Maitriser les sommes de sous espaces vectoriels - Exercice 1

30 min
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Soient EE, FF et GG trois ensembles définis par :
∙  E={ (x ; y ; z)∈R3  ∣  x−y+z=0 }\bullet \,\, E = \left\lbrace \, (x \,;\, y \,;\, z) \in \mathbb{R}^3 \,\, | \,\, x - y + z = 0 \, \right\rbrace
∙∙  F={ x(2 ; 3 ; 0)  ∣  x∈R }\bullet \bullet \,\, F = \left\lbrace \, x(2 \,;\, 3 \,;\, 0) \,\, | \,\, x \in \mathbb{R} \, \right\rbrace
∙∙∙  G=Vect(w1 ; w2)\bullet \bullet\bullet \,\, G = \mathrm{Vect}(w_1 \,;\, w_2) avec w1=(−2 ; 1 ; 0)w_1 = (-2 \,;\, 1 \,;\, 0) et w2=(−4 ; 0 ; 1)w_2 = (-4 \,;\, 0 \,;\, 1).
Question 1

Démontrer que EE est un sous-espace vectoriel de R3\mathbb{R}^3.

Correction
Il est évident que EE est inclus dans R3\mathbb{R}^3.
De plus l'élément nul de R3\mathbb{R}^3 est 0R3=(0 ; 0 ; 0)0_{\mathbb{R}^3} = (0 \,;\, 0 \,;\, 0). Cet élément nul appartient à l'ensemble EE car il satisfait à la définition de EE. En effet, on a : 0−0+0=00-0+0 = 0.
Enfin vérifions la stabilité par la combinaison linéaire. On désigne par λ\lambda un nombre réel et on note par u=(x ; y ; z)u = (x \,;\, y \,;\, z) et u′=(x′ ; y′ ; z′)u' = (x' \,;\, y' \,;\, z') deux élément quelconque de l'ensemble EE, donc vérifiant : x−y+z=0x - y + z = 0 et x′−y′+z′=0x' - y' + z' = 0.
On a alors :
u+λv=(x ; y ; z)+λ(x′ ; y′ ; z′)u + \lambda v = (x \,;\, y \,;\, z) + \lambda (x' \,;\, y' \,;\, z')
Donc :
u+λv=(x+λx′ ; y+λy′ ; z+λz′)u + \lambda v = (x + \lambda x' \,;\, y + \lambda y' \,;\, z + \lambda z')
Soit :
u+λv=(x+λx′)−(y+λy′)+(z+λz′)u + \lambda v = (x + \lambda x') - (y + \lambda y') + (z + \lambda z')
Soit encore :
u+λv=x−y+z+λ(x′−y′+z′)u + \lambda v = x - y + z + \lambda (x' - y' + z')
D'où :
u+λv=0+λ(0)u + \lambda v = 0 + \lambda (0)
Ainsi :
u+λv=0u + \lambda v = 0
En conclusion, si (u ; v)∈E2(u\,;\,v) \in E^2 alors (u+λv)∈E(u + \lambda v) \in E avec λ∈R\lambda \in \mathbb{R}. De fait l'ensemble EE est un sous-espace vectoriel de R3\mathbb{R}^3.
Question 2

Déterminer une base de EE.

