mathématiques (PTSI) · Chapitre 11 · Exercice de TD
Le rang d'une somme, et deux rangs qui se partagent la dimension
Espaces vectoriels et applications linéaires · F. Rang et dimensions · niveau 3 (difficile)
Énoncé
Soient un -espace vectoriel de dimension finie et .
1) Montrer que , puis que . En écrivant , en déduire que .
2) On suppose désormais et . Montrer que , en déduire que , puis, à l'aide du 1), que . Montrer de plus que et que .
3) Application : pour un projecteur de , retrouver que . Donner un exemple, dans , où , et un autre où .
Corrigé
Ce qu'on a le droit d'utiliser. L'inclusion d'un sous-espace dans un autre et la comparaison des dimensions, avec son cas d'égalité ; la formule de Grassmann ; le théorème du rang ; la caractérisation dimensionnelle des supplémentaires ; le fait qu'un automorphisme est surjectif. La stratégie : deux inégalités de sens contraire font une égalité — l'une vient d'une inclusion d'images, l'autre d'une surjectivité, et chacune n'utilise qu'une des deux hypothèses du 2).
1) Le rang est sous-additif. Soit : il existe tel que , somme d'un élément de et d'un élément de . Donc . Un sous-espace inclus dans un autre est de dimension plus petite, et la formule de Grassmann donne La minoration. Voici le geste : on applique ce qui précède non pas au couple , mais au couple , dont la somme vaut : Or , puisque ; donc . En échangeant les rôles de et , . Les deux ensemble : C'est l'inégalité triangulaire, et sa forme renversée, écrites pour le rang.
2) Deux rangs qui se partagent la dimension. La majoration, par . Soit , : alors , donc . Ainsi , d'où , et, par le théorème du rang appliqué à , . Donc La minoration, par l'inversibilité de . Un automorphisme est surjectif : , et . Le 1) donne alors . Les deux inégalités se referment : Ce que l'égalité livre en plus. Dans la majoration, avec : une inclusion plus une égalité de dimensions font une égalité, . Dans la minoration, la chaîne du 1) s'écrit , puisque est un sous-espace de : donc est de dimension , c'est ; et . .
Le point délicat. Chaque hypothèse ne donne qu'une moitié : sans l'inversibilité, vérifie et la somme des rangs vaut , pas ; sans , a une somme inversible et une somme des rangs égale à . Et il faut relire les inégalités devenues des égalités : ce sont elles qui disent où il n'y avait pas de perte — ici, une somme directe et un noyau exactement rempli par l'image de .
3) Applications et exemples. Un projecteur. Avec et : , puisque , et est inversible. Le 2) donne , et même : c'est la décomposition d'un projecteur, retrouvée par le seul calcul des rangs. Une égalité dans le 1). Dans , soient et : et , de rang . Une inégalité stricte. Avec , où : , de même image que , donc de rang ; et avec , est de rang : la minoration du 1) est atteinte.
Ce que l'exercice installe. Le rang est sous-additif, comme la valeur absolue ; appliquer une majoration déjà acquise à un couple déguisé en fournit une minoration ; et une égalité de dimensions se démontre par deux inégalités de provenances différentes, qu'on relit ensuite comme des égalités. Au TD 12, traduit en matrices, ce même encadrement montrera qu'une matrice de rang n'est jamais somme de moins de matrices de rang . En sciences industrielles, on retrouve ce partage dans les liaisons entre deux solides : le nombre de mobilités d'une liaison et le nombre d'inconnues d'efforts qu'elle transmet se partagent les six dimensions du mouvement, leur somme vaut six.
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