Adloun

Des équations aux dimensions : compter les conditions par le théorème du rang

Exercice de TD · niveau 2 · mathématiques (PTSI), chapitre 11 — Espaces vectoriels et applications linéaires · F. Rang et dimensions

Énoncé

Soit . On identifie un polynôme et sa fonction polynomiale sur .

1) Soit . En écrivant comme le noyau de l'application de dans , dont on montrera qu'elle est linéaire et surjective, montrer que est un sous-espace de et calculer sa dimension par le théorème du rang. Montrer que , la droite des polynômes constants, est un supplémentaire de , et que est une base de .

2) On suppose et l'on considère , . Montrer que est linéaire et surjective (calculer , , et montrer que ces trois vecteurs forment une base de ), et en déduire la dimension de

3) Pour , vérifier que est une base de .

4) Que vaut la dimension de si ? Pourquoi le théorème du rang ne donne-t-il plus « » ?

Corrigé

Ce qu'on a le droit d'utiliser. Un noyau est un sous-espace ; le théorème du rang ; la caractérisation des bases, en dimension , comme familles libres de vecteurs ; la liberté d'une famille de polynômes à degrés distincts ; la caractérisation dimensionnelle des supplémentaires ; la linéarité de l'intégrale et les primitives des puissances (chapitre 4). La stratégie : un sous-espace décrit par des équations est le noyau d'une application linéaire ; si cette application est surjective, chaque équation retire exactement une dimension. C'est l'objectif même du programme de PTSI : calculer une dimension par une paramétrisation, ou par des équations.

1) Une condition, une dimension. Linéarité : l'intégrale est linéaire, . Donc est un sous-espace de , sans aucune vérification à la main. Surjectivité : l'espace d'arrivée est de dimension , donc vaut ou ; or , donc . Le théorème du rang donne Le supplémentaire : si la constante est dans , ; l'intersection est nulle, et : la caractérisation dimensionnelle donne . Concrètement, : on retranche à sa valeur moyenne sur . La base : , donc chaque est dans ; ces polynômes sont de degrés deux à deux distincts , donc libres ; famille libre de vecteurs dans un espace de dimension , c'est une base de .

Le point délicat. Le petit calcul , qu'on saute volontiers : sans lui, rien n'interdit à d'être nulle, auquel cas serait tout entier. Exhiber un seul polynôme d'intégrale non nulle établit la surjectivité, donc le rang, donc la dimension.

2) Trois conditions, trois dimensions. Linéarité : chacune des trois composantes est linéaire en — l'évaluation en un point, et l'intégrale —, donc l'est. Trois antécédents : , et . Ces trois vecteurs sont libres : si , la première coordonnée donne , puis et , d'où, en retranchant la moitié de la première à la seconde, : et . Trois vecteurs libres de en forment une base ; ils sont dans puisque , donc , sous-espace de qui contient une base, est : est surjective. Comme , le théorème du rang donne Trois conditions linéaires indépendantes retirent trois dimensions ; « indépendantes » a ici un sens précis : l'application qui les rassemble est surjective.

3) Une base pour . Notons et . Tous deux s'annulent en et en , grâce au facteur . Leurs intégrales : et . Donc ; ils sont de degrés distincts et , donc libres ; et : est une base de . Au passage, est impair autour de : , d'où son intégrale nulle sans calcul.

4) Le cas . Pour , et : force , donc , de dimension , et non , qui n'a pas de sens. Le théorème du rang dit toujours ; mais part d'un espace de dimension , son rang est au plus : n'est plus surjective, et ici puisque et sont libres. Les trois conditions ne sont plus indépendantes sur un espace trop petit : la troisième, , découle des deux premières.

Ce que l'exercice installe. Compter les dimensions par les équations : un sous-espace décrit par conditions linéaires est un noyau, et sa dimension vaut exactement quand l'application des conditions est surjective — ce qu'on prouve en exhibant antécédents d'une base. Il reviendra au chapitre 12, où le rang d'un système d'équations se lira sur sa matrice, et dans toute l'année : en sciences industrielles, les liaisons d'un mécanisme imposent des conditions linéaires sur les vitesses, et chaque condition indépendante retire un degré de liberté.

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