Correction
On a :
E={ (x ; y ; z)∈R3  ∣  x−y+z=0 }E = \left\lbrace \, (x \,;\, y \,;\, z) \in \mathbb{R}^3 \,\, | \,\, x - y + z = 0 \, \right\rbrace
Soit encore :
E={ (x ; y ; z)∈R3  ∣  z=y−x }E = \left\lbrace \, (x \,;\, y \,;\, z) \in \mathbb{R}^3 \,\, | \,\, z = y - x \, \right\rbrace
Ce qui nous permet d'écrire que
E={ (x ; y ; −x+y)∈E  ∣  (x ; y)∈R2 }E = \left\lbrace \, (x \,;\, y \,;\, -x + y) \in E \,\, | \,\, (x \,;\, y) \in \mathbb{R}^2 \, \right\rbrace
D'où :
E={ (x ; 0 ; −x)+(0 ; y ; y)∈E  ∣  (x ; y)∈R2 }E = \left\lbrace \, (x \,;\, 0 \,;\, -x) + (0 \,;\, y \,;\, y) \in E \,\, | \,\, (x \,;\, y) \in \mathbb{R}^2 \, \right\rbrace
Ainsi :
E={ x(1 ; 0 ; −1)+y(0 ; 1 ; 1)∈E  ∣  (x ; y)∈R2 }E = \left\lbrace \, x(1 \,;\, 0 \,;\, -1) + y(0 \,;\, 1 \,;\, 1) \in E \,\, | \,\, (x \,;\, y) \in \mathbb{R}^2 \, \right\rbrace
Donc l'ensemble EE est engendré par les deux vecteurs (1 ; 0 ; −1)(1 \,;\, 0 \,;\, -1) et (0 ; 1 ; 1)(0 \,;\, 1 \,;\, 1). Vérifions maintenant si ces deux vecteurs forment un famille libre dans R3\mathbb{R}^3. Pour cela désignons α\alpha et β\beta deux sclaires de R\mathbb{R}, d'où :
α(1 ; 0 ; −1)+β(0 ; 1 ; 1)=0E  ⟹  (α ; β ; −α+β)=(0 ; 0 ; 0)  ⟹  {α=0β=0−α+β=0  ⟹  α=β=0\alpha(1 \,;\, 0 \,;\, -1) + \beta(0 \,;\, 1 \,;\, 1) = 0_{E} \,\, \Longrightarrow \,\, (\alpha \,;\, \beta \,;\, -\alpha + \beta) = (0 \,;\, 0 \,;\, 0) \,\, \Longrightarrow \,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} \alpha & = & 0 \\ \beta & = & 0 \\ -\alpha + \beta & = & 0\end{array} \right. \,\, \Longrightarrow \,\, \alpha = \beta = 0
Donc les deux vecteurs (1 ; 0 ; −1)(1 \,;\, 0 \,;\, -1) et (0 ; 1 ; 1)(0 \,;\, 1 \,;\, 1) forment un famille libre dans R3\mathbb{R}^3.
En conclusion l'ensemble ((1 ; 0 ; −1) ; (0 ; 1 ; 1))\big( (1 \,;\, 0 \,;\, -1) \,;\, (0 \,;\, 1 \,;\, 1) \big) forme une base de EE.
Question 3

Déterminer la dimension de EE.

Correction
L'ensemble ((1 ; 0 ; −1) ; (0 ; 1 ; 1))\big( (1 \,;\, 0 \,;\, -1) \,;\, (0 \,;\, 1 \,;\, 1) \big) qui forme une base de EE contient deux éléments de EE. Donc :
dim⁡(E)=2\dim (E) = 2
Question 4

Démontrer que FF est un sous-espace vectoriel de R3\mathbb{R}^3.

Correction
Il est évident que FF est inclus dans R3\mathbb{R}^3.
De plus l'élément nul de R3\mathbb{R}^3 est 0R3=(0 ; 0 ; 0)0_{\mathbb{R}^3} = (0 \,;\, 0 \,;\, 0). Cet élément nul appartient à l'ensemble FF car il satisfait à la définition de EE. En effet, on a : 0(2 ; 3 ; 0)=(0 ; 0 ; 0)=0R30(2 \,;\, 3 \,;\, 0) = (0 \,;\, 0 \,;\, 0) = 0_{\mathbb{R}^3}.
Enfin vérifions la stabilité par la combinaison linéaire. On désigne par λ\lambda un nombre réel et on note par u=x(2 ; 3 ; 0)u = x(2 \,;\, 3 \,;\, 0) et u′=x′(2 ; 3 ; 0)u' = x'(2 \,;\, 3 \,;\, 0) deux élément quelconque de l'ensemble FF.
On a alors :
u+λv=x(2 ; 3 ; 0)+λx′(2 ; 3 ; 0)=(x+λx′)(2 ; 3 ; 0)∈Fu + \lambda v = x(2 \,;\, 3 \,;\, 0) + \lambda x'(2 \,;\, 3 \,;\, 0) = (x + \lambda x')(2 \,;\, 3 \,;\, 0) \in F
En conclusion, si (u ; v)∈F2(u\,;\,v) \in F^2 alors (u+λv)∈F(u + \lambda v) \in F avec λ∈R\lambda \in \mathbb{R}. De fait l'ensemble FF est un sous-espace vectoriel de R3\mathbb{R}^3.
Question 5

Déterminer une base de FF.

Correction
L'ensemble FF est généré par le vecteur non nul (2 ; 3 ; 0)∈R3(2 \,;\, 3 \,;\, 0) \in \mathbb{R}^3. Ce vecteur étant non nul il est donc libre dans R3\mathbb{R}^3. Ainsi ce vecteur non nul (2 ; 3 ; 0)(2 \,;\, 3 \,;\, 0) forme une base de FF
Question 6

Déterminer la dimension de FF.

