Base canonique de Mn,p(K) - Dimension de Mn,p(K)

Une question se pose immédiatement : l'espace vectoriel \(\mathcal M_{n,p}(\mathbf K)\) est-il de type fini ? La réponse va être donnée dans ce qui suit.

On va aborder le problème en essayant de déterminer une famille génératrice de \(\mathcal M_{n,p}(\mathbf K)\) .

On considère l'exemple suivant : soit

\(\mathcal A=\left(\begin{array}{cccccc}1&1&3\\0&1&3\end{array}\right)\)

dans \(\mathcal M_{2,3}(\mathbf R)\), on peut écrire \(\mathcal A\) naturellement sous la forme suivante :

\(\left(\begin{array}{cccccc}1&1&3\\0&1&3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccccc}1&0&0\\0&0&0\end{array}\right)+\left(\begin{array}{cccccc}0&1&0\\0&0&0\end{array}\right)+3\left(\begin{array}{cccccc}0&0&1\\0&0&0\end{array}\right)+\left(\begin{array}{cccccc}0&0&0\\0&1&0\end{array}\right)+3\left(\begin{array}{cccccc}0&0&0\\0&0&1\end{array}\right)\)

Si on analyse cette écriture, on observe que la matrice \(\mathcal A\) est combinaison linéaire des matrices de type \(2\times3\) dont tous les éléments sont nuls sauf un, égal à \(1\) ; cet élément non nul prend toutes les positions possibles ; ici il y a \(6\) possibilités.

En fait ceci est un résultat général, énoncé dans le théorème suivant.

Théorèmebase canonique de \mathcal M_{n,p}(\mathbf K)

Soit \(r\) un entier compris entre \(1\) et \(n\) et \(s\) un entier compris entre \(1\) et \(p\).

On désigne par \(E_{r,s}\) la matrice à \(n\) lignes et \(p\) colonnes dont tous les éléments sont nuls sauf celui de la \(r\)- ième ligne, \(s\)-ième colonne qui est égal à \(1\).

Les matrices \(E_{r,s}\) définissent une base de \(\mathcal M_{n,p}(\mathbf K)\), appelée base canonique de \(\mathcal M_{n,p}(\mathbf K)\).

Preuve

Soit \(\mathcal A=(a_{i,j})\) une matrice de \(\mathcal M_{n,p}(\mathbf K)\). On peut alors écrire \(\displaystyle{\mathcal A=\sum_{\begin{array}{cccccc}1\leq i\leq n\\1\leq j\leq p\end{array}}a_{i,j}E_{i,j}}\).

Ceci prouve que la famille des matrices \(E_{r,s}\) engendre \(\mathcal M_{n,p}(\mathbf K)\).

Comme il est évident que c'est une famille libre (si \(\displaystyle{\sum_{\begin{array}{cccccc}1\leq i\leq n\\1\leq j\leq p\end{array}}\lambda_{i,j}E_{i,j}=0}\) , tous les \(\lambda_{i,j}\) sont nuls puisque \(\displaystyle{\sum_{\begin{array}{cccccc}1\leq i\leq n\\1\leq j\leq p\end{array}}\lambda_{i,j}E_{i,j}}\) est la matrice de terme général \(\lambda_{i,j}\)), cette famille définit une base de \(\mathcal M_{n,p}(\mathbf K)\).

On en déduit immédiatement en comptant le nombre de matrices \(E_{r,s}\) (ce qui revient à compter le nombre de positions que peut prendre \(1\)) le théorème suivant :

ThéorèmeLa dimension

L'espace vectoriel \(\mathcal M_{n,p}(\mathbf K)\) est de type fini et sa dimension est égale à \(np\).

Cas particulier

L'espace vectoriel des matrices carrées d'ordre \(n,\mathcal M_{n}(\mathbf K)\) est de dimension \(n^2\).