Deux espaces de dimension 3 dans un espace de dimension 5
Application directe du cours · niveau 2 · mathématiques (PCSI), chapitre 10 — Espaces vectoriels et applications linéaires · C. Dimension
Énoncé
Soient deux sous-espaces de dimension de . Montrer que .
Corrigé
Stratégie : la formule de Grassmann, lue à l'envers. On ne sait rien de ni de : ni base, ni équation. On ne peut donc pas calculer . Mais on peut le coincer, en majorant — car vit dans et ne peut pas y être plus grand que .
La majoration. est un sous-espace de , donc
La formule de Grassmann.
La conclusion. En combinant les deux : Un sous-espace de dimension au moins n'est pas réduit au vecteur nul :
⚠️ Le point délicat : c'est la majoration qui fait tout le travail, et c'est elle qu'on oublie. On a envie de « calculer » l'intersection ; il n'y a rien à calculer, puisqu'on ne connaît pas les espaces. Toute la démonstration est un décompte de dimensions, sans un seul vecteur.
Le résultat général, qu'on vient de démontrer sans le dire. Dans un espace de dimension finie, La borne est fine : dans , deux sous-espaces de dimension peuvent parfaitement être supplémentaires, donc d'intersection nulle. C'est bien le « dépassement » qui force la rencontre.
Contrôle sur un exemple explicite. Dans , prenons et . Leur intersection est la droite , de dimension , et l'on vérifie Grassmann : , ce qui est correct puisque . Un tirage de trente couples de sous-espaces de dimension pris au hasard donne à chaque fois une intersection de dimension au moins — la minoration n'est jamais mise en défaut.
Ce que l'exercice installe. Grassmann sert rarement à calculer une somme ; il sert surtout à minorer une intersection qu'on ne sait pas décrire. C'est le même argument qui montre que deux plans distincts de se coupent selon une droite, ou qu'en dimension deux hyperplans distincts se coupent selon un sous-espace de dimension .
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Un blocage sur cet exercice ? Le tuteur d'Adloun guide par questions, sans donner la réponse.