Correction
La base de FF trouvée à la question précédente est constituée d'un unique vecteur non nul. Donc :
dim⁡(F)=1\dim(F) = 1
Question 7

Démontrer que E⊕F=R3E \oplus F = \mathbb{R}^3.

Correction
Pour démontrer que E⊕F=R3E \oplus F = \mathbb{R}^3, nous devons procéder en deux étapes.
♣  Premieˋre  eˊtape:  E+F=R3{\color{red}{\bf{\clubsuit \,\, Première \,\, étape : \,\, }} E + F = \mathbb{R}^3}
Notons que E+FE + F est un espace vectoriel. Puis montrons que pour tout élément de R3\mathbb{R}^3 que nous noterons (a ; b   c)(a \,;\, b \;\, c), s'écrit de manière unique en fonction des deux vecteurs (x ; y ; −x+y)∈E(x \,;\, y \,;\, -x + y) \in E et (2z ; 3z ; 0)∈F(2z \,;\, 3z \,;\, 0) \in F, avec xx, yy et zz qui sont trois nombres réels. On a alors :
(a ; b   c)=(x ; y ; −x+y)+(2z ; 3z ; 0)=(x+2z ; y+3z ; −y+x)(a \,;\, b \;\, c) = (x \,;\, y \,;\, -x + y) + (2z \,;\, 3z \,;\, 0) = (x + 2z \,;\, y + 3z \,;\, -y + x)
Ce qui nous donne donc :
{x+2z=ay+3z=b−y+x=c   ⟺   {x=3a−2b+2cy=3a−2b+3cz=−a+b−c\left\lbrace \begin{array}{rcl} x + 2z & = & a \\ y + 3z & = & b \\ -y + x & = & c \end{array} \right. \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} x & = & 3a - 2b + 2c \\ y & = & 3a - 2b + 3c \\ z & = & -a + b - c \end{array} \right.
Ceci nous permet d'écrire que (x ; y ; −x+y)∈E(x \,;\, y \,;\, -x + y) \in E prend la forme suivante :
{(x ; y ; −x+y)∈E(2z ; 3z ; 0)∈F   ⟺   {(x ; y ; −x+y)=x(1 ; 0 ; −1)+y(0 ; 1 ; 1)(2z ; 3z ; 0)=z(2 ; 3 ; 0)\left\lbrace \begin{array}{rcl} (x \,;\, y \,;\, -x + y) & \in & E \\ & & \\ (2z \,;\, 3z \,;\, 0) & \in & F \end{array} \right. \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} (x \,;\, y \,;\, -x + y) & = & x(1 \,;\, 0 \,;\, -1) + y(0 \,;\, 1 \,;\, 1) \\ & & \\ (2z \,;\, 3z \,;\, 0) & = & z(2 \,;\, 3 \,;\, 0) \end{array} \right.
Donc on a l'unique possibilité d'écriture suivante :
(a ; b   c)=(3a−2b+2c)(1 ; 0 ; −1)+(3a−2b+3c)(0 ; 1 ; 1)+(−a+b−c)(2 ; 3 ; 0)(a \,;\, b \;\, c) = (3a - 2b + 2c)(1 \,;\, 0 \,;\, -1) + (3a - 2b + 3c)(0 \,;\, 1 \,;\, 1) + (-a + b - c)(2 \,;\, 3 \,;\, 0)
Donc on a bien E+F=R3E + F = \mathbb{R}^3
♣♣  Deuxieˋre  eˊtape:  E∩F=0R3{\color{red}{\bf{\clubsuit \clubsuit \,\, Deuxière \,\, étape : \,\, }} E \cap F = 0_{\mathbb{R}^3}}
Si le vecteur (a ; b ; c)(a \,;\, b \,;\, c) appartient à EE alors ce vecteur satisfait à la définition de EE. Donc on a :
E={ (a ; b ; c)∈R3  ∣  a−b+c=0 }E = \left\lbrace \, (a \,;\, b \,;\, c) \in \mathbb{R}^3 \,\, | \,\, a - b + c = 0 \, \right\rbrace
Cette dernière condition a−b+c=0a - b + c = 0 est équivalente à −a+b−c=0-a + b - c = 0 soit z=0z = 0.
On a utilisé la décomposition suivante :
(a ; b ; c)=(x ; y ; −x+y)+(2z ; 3z ; 0)(a \,;\, b \,;\, c) = (x \,;\, y \,;\, -x+y) + (2z \,;\, 3z \,;\, 0)
Maintenant, si le vecteur (a ; b ; c)(a \,;\, b \,;\, c) appartient à FF alors ce vecteur satisfait à la condition suivante :
(x ; y ; −x+y)=(0 ; 0 ; 0)(x \,;\, y \,;\, -x+y) = (0 \,;\, 0 \,;\, 0)
Ce qui implique que x=y=0x = y = 0. Ceci implique que nous devons avoir :
{3a−2b=0c=0\left\lbrace \begin{array}{rcl} 3a - 2b & = & 0 \\ c & = & 0 \end{array} \right.
Donc définition de FF nous permet d'écrire que :
F={ (2x ; 3x ; 0)∈R3  ∣  x∈R }={ (a ; b ; c)∈R3  ∣  {3a−2b=0c=0 }F = \left\lbrace \, (2x \,;\, 3x \,;\, 0) \in \mathbb{R}^3 \,\, | \,\, x \in \mathbb{R} \, \right\rbrace = \left\lbrace \, (a \,;\, b \,;\, c) \in \mathbb{R}^3 \,\, | \,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} 3a - 2b & = & 0 \\ c & = & 0 \end{array} \right. \, \right\rbrace
Ainsi, si (a ; b ; c)∈E∩F(a \,;\, b \,;\, c) \in E \cap F alors on a {3a−2b=0c=0a−b+c=0\left\lbrace \begin{array}{rcl} 3a - 2b & = & 0 \\ c & = & 0 \\ a - b + c & = & 0 \end{array} \right. Ceci implique que a=b=c=0a = b = c = 0
Autrement dit, si (a ; b ; c)∈E∩F(a \,;\, b \,;\, c) \in E \cap F alors (a ; b ; c)=(0 ; 0 ; 0)=0R3(a \,;\, b \,;\, c) = (0 \,;\, 0 \,;\, 0) = 0_{\mathbb{R}^3}. Ainsi E∩F=0R3E \cap F = 0_{\mathbb{R}^3}.
♣♣♣  Conclusion{\color{red}{\bf{\clubsuit \clubsuit \clubsuit \,\, Conclusion }}}
Nous avons montrer que E+F=R3E + F = \mathbb{R}^3 et que E∩F=0R3E \cap F = 0_{\mathbb{R}^3}. En conclusion nous avons E⊕F=R3E \oplus F = \mathbb{R}^3.
Les deux sous-espaces vectoriels EE et FF sont supplémentaires l'un de l'autre dans R3\mathbb{R}^3.
Question 8

