et (1, 3).
Changer de base. Mini-exercice, B′ = ((1, 1), (1, −1)) dans R². P a pour colonnes (1, 1) et (1, −1), déterminant −2, P⁻¹ = (1/2) × matrice de lignes (1, 1) et (1, −1). Les coordonnées de (3, 1) dans B′ sont P⁻¹(3, 1) = (2, 1). Contrôle, 2(1, 1) + 1(1, −1) = (3, 1).
Bijectivité par le noyau seul. Mini-exercice, T sur R2[x] défini par T(P) = P + P′. Si P + P′ = 0 et P ≠ 0, le degré de P′ est strictement inférieur à celui de P, donc le terme dominant de P + P′ est celui de P, non nul. Contradiction. Ker(T) = {0}, T automorphisme.
Exercices classiques corrigés
Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.
Exercice 1. Noyau, image, rang d'un endomorphisme de R³
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
Soit f(x, y, z) = (x − y, y − z, x − z). Montrer que f est un endomorphisme de R³, donner sa matrice dans la base canonique, déterminer Ker(f), Im(f), rg(f).
Technique matrice par colonnes, noyau par système, image par colonnes.
Voir le corrigé
- Chaque coordonnée est une combinaison linéaire de x, y, z, f est linéaire. 2. Colonnes f(e₁) = (1, 0, 1), f(e₂) = (−1, 1, 0), f(e₃) = (0, −1, −1). 3. Noyau, x = y, y = z, donc Ker(f) = Vect((1, 1, 1)), dimension 1. 4. Théorème du rang, rg(f) = 3 − 1 = 2. Les deux premières colonnes ne sont pas colinéaires, Im(f) = Vect((1, 0, 1), (−1, 1, 0)). C'est le plan d'équation z = x + y, car (x − y) + (y − z) = x − z.
piège : Chercher l'image en résolvant un système. Les images des vecteurs de base la donnent directement.
Exercice 2. Dérivation sur R2[x]
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
Soit D l'endomorphisme de R2[x] qui à P associe P′. Donner sa matrice N dans la base canonique, son noyau, son image, son rang. Calculer N³.
Technique images de 1, x, x², lecture en colonnes.
Voir le corrigé
- D(1) = 0, D(x) = 1, D(x²) = 2x. Matrice N de lignes (0, 1, 0), (0, 0, 2), (0, 0, 0). 2. Ker(D) est l'ensemble des polynômes constants, dimension 1. 3. Im(D) = Vect(1, 2x) = R1[x], rang 2, et 1 + 2 = 3. 4. N² a pour seule entrée non nulle un 2 en position (1, 3), et N³ = 0. Interprétation, dériver trois fois un polynôme de degré au plus 2 donne 0.
piège : Écrire les images en lignes au lieu de colonnes.
Exercice 3. Isomorphisme d'évaluation
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
Soit φ de R2[x] dans R³ définie par φ(P) = (P(0), P(1), P(2)). Montrer que φ est un isomorphisme et donner sa matrice dans les bases canoniques.
Technique linéarité, noyau par système, puis égalité des dimensions.
Voir le corrigé
- φ(λP + μQ) = λφ(P) + μφ(Q) car l'évaluation en un point est linéaire. 2. Si P = a + bx + cx² est dans le noyau, a = 0, a + b + c = 0, a + 2b + 4c = 0. Donc b + c = 0 et 2b + 4c = 0, soit 2c = 0, puis c = 0, b = 0. Ker(φ) = {0}. 3. φ injective entre espaces de dimension 3, donc bijective. 4. Colonnes φ(1) = (1, 1, 1), φ(x) = (0, 1, 2), φ(x²) = (0, 1, 4). Interprétation, pour tout triplet de valeurs, il existe un unique polynôme de degré au plus 2 qui les prend en 0, 1, 2.
piège : Invoquer « un polynôme de degré 2 avec trois racines est nul », résultat non disponible dans ce programme. Le système suffit.
Exercice 4. Matrice de rang 1
Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit Ecricome
Soit A la matrice d'ordre 3 de lignes (1, 2, 3), (2, 4, 6), (3, 6, 9), et f l'endomorphisme de R³ associé. Déterminer rg(f), Im(f), Ker(f). Montrer que f ∘ f = 14f.
