Comment construire des sous-espaces vectoriels
Objectifs
Soit 
E un 
K-espace vectoriel. Est-ce que 
E possède "peu" ou "beaucoup"
de sous-espaces vectoriels ? Y a-t-il toujours un sev contenant un certain nombre de vecteurs donnés ? A-t-on dans 
E l'équivalent des droites et plans de
 ? A partir de deux (ou plus) sev de 
E peut-on en construire d'autres, par des opérations usuelles sur les ensembles, comme la réunion et l'intersection ?
 Guide 
  
  
Sous-espaces vectoriels engendrés
 Proposition et définition  : Soient
E un 
K-espace vectoriel, 
 et 
u1, ... , 
up des vecteurs de 
E.
-  L'ensemble de toutes les combinaisons linéaires des vecteurs 
u1, ... , up
est un sous-espace vectoriel de 
E, noté 
Vect(u1, ... , up) et appelé  le sous-espace vectoriel de
E engendré par la suite de vecteurs 
(u1, ... , up).
-  
Vect(u1, ... , up) est le plus petit sous-espace vectoriel de
E contenant l'ensemble des vecteurs 
u1, ... , up.
 
  Exercice : 
- 
Combinaison linéaire
- 
Combinaison linéaire 2
 
  
  
Droites
Soit 
. Si 
u1=0
E, 
. Sinon :
 Définition  : Soit 
E un 
K-espace vectoriel. Une  droite  de
E est un sous-espace vectoriel de 
E engendré par un vecteur non nul. Si
D est une droite de 
E, il existe 
,  tel que
.
 Exercice  : Si 
D est une droite d'un K-espace vectoriel
E, alors tout vecteur non nul de 
D engendre 
D.
  
  
Plans
Soient 
u1 et 
u2 dans 
E. Si 
u1=
u2=0
E alors 
. Si 
 ou 
, où 
, alors 
Vect(
u1,
u2) est une droite. Sinon :
 Définition  : Soit 
E un 
K-espace vectoriel.
- Deux vecteurs 
u1 et 
u2 de 
E sont dits  colinéaires  s'il existe 
 tel que 
 ou s'il existe 
 tel que 
.
- Un  plan  de 
E est un sous-espace vectoriel de 
E engendré par deux vecteurs non colinéaires.
 
 Exercice  : 
-  Les vecteurs 
u=(a,c) et 
v=(b,d) de 
 sont colinéaires si et seulement
si 
ad-bc=0 (on rappelle que 
ad-bc est l'aire algébrique
du parallélogramme défini par les vecteurs 
u et 
v).
 
-  Montrer que si 
u et 
v sont deux vecteurs non colinéaires de 
,
 alors 
(u,v) est une suite génératrice de 
. En déduire que les seuls
 sous-espaces vectoriels de 
 sont 
, 
 et les droites vectorielles.
 
  
  
Espaces affines
Les droites et plans que nous venons de définir sont des sous-espaces
vectoriels de 
E, donc contiennent 
0
E, ou, en langage géométrique, passent par l'origine.
Parfois on le précise en disant qu'ils sont des 
 droites et plans vectoriels.
Nous appellerons 
 droite affine  ou 
 plan affine 
le translaté par un vecteur fixe d'une droite ou plan vectoriels. Plus généralement :
 Définition  : Soit 
E un 
K-espace vectoriel. Si 
, la  translation  par le vecteur 
u0 est l'application de 
E dans 
E, 
. Si 
V est un sous-espace vectoriel de 
E, on dit que 
 est un 
sous-espace affine  de 
E, dont la  direction  est 
V.
  
  
Exemples de la droite et du plan
 Exemple :  Si 
u1 est non nul, les équations paramétriques
 de la droite 
D=
K u1 sont :
 
 
 Exemple :  Si 
u1 est non nul et si 
u1 et 
u2
ne sont pas colinéaires, les équations paramétriques 
(
EP) du plan
P=Vect(
u1,
u2) de 
Kn sont
 
  
  
Equations paramétriques et équations cartésiennes
Nous connaissons maintenant deux façons d'obtenir un sev de 
Kn :
 L'ensemble des solutions d'un système linéaire homogène
 
(S) de 
p équations, 
n inconnues et à coefficients dans 
K est un sev
 
F de 
Kn. On dit alors que 
(S) est un  système d'équations cartésiennes
  de 
F. 
 Considérons 
p vecteurs de 
Kn,
 
.
 
 Alors
 
F=Vect(
u1, 
u2, ... , 
up) est un sous-espace de 
Kn, et les coordonnées d'un vecteur quelconque
 
u=(
x1,...,
xn) de 
F vérifient les équations suivantes
 
 
où 
t1, 
t2, ... 
tp sont des scalaires dans 
K.
On dit alors que 
 est un 
 système d'équations paramétriques
 du sous-espace 
F.
  