La somme E+FE + F est-elle directe ?

Correction
L'ensemble GG peut également être écrit sous la forme :
G={ x(−2 ; 1 ; 0)+y(−4 ; 0 ; 1)  ∣  (x ; y)∈R2 }={ (−2x−4y ; x ; y)  ∣  (x ; y)∈R2 }G = \left\lbrace \, x (-2 \,;\, 1 \,;\, 0) + y (-4 \,;\, 0 \,;\, 1) \,\, | \,\, (x\,;\,y) \in \mathbb{R}^2 \, \right\rbrace = \left\lbrace \, (-2x -4y \,;\, x \,;\, y) \,\, | \,\, (x\,;\,y) \in \mathbb{R}^2 \, \right\rbrace
Ainsi on peut donc immédiatement écrire que :
G={ (a ; b ; c)∈R3  ∣  a=−2b−4c∈R2 }G = \left\lbrace \, (a \,;\, b \,;\, c) \in \mathbb{R}^3 \,\, | \,\, a = -2b -4c \in \mathbb{R}^2 \, \right\rbrace
Nous devons savoir si nous avons E∩G=0R3E \cap G = 0_{\mathbb{R}^3}. Donc on pose (a ; b ; c)∈R3(a \,;\, b \,;\, c) \in \mathbb{R}^3. Ainsi :
(a ; b ; c)∈E∩G   ⟷   {(a ; b ; c)∈E(a ; b ; c)∈G   ⟷   {a−b+c=0a=−2b−4c(a \,;\, b \,;\, c) \in E \cap G \,\,\, \longleftrightarrow \,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} (a \,;\, b \,;\, c) & \in & E \\ (a \,;\, b \,;\, c) & \in & G \end{array} \right. \,\,\, \longleftrightarrow \,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} a - b + c & = & 0 \\ a & = & -2b -4c \end{array} \right.
Soit :
(a ; b ; c)∈E∩G   ⟷   {a−b+c=0a+2b+4c=0   ⟷   {a=−2cb=−c(a \,;\, b \,;\, c) \in E \cap G \,\,\, \longleftrightarrow \,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} a - b + c & = & 0 \\ a + 2b + 4c & = & 0 \end{array} \right. \,\,\, \longleftrightarrow \,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} a & = & -2c \\ b & = & -c \end{array} \right.
Donc on a :
E∩G={ (−2c ; −c ; c)  ∣  c∈R }E \cap G = \left\lbrace \, (-2c \,;\, -c \,;\, c) \,\, | \,\, c \in \mathbb{R} \, \right\rbrace
Si c=−1c = -1 alors le vecteur (2 ; 1 ; −1)∈E∩G(2 \,;\, 1 \,;\, -1) \in E \cap G. On vient donc de démontrer que E∩G≠0R3E \cap G \neq 0_{\mathbb{R}^3}.
En conclusion E+GE + G n'est pas une somme directe.
Question 9