Technique colonnes proportionnelles, noyau par une seule équation.
Voir le corrigé
- Les trois colonnes sont (1, 2, 3), 2(1, 2, 3), 3(1, 2, 3). Im(f) = Vect((1, 2, 3)), rg(f) = 1. 2. Les trois lignes sont proportionnelles à (1, 2, 3), donc AX = 0 équivaut à x + 2y + 3z = 0. Ker(f) est ce plan, de base ((−2, 1, 0), (−3, 0, 1)), dimension 2, et 1 + 2 = 3. 3. A = U ᵗU avec U la colonne (1, 2, 3). Alors A² = U(ᵗU U)ᵗU = 14 U ᵗU = 14A car ᵗU U = 1 + 4 + 9 = 14. Donc f ∘ f = 14f.
piège : Calculer A² coefficient par coefficient, neuf produits de trois termes, alors que la factorisation le donne en une ligne.
Exercice 5. Changement de base explicite
Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit Ecricome
Soit f l'endomorphisme de R² de matrice A de lignes (3, 1) et (−1, 1) dans la base canonique. Soient u = (1, −1) et v = (1, 0). Montrer que (u, v) est une base, calculer f(u) et f(v), écrire la matrice de f dans cette base, et vérifier avec la formule P⁻¹AP.
Technique images des nouveaux vecteurs exprimées dans la nouvelle base.
Voir le corrigé
- u et v ne sont pas colinéaires, deux vecteurs en dimension 2, base. 2. f(u) = (3 − 1, −1 − 1) = (2, −2) = 2u. f(v) = (3, −1) = au + bv donne a + b = 3 et −a = −1, donc a = 1, b = 2, f(v) = u + 2v. 3. Matrice de f dans (u, v), lignes (2, 1) et (0, 2). 4. P a pour colonnes u et v, lignes (1, 1) et (−1, 0), déterminant 1, P⁻¹ de lignes (0, −1) et (1, 1). AP a pour lignes (2, 3) et (−2, −1), puis P⁻¹AP a pour lignes (2, 1) et (0, 2). Cohérent.
piège : Écrire u et v en lignes dans P, ou confondre P et P⁻¹ dans la formule.
Exercice 6. Propriétés des matrices semblables
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
Soient A et B semblables, B = P⁻¹AP. Montrer que Bᵏ = P⁻¹AᵏP pour tout k. Montrer que si A est inversible, B l'est. Montrer que la seule matrice semblable à I est I, et en déduire que la matrice T de lignes (1, 1) et (0, 1) n'est pas semblable à I bien qu'elle ait le même rang.
Technique récurrence, puis calcul direct.
Voir le corrigé
- Vrai pour k = 0. Si Bᵏ = P⁻¹AᵏP, alors Bᵏ⁺¹ = P⁻¹AᵏP P⁻¹AP = P⁻¹Aᵏ⁺¹P. 2. Si A est inversible, (P⁻¹A⁻¹P)B = P⁻¹A⁻¹AP = I, donc B est inversible d'inverse P⁻¹A⁻¹P. 3. P⁻¹IP = P⁻¹P = I pour toute P inversible. 4. T ≠ I, donc T n'est pas semblable à I. Pourtant T est triangulaire à diagonale non nulle, donc inversible, de rang 2 comme I.
piège : Croire que même rang implique semblables.
Exercice 7. Un endomorphisme vérifiant p ∘ p = p
Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit BCE, EDHEC ou emlyon
Soit p l'endomorphisme de R³ de matrice (1/3)J, où J est la matrice d'ordre 3 dont tous les coefficients valent 1. Montrer que p ∘ p = p. Déterminer Ker(p) et Im(p). Montrer que (u₁, u₂, u₃) = ((1, 1, 1), (1, −1, 0), (1, 0, −1)) est une base de R³ et écrire la matrice de p dans cette base.
Technique J² = 3J, noyau par une équation, base adaptée.
