Dans toute la fiche ou ; , , sont des -espaces vectoriels de dimension finie non nulle, , , . Le déterminant n’intervient pas dans ce chapitre : il est l’objet du chapitre 20.
1Coordonnées d’un vecteur, matrice d’une famille
Définition. Soit une base de . Tout s’écrit de manière unique ; la matrice de dans est la colonne
Propriété. L’application est un isomorphisme de sur , que l’on identifie à : toute question linéaire sur (liberté, rang, somme directe) se transporte en une question sur des colonnes de scalaires.
Définition. La matrice d’une famille dans la base est la matrice de dont la -ième colonne est . Son rang est le rang de la famille : celle-ci est libre si et seulement si ce rang vaut , et c’est une base de si et seulement si la matrice est carrée inversible.
2Matrice d’une application linéaire dans un couple de bases
Définition. Soient une base de , une base de et . La matrice de dans le couple de bases est définie par
autrement dit : la -ième colonne est la colonne des coordonnées de dans la base d’arrivée . Pour un endomorphisme on prend et l’on note .
Attention
Le format est : autant de lignes que la dimension de l’arrivée, autant de colonnes que la dimension du départ, et les images s’écrivent en colonnes, jamais en lignes. Une matrice n’a aucun sens tant que les deux bases ne sont pas fixées : changer de base change la matrice, pas l’application.
Théorème — coordonnées de l’image. Avec les notations précédentes, pour tout ,
Théorème — isomorphisme de représentation. L’application est un isomorphisme d’espaces vectoriels de sur ; en particulier . Idée de preuve : la linéarité vient de l’unicité des coordonnées, la bijectivité est le théorème de détermination d’une application linéaire par l’image d’une base (chapitre 17).
Théorème — matrice d’une composée. Soient , et , , des bases de , , . Alors
Idée de preuve (exigible). Avec , et , la linéarité de donne , et est le coefficient de . C’est cette formule qui justifie la définition du produit matriciel.
Théorème — cas des endomorphismes. Soit une base de . L’application est un isomorphisme d’espaces vectoriels et d’anneaux de sur : elle transforme en produit matriciel et en . Par conséquent
Plus généralement pour , et pour si est un automorphisme. Toute identité polynomiale en se traduit donc en la même identité en , et réciproquement.
Exemplel’exemple du programme
vu comme -espace vectoriel a pour base . Pour , la multiplication est -linéaire, et comme , ,
Le produit de deux telles matrices redonne la matrice du produit : la multiplication des complexes est ce produit matriciel.
3Application linéaire canoniquement associée à une matrice
Définition. Soit . L’application linéaire canoniquement associée à est , . On pose alors , et .
Propriété. où sont les colonnes de ; donc . Les lignes de fournissent un système de équations de . Enfin, pour tout et tout couple de bases, .
Théorème — théorème du rang, version matricielle. Pour : (nombre de colonnes), et .
Théorème — caractérisations de l’inversibilité. Soit . Les assertions suivantes sont équivalentes :
De plus toute matrice carrée inversible à gauche ou à droite est inversible : si alors et — traduction du résultat « en dimension finie, un endomorphisme inversible d’un côté est inversible » (chapitre 17). Rappel du chapitre 13 : une matrice triangulaire est inversible si et seulement si ses coefficients diagonaux sont tous non nuls.
4Systèmes linéaires
Propriété. Soient et : le système a inconnues, équations, et son rang est . Les solutions de l’homogène forment , de dimension . Le système est compatible est combinaison linéaire des colonnes de ; il a alors pour solutions le sous-espace affine , de dimension ( solution particulière). Un système de Cramer est un système avec carrée inversible : solution unique , pour tout .
5Matrices de passage et changements de bases
Définition. Soient et deux bases de . La matrice de passage de à est
c’est-à-dire la matrice dont les colonnes sont les coordonnées des nouveaux vecteurs dans l’ancienne base.
Propriété. est inversible, , et . Réciproquement, si est une base et , les colonnes de sont les coordonnées d’une unique base telle que .
Théorème — changement de base pour un vecteur. Soit , , et . Alors
Attention
La matrice de passage « de à » exprime les nouveaux vecteurs dans l’ancienne base, mais fait passer les nouvelles coordonnées aux anciennes : — l’erreur la plus fréquente du chapitre. Contrôle : est la matrice de de vers , et se lit « matrice coordonnées de départ ».
Théorème — changement de bases pour une application linéaire. Soient , des bases de , des bases de , , , et . Alors
Dans le cas d’un endomorphisme (, , , donc ) :
Idée de preuve (exigible). On écrit et l’on applique deux fois la formule de la composée :
Contrôle sur les coordonnées : , et donnent , soit .
Méthode — chercher une base où la matrice est simple. on cherche des vecteurs remarquables — invariants (), du noyau, ou vérifiant —, on vérifie qu’ils forment une base (famille libre de bon cardinal), on écrit avec ces vecteurs en colonnes et l’on conclut . Si est diagonale, est immédiat.
