Caractérisation d'une famille liée

On a donc défini la notion de partie liée pour tout ensemble fini de vecteurs et on peut énoncer la propriété suivante :

FondamentalCondition nécessaire et suffisante pour qu'une famille finie de n vecteurs soit liée (n > ou égale à 1)

Soient \(E\) un espace vectoriel sur un corps \(K\), \(n\) un entier supérieur ou égal à \(1\) et \(v_1, v_2, ... , v_n\) des vecteurs de \(E\).

Les vecteurs \(v_1, v_2, ... , v_n\) sont linéairement dépendants si et seulement s'il existe une combinaison linéaire de \(v_1, v_2, ... , v_n\) égale au vecteur nul avec des coefficients non tous nuls, ce qui peut s'écrire avec les quantificateurs :

\((1) \exists (\alpha_1, \alpha_2, ... , \alpha _n ) \in \mathbf{K}^n - \{ (0,0, ... , 0) \}\) tel que

\(\alpha_1v_1 + \alpha_2 v_2 + ... + \alpha_nv_n = 0\)

ComplémentVocabulaire

Une relation du type \(\alpha_1v_1 + \alpha_2 v_2 + ... + \alpha_nv_n = 0\)\( (\alpha_1, \alpha_2, ... , \alpha _n )\) est un élément de \(\mathbf{K}^n - \{ (0,0, ... , 0) \}\) est appelée relation de dépendance linéaire

Remarque

La condition nécessaire et suffisante qui vient d'être donnée est souvent plus commode que la définition car, dans son énoncé, aucun vecteur ne joue, à priori, de rôle particulier. Elle est souvent utilisée pour démontrer qu'une famille est liée.

Dans la pratique déterminer si une famille est liée ou non se ramènera donc à déterminer si un système linéaire a ou n'a pas de solution non nulle. Cela est illustré dans le premier exemple qui suit.

ExempleExemple 1

Soient les vecteurs de \(E = \mathbf{R}^2\), \(u = (4, -2)\), \(v = (-6,3)\).

Les vecteurs \(u, v\) sont-ils linéairement dépendants ?

La réponse sera oui si et seulement il existe \((\alpha, \beta) \neq (0,0)\) tels que \(\alpha u + \beta v = 0\). Il s'agit donc d'étudier cette équation qui est équivalente à l'égalité \(\alpha(4,-2) + \beta(-6,3) = (0,0)\) et donc au système linéaire :

\(A = \left\{\begin{array}{rcrcl}4 \alpha& -& 6 \beta& =& 0\\- 2 \alpha& +& 3 \beta& = &0\end{array}\right.\)

En fait ce système se réduit à une seule équation :

\(- 2 \alpha + 3 \beta = 0\)

qui possède une infinité de solutions et en particulier des solutions non nulles,par exemple

\(\alpha = 3\), \(\beta = 2\).

Cela signifie que l'on a la relation suivante : \(3 u + 2 v = 0_E\)

Les vecteurs u et v sont donc linéairement dépendants.

ExempleExemple 2

Soient les éléments \(f, g\) et\( h\) de \(F(\mathbb R,\mathbb R)\) définis par

\(\begin{array}{rccrccrcr}f : \mathbb R &\to&\mathbb R& g : \mathbb R &\to& \mathbb R& h : \mathbb R &\to& \mathbb R\\ x &\mapsto& \sin^2 x &x &\mapsto &\cos^2x & x &\mapsto& 1\end{array}\)

Les formules de trigonométrie permettent d'écrire \(\forall x \in \mathbf{R}, \cos^2x + \sin^2 x = 1\) par conséquent, les fonctions \(f + g\) et \(h\) coincident en tout point \(x\) de \(\mathbf{R}\) et sont donc égales, soit \(f + g = h\).

La fonction h est combinaison linéaire des fonctions \(f\) et \(g\) ce qui permet d'affirmer que les trois fonctions forment une famille liée.