MPSI · Espaces vectoriels

Bases

Question

Comment montrer qu'une famille est une base, et comment trouver les coordonnées d'un vecteur dans une base ?

L'essentiel

Définition 1 : Base

Une base de EE est une famille à la fois libre et génératrice.

Définition 2 : Coordonnées

Si (e1,,en)(e_1,\dots,e_n) est une base de EE, alors tout vecteur xx s'écrit d'une seule façon

x=λ1e1++λnen.x=\lambda_1 e_1+\dots+\lambda_n e_n.

Les scalaires λ1,,λn\lambda_1,\dots,\lambda_n sont les coordonnées de xx dans cette base.

Méthode

Rédaction — Montrer qu'une famille est une base :

  1. Montre qu'elle est libre (combinaison nulle \Rightarrow coefficients nuls).
  2. Montre qu'elle est génératrice (tout vecteur de EE est combinaison linéaire de la famille).

Rédaction — Trouver les coordonnées d'un vecteur x dans une base (e₁, …, eₙ) :

  1. Pose x=λ1e1++λnenx=\lambda_1 e_1+\dots+\lambda_n e_n avec des coefficients inconnus.
  2. Traduis en système et résous.
  3. La solution — unique puisque c'est une base — donne les coordonnées de xx.

Exemple :

(1,i)(1,i) est une base du R\mathbb{R}-espace vectoriel C\mathbb{C} :

  • libre : si λ+μi=0\lambda+\mu i=0 avec λ,μR\lambda,\mu\in\mathbb{R}, alors λ=μ=0\lambda=\mu=0 ;
  • génératrice : tout zCz\in\mathbb{C} s'écrit z=a+bi=a1+biz=a+bi=a\cdot 1+b\cdot i.

Exemple :

Coordonnées de (5,3)(5,3) dans la base ((1,1),(1,1))\big((1,1),(1,-1)\big) de R2\mathbb{R}^2. On pose

(5,3)=a(1,1)+b(1,1)  {a+b=5ab=3.(5,3)=a(1,1)+b(1,-1)\ \Longrightarrow\ \begin{cases} a+b=5\\ a-b=3.\end{cases}

D'où a=4a=4, b=1b=1. Les coordonnées de (5,3)(5,3) sont (4,1)(4,1).

Exercice 1 : Base et coordonnées dans ℝ²

Montre que ((1,1),(1,2))\big((1,1),(1,2)\big) est une base de R2\mathbb{R}^2, puis donne les coordonnées de (0,1)(0,1) dans cette base.

Solution :(cliquer pour afficher)

Base. Soit (x,y)R2(x,y)\in\mathbb{R}^2. On résout a(1,1)+b(1,2)=(x,y)a(1,1)+b(1,2)=(x,y), soit

{a+b=xa+2b=y.\begin{cases} a+b=x\\ a+2b=y.\end{cases}

Ce système a toujours une unique solution : b=yxb=y-x et a=2xya=2x-y. La famille engendre donc R2\mathbb{R}^2 (existence) et elle est libre (unicité, obtenue pour x=y=0x=y=0 qui donne a=b=0a=b=0). C'est une base.

Coordonnées de (0,1)(0,1). Avec x=0x=0, y=1y=1 : a=2×01=1a=2\times0-1=-1 et b=10=1b=1-0=1. Donc

(0,1)=1(1,1)+1(1,2),(0,1)=-1\cdot(1,1)+1\cdot(1,2),

et les coordonnées de (0,1)(0,1) dans cette base sont (1,1)(-1,1).