Comparer E+FE + F et R3\mathbb{R}^3.

Correction
On sait que E+GE+G est un sous-espace vectoriel de R3\mathbb{R}^3. Donc si nom montrons que dim⁡(E+G)=dim⁡R3\dim (E+G) = \dim \mathbb{R}^3 alors nous aurons démontré que E+G=R3E + G = \mathbb{R}^3. Ceci revient à démontrer que dim⁡(E+G)=3\dim (E+G) = 3.
Le théorème du rang nous permet d'écrire que :
dim⁡(E+G)=dim⁡(E)+dim⁡(G)−dim⁡(E∩G)\dim (E+G) = \dim(E) + \dim(G) - \dim (E \cap G)
On sait déjà que dim⁡(E)=2\dim(E) = 2, donc on a besoin de déterminer dim⁡(G)\dim(G) et dim⁡(E∩G)\dim (E \cap G).
∙  \bullet \,\, On sait que GG est engendré par les deux vecteurs (−2 ; 1 ; 0)(-2 \,;\, 1 \,;\, 0) et (−4 ; 0 ; 1)(-4 \,;\, 0 \,;\, 1). Vérifions s'ils sont libres dans R3\mathbb{R}^3. Soit λ1\lambda_1 et λ2\lambda_2 deux nombres réels. On a :
λ1(−2 ; 1 ; 0)+λ2(−4 ; 0 ; 1)=0R3   ⟹   (−2λ1−4λ2 ; λ1 ; λ2)=(0 ; 0 ; 0)\lambda_1 (-2 \,;\, 1 \,;\, 0) + \lambda_2 (-4 \,;\, 0 \,;\, 1) = 0_{\mathbb{R}^3} \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, (-2\lambda_1 -4\lambda_2 \,;\, \lambda_1 \,;\, \lambda_2) = (0 \,;\, 0 \,;\, 0)
Donc on obtient immédiatement que :
λ1(−2 ; 1 ; 0)+λ2(−4 ; 0 ; 1)=0R3   ⟹   λ1=λ2=0\lambda_1 (-2 \,;\, 1 \,;\, 0) + \lambda_2 (-4 \,;\, 0 \,;\, 1) = 0_{\mathbb{R}^3} \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \lambda_1 = \lambda_2 = 0
Ainsi les deux vecteurs (−2 ; 1 ; 0)(-2 \,;\, 1 \,;\, 0) et (−4 ; 0 ; 1)(-4 \,;\, 0 \,;\, 1) sont libres dans R3\mathbb{R}^3. De fait ces deux vecteurs forment une base de GG et on ceci revient à dire que dim⁡(G)=2\dim(G) = 2.
On sait que l'ensemble E∩GE \cap G est engendré par le vecteur (−2 ; −1 ; 1)(-2 \,;\, -1 \,;\, 1). Comme cet unique vecteur est différent de (0 ; 0 ; 0)=0R3(0 \,;\, 0 \,;\, 0) = 0_{\mathbb{R}^3} il est nécessairement libre. Ceci implique que ce seul vecteur (−2 ; −1 ; 1)(-2 \,;\, -1 \,;\, 1) est une base du sous-espace vectoriel E∩GE \cap G. De fait, cela implique que dim⁡(E∩G)=1\dim (E \cap G) = 1.
Ainsi le théorème du rang nous permet d'écrire que :
dim⁡(E+G)=dim⁡(E)+dim⁡(G)−dim⁡(E∩G)   ⟺   dim⁡(E+G)=2+2−1   ⟺   dim⁡(E+G)=3\dim (E+G) = \dim(E) + \dim(G) - \dim (E \cap G) \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dim (E+G) = 2 + 2 - 1 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dim (E+G) = 3
Ce qui nous donne :
dim⁡(E+G)=dim⁡R3\dim (E+G) = \dim \mathbb{R}^3
Ce qui implique que :
E+G=R3E+G = \mathbb{R}^3

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