6Matrices équivalentes et rang
Définition. sont équivalentes s’il existe et telles que : ce sont les matrices d’une même application linéaire dans des couples de bases éventuellement différents. C’est une relation d’équivalence sur .
Notation. Pour , on note (coefficients aux premières places diagonales, ailleurs).
Théorème — forme réduite. Soit de rang . Il existe une base de et une base de telles que . Par conséquent, pour :
et deux matrices de même format sont équivalentes si et seulement si elles ont le même rang : le rang est le seul invariant de cette relation.
Idée de preuve (exigible). Soit une base de , complétée en une base de . Par le théorème du rang géométrique, est une base de ; on la complète en une base de en posant pour . Alors pour et sinon : la matrice est .
Théorème — rang de la transposée. Pour toute : Le rang d’une matrice est donc aussi le rang de la famille de ses lignes.
Idée de preuve (exigible). Si , écrivons avec inversibles ; en transposant, , où est le de format et où , sont inversibles. Donc est équivalente à , et .
Propriété — opérations élémentaires. Les opérations élémentaires sur les lignes (resp. colonnes) reviennent à multiplier à gauche (resp. à droite) par une matrice inversible : elles conservent le rang. Plus précisément, celles sur les colonnes conservent , celles sur les lignes conservent . D’où la méthode : échelonner, compter les pivots.
Théorème — rang et matrices extraites. Une matrice extraite de s’obtient en ne gardant que certaines lignes et certaines colonnes ; on a toujours , et est la plus grande taille d’une matrice carrée d’ordre extraite de et inversible.
7Matrices semblables et trace
Définition. sont semblables s’il existe telle que . C’est une relation d’équivalence sur . Interprétation : et sont semblables si et seulement si elles représentent un même endomorphisme dans deux bases de .
Remarque. Deux matrices semblables sont équivalentes (prendre ), donc de même rang ; la réciproque est fausse : et sont équivalentes (même rang ) mais non semblables (la première est un projecteur, la seconde est de carré nul).
Définition. La trace de est (somme des coefficients diagonaux).
Propriété. est une forme linéaire non nulle sur , avec et ; l’ensemble des matrices de trace nulle est donc un hyperplan de , de dimension .
Théorème — la propriété clé. Pour toutes et :
Démonstration (exigible). , l’interversion portant sur une somme finie.
Remarque. ne dit pas que , et en général ; pour trois matrices, seules les permutations circulaires sont permises : , mais en général.
Théorème — invariance par similitude. Si et sont semblables, alors et . En effet en appliquant la propriété clé à et .
Définition — trace d’un endomorphisme. Soit , . Toutes les matrices de dans les différentes bases de sont semblables, donc ont la même trace : on appelle trace de ce scalaire commun, noté . C’est une forme linéaire sur , avec et .
Théorème — trace d’un projecteur. Si est un projecteur () alors
Démonstration (exigible). On a (chapitre 17). En concaténant une base de et une base de , on obtient une base de adaptée. Comme est l’identité sur , pour et pour : donc avec , et .
Remarque. Le rang et la trace sont des invariants de similitude, mais ils ne la caractérisent pas : et ont même rang et même trace sans être semblables (une matrice semblable à est ). Pour réfuter une similitude : comparer rang, trace, trace des puissances, ou exhiber une relation polynomiale vérifiée par l’une et pas par l’autre.
Savoir-faire
- Écrire la matrice d’un vecteur, d’une famille, d’une application linéaire dans des bases données — y compris dans ou — et retrouver à partir de sa matrice.
- Calculer , , par échelonnement, contrôler par le théorème du rang, décider de l’inversibilité ; résoudre et décrire les solutions comme sous-espace affine.
- Écrire une matrice de passage et son inverse ; changer de base pour un vecteur (), une application linéaire (), un endomorphisme (), et en déduire .
- Décider si deux matrices sont équivalentes (comparer les rangs) ou semblables (trace, rang, relations polynomiales) ; exhiber le couple de bases donnant .
- Utiliser la trace : linéarité, , invariance par similitude, trace d’un projecteur.
Exempleun changement de base mené jusqu’au bout
Soit l’endomorphisme de de matrice dans la base canonique . On cherche tel que , c’est-à-dire et : pour , convient, et pour , . La famille est libre (vecteurs non colinéaires) donc c’est une base de , et
Contrôle : et . On en déduit, pour tout , .
Exemplelire un rang et une trace sur une application linéaire
Soit , . Dans la base canonique : , , , donc , d’où et . Le noyau est , l’ensemble des matrices antisymétriques : . ✓
Pièges
- Ranger les images en lignes au lieu de colonnes, ou se tromper de format : a lignes et colonnes.
- Inverser une formule de changement de base : avec , et ; entre deux espaces, .
- Confondre « équivalentes » (même rang) et « semblables » (même endomorphisme) ; conclure à la similitude par la trace et le rang.
- Croire que les opérations sur les lignes conservent l’image, ou celles sur les colonnes le noyau : seul le rang est conservé.
- Écrire , déduire de , ou appliquer à un non projecteur.