Passage des équations cartésiennes aux équations paramétriques
Pour passer d'un système 
(
S) d'équations cartésiennes d'un sev 
F de 
Kn
à un système d'équations paramétriques de 
F 
  
  ??
on résout le système linéaire 
(S), qui a
p équations et 
n inconnues ; si 
(S) est de rang 
r, la solution générale s'écrit en fonction de
n-r paramètres arbitraires (les inconnues secondaires) et on obtient un système d'équations paramétriques de 
F comportant
n-r paramètres.
Pour passer d'un système 
(
E) d'équations paramétriques d'un sev 
F de
Kn à un système d'équations cartésiennes de  
F 
  
  ??
le système d'équations paramétriques de 
F fournit une suite génératrice 
(u1, ... , up) de 
F ; soit 
 la matrice dont les vecteurs colonnes sont 
u1, ... , up ; soient 
, 
, on considère le système linéaire 
AT=X ; on échelonne le tableau complet de ce système, si on a 
r inconnues principales, on a 
n-r conditions de compatibilité du système 
AT=X ; ces 
n-r équations linéaires scalaires (où les inconnues sont les coordonnées 
x1, x2, ... ,xn du vecteur second membre 
X)
constituent un système d'équations cartésiennes de 
F.
  
  
Equations cartésiennes des plans et droites affines
 Proposition : Si 
a, 
b et 
c sont des scalaires
dans 
K non tous nuls, alors pour tout 
d dans K l'équation linéaire :
ax + by + cz = d
 représente un plan affine 
P de 
K3 ; 
P est un plan vectoriel si et seulement si 
d=0.
 
 Proposition : Si les vecteurs 
(
a,
b,
c) et 
(
a',
b',
c') de 
K3 ne sont pas colinéaires,
alors pour tous 
d et 
d' dans K, l'ensemble des solutions du système linéaire :
 
 est une droite affine 
D de 
K3 ; 
D est une droite vectorielle si et seulement si 
d=
d'=0.
 
  
  
Hyperplans de Kn
 Définition : Soient
,  
, considérons
l'équation linéaire scalaire :
 
L'ensemble 
H des solutions de (2) est un sous-espace affine 
H de 
Kn appelé
 hyperplan affine , dont (1) est une équation cartésienne
et 
H est un 
 hyperplan vectoriel  si et seulement si
b=0 (il admet alors une suite génératrice composée de 
n-1 vecteurs).
 
 Un hyperplan de 
K2 est une droite, un hyperplan de 
K3 est un plan.
  
  
Intersection, réunion et somme de sev
 Proposition  : Soient 
F et 
G
deux sous-espaces vectoriels du K-espace vectoriel 
E.
-  
 est un sous-espace vectoriel de 
E.
-  
 n'est pas en général un sous-espace vectoriel de 
E ; 
 est un sous-espace vectoriel de 
E si et seulement si 
 ou 
.
- 
Le complémentaire 
 de 
F dans 
E n'est pas un sous-espace vectoriel de 
E.
 
 Proposition et définition  : Soient 
F et 
G deux sous-espaces vectoriels du 
K-espace vectoriel 
E. On note :
 
Alors 
F+
G est un sous-espace vectoriel de 
E, appelé 
 le sous-espace somme  de 
F et 
G. C'est le plus petit sous-espace de 
E contenant  
.
 
  
  
Equations de l'intersection et de la somme
Soient 
F et 
G deux sev de 
Kn. Comment déterminer des systèmes d'équations cartésiennes ou paramétriques de 
 et de 
F+
G ?
- 
Il est immédiat d'écrire un système d'équations cartésiennes de 
, si l'on a des systèmes d'équations cartésiennes 
(S1) de 
F et 
(S2) de 
G : la juxtaposition des équations de 
(S1) et de 
(S2) fournit un système d'équations cartésiennes de 
.
- Il est immédiat d'écrire un système d'équations paramétriques de 
F + G, si l'on a des systèmes d'équations
paramétriques (ou des suites génératrices) de 
F et de 
G : si 
(u1, ... , up) engendre 
F et 
(v1, ... , vq) engendre 
G, alors 
(u1, ... , up, v1, ... , vq) engendre 
F+G.
- Dans d'autres cas, soit on se ramène aux deux cas
 précédents, soit on résout par Gauss un système linéaire adapté
 au problème.
  
Exemple : Intersection d'hyperplans affines
L'intersection d'hyperplans affines de 
Kn est
- soit vide,
-  soit un sous-espace affine. 
L'interprétation géométrique de la résolution d'un système linéaire le montre : les lignes
L1, ... , 
Lp d'un système linéaire 
(
S) de 
p équations, 
n inconnues et à coefficients dans 
K, représentent des hyperplans affines
P1, ... , 
Pp de 
Kn. L'ensemble des solutions représente donc l'intersection 
 de ces hyperplans affines. Si
(
S) est incompatible, l'intersection est vide, si 
(
S) est compatible, l'intersection est un sous-espace affine de 
Kn.
  
  
Exercices
Attention : les exercices suivants concernent surtout pour l'instant des espaces affines.
Exercices : 
Voici quelques exercices de changement de types d'équations :
- 
Droites
- 
Droites
- 
Plan
- 
Plan
- 
Hyperplan
- 
Hyperplan