Ivan Shishkin, Birch Grove

Supplémentaire d’un sous-espace vectoriel

Definition / Linear algebra /

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Français
Définition intuitive

Soit EE un espace vectoriel et FF un sous-espace vectoriel de EE. Un supplémentaire de FF dans EE est un autre sous-espace vectoriel GG qui vient compléter FF pour engendrer tout EE, i.e. de telle sorte à ce qu’on ait F⊕G=EF\oplus G=E.

Définition formelle

Soit EE un espace vectoriel sur un corps kk et FF un sous-espace vectoriel de E.E. On appelle supplémentaire de FF dans EE tout sous-espace vectoriel GG de EE tel que F⊕G=E.F\oplus G=E.

Exemples
  • Deux droites vectorielles distinctes de R2\mathbb{R}^{2} sont supplémentaires.
  • Un plan vectoriel PP et une droite vectorielle DD de R3\mathbb{R}^{3} sont supplémentaires si et seulement si DD n’est pas inclue dans P.P.
  • Si HH est un hyperplan de EE alors pour tout x∈E∖Hx\in E\setminus H, les espaces HH et Vect(x)\mathrm{Vect}(x) sont supplémentaires dans E.E.

Pièges

  • Il ne faut pas confondre supplémentaire et complémentaire. L’ensemble E∖FE\setminus F n’est jamais un sous-espace vectoriel de EE car il ne contient pas 0.0.
  • En général un sous-espace FF possède de nombreux supplémentaires. Il n’est donc pas possible de déduire de l’égalité F⊕G=F⊕G′F\oplus G=F\oplus G' que G=G′G=G' (on ne peut pas "simplifier par FF").
  • "Être en somme directe" et "être supplémentaires" sont deux notions différentes. Par exemple deux droites vectorielles distinctes D1D_{1} et D2D_{2} de R3\mathbb{R}^{3} sont en somme directe car leur intersection est réduite à { 0 }\set{0} mais dim⁡(D1⊕D2)=2<3\dim(D_{1}\oplus D_{2})=2<3 donc D1⊕D2≠R3.D_{1}\oplus D_{2}\neq \mathbb{R}^{3}.
  • Le fait que dim⁡(F)+dim⁡(G)=dim⁡(E)\dim(F)+\dim(G)=\dim(E) est une condition nécessaire mais pas suffisante pour que FF et GG soient supplémentaires. Par exemple, si f∈L(E)f\in\mathcal{L}(E) on ne peut pas déduire du théorème du rang qui dit que dim⁡(ker⁡(f))+dim⁡(im(f))=dim⁡(E)\dim(\ker(f))+\dim(\mathrm{im}(f))=\dim(E) que ker⁡(f)⊕im(f)=E\ker(f)\oplus\mathrm{im}(f)=E. C’est faux en général notamment pour les endomorphismes nilpotents d’indice 22 qui satisfont im(f)⊂ker⁡(f).\mathrm{im}(f)\subset \ker(f).

Practice this concept with exercises

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  • Soient EE un espace vectoriel de dimension finie et FF et GG deux sous-espaces vectoriels de EE. Montrer que FF et GG sont supplémentaires dans EE si et seulement si les deux conditions suivantes sont vérifiées

    • FF et GG sont en somme directe.
    • dim⁡(F)+dim⁡(G)=dim⁡(E).\dim(F)+\dim(G)=\dim(E).
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