Cours sur les Espaces Vectoriels

Algèbre Linéaire - Spécialité Mathématiques

1. Définition d'un espace vectoriel

Définition :

Un espace vectoriel sur un corps K est un ensemble E muni de deux lois de composition :

  • Une loi interne (addition) : E × E → E
  • Une loi externe (multiplication par un scalaire) : K × E → E

Ces lois doivent vérifier certains axiomes pour que E soit un espace vectoriel.

2. Axiomes d'un espace vectoriel

Pour tout x, y, z ∈ E et λ, μ ∈ K :

  1. (x + y) + z = x + (y + z) (associativité de l'addition)
  2. x + y = y + x (commutativité de l'addition)
  3. Il existe un élément neutre 0 tel que x + 0 = x
  4. Pour tout x, il existe un opposé -x tel que x + (-x) = 0
  5. λ(x + y) = λx + λy (distributivité à droite)
  6. (λ + μ)x = λx + μx (distributivité à gauche)
  7. (λμ)x = λ(μx) (associativité de la multiplication)
  8. 1x = x (1 est l'élément neutre pour la multiplication)

Exemple :

L'ensemble ℝ² des couples de nombres réels est un espace vectoriel sur ℝ avec :

  • Addition : (x₁, y₁) + (x₂, y₂) = (x₁ + x₂, y₁ + y₂)
  • Multiplication par un scalaire : λ(x, y) = (λx, λy)

3. Sous-espaces vectoriels

Définition :

Un sous-espace vectoriel de E est une partie F de E qui est stable par les opérations de E et qui contient le vecteur nul.

Théorème :

Une partie F de E est un sous-espace vectoriel si et seulement si :

  1. F ≠ ∅
  2. ∀x, y ∈ F, ∀λ ∈ K, λx + y ∈ F

Exemple :

Dans ℝ³, le plan d'équation ax + by + cz = 0 est un sous-espace vectoriel.

4. Combinaisons linéaires

Définition :

Une combinaison linéaire de vecteurs v₁, ..., vₙ est un vecteur de la forme :

λ₁v₁ + λ₂v₂ + ... + λₙvₙ

où λ₁, λ₂, ..., λₙ sont des scalaires.

Propriété :

L'ensemble de toutes les combinaisons linéaires d'une famille de vecteurs forme un sous-espace vectoriel.