Voir le corrigé
- Chaque coefficient de J² est une somme de trois 1, J² = 3J, donc ((1/3)J)² = (1/9)(3J) = (1/3)J. 2. Ker(p), x + y + z = 0, plan de dimension 2, engendré par u₂ et u₃. Im(p) = Vect((1, 1, 1)), rang 1, et 2 + 1 = 3. 3. La famille est libre, car au₁ + bu₂ + cu₃ = 0 donne a + b + c = 0, a − b = 0, a − c = 0, donc a = b = c puis 3a = 0. Trois vecteurs libres, base. 4. p(u₁) = (1/3)(3, 3, 3) = u₁, p(u₂) = 0, p(u₃) = 0. Matrice diagonale de coefficients 1, 0, 0. Interprétation, p projette sur la droite Vect(u₁) parallèlement au plan Ker(p). Le vocabulaire de projecteur n'est pas au programme, le calcul l'est.
piège : Oublier de vérifier la liberté de (u₁, u₂, u₃) avant d'y écrire une matrice.
Exercice 8. Inverse d'un endomorphisme de polynômes
Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit BCE, EDHEC ou emlyon
Soit T défini sur R2[x] par T(P) = P + P′. Donner la matrice de T dans la base canonique, montrer que T est un automorphisme et déterminer T⁻¹. Résoudre l'équation P + P′ = x².
Technique matrice triangulaire, puis identité (Id + D)(Id − D + D²) = Id avec D³ = 0.
Voir le corrigé
- T = Id + D où D est la dérivation de l'exercice 2. Matrice I + N, de lignes (1, 1, 0), (0, 1, 2), (0, 0, 1). 2. Triangulaire à diagonale non nulle, donc inversible, résultat de première année. T est un automorphisme. 3. (Id + D) ∘ (Id − D + D²) = Id − D + D² + D − D² + D³ = Id car D³ = 0. Un inverse à droite est l'inverse, donc T⁻¹ = Id − D + D², de matrice I − N + N², lignes (1, −1, 2), (0, 1, −2), (0, 0, 1). 4. P = T⁻¹(x²) = x² − 2x + 2. Contrôle, P + P′ = x² − 2x + 2 + 2x − 2 = x².
piège : Inverser I + N par le pivot alors que la relation D³ = 0 donne l'inverse sans calcul.
Exercice 9. Endomorphisme de carré nul
Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit BCE, ESSEC ou HEC
Soit f un endomorphisme de E, de dimension n, tel que f ∘ f = 0. Montrer que Im(f) ⊂ Ker(f), puis que rg(f) ≤ n/2. Donner un exemple avec n = 2 et rg(f) = 1.
Technique inclusion par définition, puis théorème du rang.
Voir le corrigé
- Si y ∈ Im(f), y = f(x) pour un x, et f(y) = f(f(x)) = 0, donc y ∈ Ker(f). 2. L'inclusion donne rg(f) = dim Im(f) ≤ dim Ker(f) = n − rg(f), donc 2 rg(f) ≤ n. 3. Exemple, la matrice N de lignes (0, 1) et (0, 0) vérifie N² = 0, rang 1 = 2/2.
piège : Écrire Ker(f) ⊂ Im(f) au lieu de l'inclusion inverse. On vérifie sur l'exemple, Im(N) = Ker(N) = Vect((1, 0)).
Erreurs fréquentes
- Écrire le théorème du rang avec la dimension de l'espace d'arrivée.
- Conclure à la bijectivité par le seul noyau quand les dimensions de départ et d'arrivée diffèrent.
- Mettre les images en lignes dans une matrice, ou lire les coordonnées dans la base de départ au lieu de la base d'arrivée.
- Inverser le sens de XB = P XB′, ou écrire P Mat_B(f) P⁻¹ à la place de P⁻¹ Mat_B(f) P.
- Déduire « semblables » de « même rang ».
Fiche de cours rédigée à partir du programme officiel de mathématiques appliquées de deuxième année, voie EC, enseignement du troisième semestre, partie « Algèbre linéaire », paragraphe « Endomorphismes d'un espace vectoriel réel de dimension finie ». Le chapitre précédent, sur les espaces vectoriels de dimension finie, est supposé acquis.