Exemple de structure d'espace vectoriel sur R+*

Partie

Question

Soit \(E=\mathbb R_+^*\). On définit sur \(E\) une loi interne, notée \(\bot\), par :

\(\begin{array}{ccc}E\times E&\rightarrow&E\\(x,y)&\mapsto&x\bot y=xy\end{array}\)

On définit sur \(E\) une loi externe, à domaine d'opérateurs \(\mathbb R\) notée \(*\), par :

\(\begin{array}{ccc}\mathbb R\times E&\rightarrow E\\(\lambda,x)&\mapsto&\lambda*x=x^{\lambda}\end{array}\)

Montrer que \((E,\bot,*)\) est un \(\mathbb R\textrm{-espace}\) vectoriel.

Aide simple

Pour vérifier \(\lambda*(x\bot y)=\lambda*x\bot\lambda*y\)

Calculer le membre de gauche

\(\lambda*(x\bot y)=\lambda*(xy)=(xy)^{\lambda}=x^{\lambda}y^{\lambda}\),

puis celui de droite

\(\lambda*x\bot\lambda*y=x^{\lambda}\bot y^{\lambda}=x^{\lambda}y^{\lambda}\).

On constate qu'ils sont égaux, ce qui termine la vérification.

Aide méthodologique

Traduire, en se servant des définitions des lois, les différents axiomes puis les vérifier un à un.

Aide à la lecture

L'ensemble que l'on considère est \(\mathbb R_+^*=]0,+\infty[\) c'est-à-dire l'ensemble des réels strictement positifs.

Il est immédiat, d'après les propriétés connues de \(\mathbb R\), que si \(x\) et \(y\) sont dans \(\mathbb R_+^*\), le produit \(xy\) aussi, ce qui justifie l'existence de la loi interne \(\bot\).

De même si \(\lambda\) est un nombre réel quelconque et \(x\) un nombre réel strictement positif, \(x^{\lambda}=\exp(\lambda\ln x)\) est bien défini : c'est un réel strictement positif, ce qui justifie l'existence de la loi externe \(*\).

Solution détaillée

On vérifie donc les huit axiomes :

  • Axiomes relatifs à la loi interne

    1. \(x\bot(y\bot z)=x\bot yz=x(yz)=xyz\)

      \((x\bot y)\bot z=xy\bot z=(xy)z=xyz\)

      Donc, quels que soient \(x\), \(y\) et \(z\) de \(E\), \(x\bot(y\bot z)=(x\bot y)\bot z\).

      Cette dernière égalité exprime l'associativité de la loi interne.

    2. \(x\bot y=xy\) et \(y\bot x=yx\) or \(xy=yx\) donc, quels que soient \(x\), \(y\) de \(E\), \(x\bot y=y\bot x\).

      Cette dernière égalité exprime la commutativité de la loi interne.

    3. Il est immédiat que, quel que soit \(x\) de \(E\), \(x\bot1=1\bot x\).

      Donc \(1\) est l'élément neutre de la loi interne.

    4. Soit \(x\) un élément de \(E\), \(x\) est un réel strictement positif donc son inverse \(\displaystyle{\frac{1}{x}}\) existe et est aussi élément de \(E\), or \(\displaystyle{x\bot\frac{1}{x}=1}\).

      Ainsi tout élément de \(E\) possède un symétrique pour la loi interne.

  • Axiomes relatifs à la loi externe

    1. Soient les réels \(\lambda\) et \(\mu\), et un élément \(x\) de \(E\).

      \((\lambda\mu)*x=x^{\lambda\mu}\) et \(\lambda*(\mu*x)=\lambda*x^{\mu}=(x^{\mu})^{\lambda}=x^{\mu\lambda}\),

      donc \((\lambda\mu)*x=\lambda*(\mu*x)\).

    2. Quel que soit l'élément \(x\) de \(E\), \(1*x=x^1=x\).

  • Axiomes liant les deux lois : double distributivité

    1. Soient les réels \(\lambda\) et \(\mu\), et un élément \(x\) de \(E\),

      \((\lambda+\mu)*x=x^{\lambda+\mu}\) et \((\lambda*x)\bot(\mu*x)=x^{\lambda}\bot x^{\mu}=x^{\lambda}x^{\mu}=x^{\lambda+\mu}\),

      donc \((\lambda+\mu)*x=(\lambda*x)\bot(\mu*x)\).

    2. Soient le réel \(\lambda\) et deux éléments \(x\) et \(y\) de \(E\),

      \(\lambda*(x\bot y)=\lambda*(xy)=(xy)^{\lambda}=x^{\lambda}y^{\lambda}\) et \((\lambda*x)\bot(\lambda*y)=x^{\lambda}\bot y^{\lambda}=x^{\lambda}y^{\lambda}\),

      donc \(\lambda*(x\bot y)=(\lambda*x)\bot(\lambda*y)\).

Ainsi les huit axiomes sont satisfaits et \((\mathbb R_+^*,\bot,*)\) est un \(\mathbb R\)-espace vectoriel.