Les inégalités du rang
Exercice de TD · niveau 3 (difficile) · mathématiques MPSI, chapitre 12 — Espaces vectoriels et applications linéaires · D. Applications linéaires, noyaux et images
Énoncé
Soient de dimension finie.
1) Soient . Montrer que , et en déduire , puis .
2) Inégalité de Sylvester. Soient et . En appliquant le théorème du rang à la restriction de à , montrer que . Rappeler pourquoi .
3) Soit avec . Montrer que si et seulement si , et qu'alors . Donner un exemple de où et .
Corrigé
Ce qu'on a le droit d'utiliser. La formule de Grassmann, le théorème du rang, et « un sous-espace inclus dans un autre a une dimension plus petite ».
1) Somme. Soit : il existe avec , somme d'un élément de et d'un élément de . Donc . En passant aux dimensions, puis par Grassmann : L'inclusion est en général stricte : dans , les deux vecteurs et sont pris en des points différents, alors que les prend au même point.
L'inégalité renversée. Écrivons et appliquons ce qui précède : , car . Donc . Par symétrie des rôles (), . Les deux ensemble donnent la valeur absolue.
Les bornes sont atteintes. Dans , et : rangs et , et de rang . Puis , : rangs et , somme nulle de rang .
2) Sylvester. Soit la restriction de à : , linéaire. Son image est . Son noyau est . Le théorème du rang, appliqué à sur l'espace de départ (de dimension finie ) : Or , donc (théorème du rang pour ). D'où , c'est-à-dire Le point délicat. Le théorème du rang s'applique à la restriction, pas à : c'est elle qui a pour image . Restreindre une application à un sous-espace est un geste à part entière.
La majoration. , donc ; et est l'image par une application linéaire d'un espace de dimension , donc de dimension au plus (l'image d'une famille génératrice engendre l'image). C'est le cours : .
3) Carré nul. Si : soit , ; alors , donc . Réciproquement, si : pour tout , , donc : . L'équivalence ne demande aucune dimension.
Le rang. En dimension , l'inclusion donne , d'où . On peut aussi le lire sur Sylvester avec : .
Exemple. sur : , et car . Ici : l'inclusion est une égalité, et , le maximum permis.
Ce que l'exercice installe. Le rang est sous-additif, et Sylvester en donne la contrepartie pour la composition : composer ne peut faire perdre que dimensions, celles du noyau de . Un endomorphisme de carré nul est « au plus à moitié inversible » : c'est le premier pas vers les nilpotents du problème final.
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