Composition de deux applications linéaires

Proposition : composée de deux applications linéaires

Soient \(E, F, G\) trois \(\mathbf K\textrm{-espaces}\) vectoriels, \(f\) une application linéaire de \(E\) dans \(F\) et \(g\) une application linéaire de \(F\) dans \(G\), alors \(g \circ f\) est une application linéaire de \(E\) dans \(G\).

Autrement dit, la composée de deux applications linéaires est linéaire.

Preuve

Soient \(u\) et \(v\) deux vecteurs de \(E\), \(\alpha\) et \(\beta\) deux éléments de \(\mathbf K\),

\(\begin{array}{rcll}g \circ f (\alpha u + \beta v) &=& g(f ( \alpha u + \beta v)) &(\textrm{d\'efinition de }g \circ f)\\&=& g (\alpha f(u) + \beta f(v)) &(\textrm{lin\'earit\'e de }f)\\&=& \alpha g (f(u) + \beta g (f(v))&(\textrm{lin\'earit\'e de }g)\\&=& \alpha g \circ f(u) + \beta g \circ f(v) &(\textrm{d\'efinition de } g \circ f)\end{array}\)

Attention

Si les espaces vectoriels \(E\) et \(G\) sont distincts, on ne peut pas définir l'application \(f \circ g\)

PropositionPropriétés de la composition d'applications linéaires

Soient \(E, F, G\) trois \(\mathbf K\textrm{-espaces}\) vectoriels.

  1. \(\forall (f_1, f_2) \in L(E,F) \times L(E,F), \forall g \in L(F,G), g \circ (f_1 + f_2) = g \circ f_1 + g \circ f_2\)

  2. \(\forall f \in L(E,F), \forall (g_1, g_2) \in L(F,G) \times L(F,G), (g_1 + g_2) \circ f = g_1 \circ f + g_2 \circ f\)

  3. \(\forall \alpha \in \mathbf K, \forall f \in L(E,F), \forall g \in L(F,G), (\alpha g) \circ f = g  \circ (\alpha f) = \alpha (g \circ f)\)

PreuvePreuve de 1

\(\forall (f_1, f_2) \in L(E,F) \times L(E,F), \forall g \in L(F,G), g \circ (f_1 + f_2) = g \circ f_1 + g \circ f_2\)

Pour tout vecteur \(u\) de \(E\),

\(\begin{array}{rcl}(g \circ (f_1 + f_2)) (u) &=& g((f_1 + f_2)(u))\\&=& g(f_1(u) + f_2 (u))\\&=& g(f_1(u)) + g(f_2 (u))\end{array}\)

La dernière égalité utilise la linéarité de \(g\). Les autres égalités se déduisent de la définition de la loi \(\circ\) et de la loi \(+\).

\(\begin{array}{rcl}(g \circ (f_1 + f_2))(u) &=& (g \circ f_1) (u) + (g \circ f_2) (u)\\&=& (g \circ f_1 + g \circ f_2) (u)\end{array}\)

Remarque

Cette démonstration utilise la linéarité de \(g\), mais pas celles de \(f_1\) et \(f_2\).

PreuvePreuve de 2

\(\forall f \in L(E,F), \forall(g_1, g_2) \in L(F,G) \times L(F,G), (g_1 + g_2) \circ f = g_1 \circ f + g_2 \circ f\)

Pour tout vecteur \(u\) de \(E\),

\(\begin{array}{rcl}((g_1 + g_2) \circ f) (u) &=& (g_1 + g_2) (f(u))\\&=& g_1 (f(u)) + g_2 (f(u))\\&=& (g_1 \circ f) (u) + (g_2 \circ f)(u)\end{array}\)

Ces égalités se déduisent de la définition de la loi \(\circ\) et de la loi \(+\).

Remarque

Cette démonstration n'utilise pas de linéarité.

PreuvePreuve de 3

La formule \((\alpha g) \circ f = \alpha(g \circ f)\) n'utilise pas de linéarité.

La formule \(g \circ (\alpha f) = \alpha (g \circ f)\) utilise la linéarité de \(g\).

Démonstration

Pour tout vecteur \(u\) de \(E\),

\(((\alpha g) \circ f)(u) = (\alpha g) (f(u)) = \alpha g (f(u)) = \alpha (g(f(u))) = \alpha(g \circ f)(u)\).

Ces égalités se déduisent de la définition de la loi \(\circ\) et de la multiplication d'une application par un scalaire.

\((g \circ (\alpha f))(u) = g(\alpha f(u)) = \alpha g (f(u))\) (la dernière égalité utilise la linéarité de \(g\)),

d'où \((g \circ (\alpha f))(u) = \alpha (g \circ f)(u)\).

PropositionLinéarité de l'application réciproque d'un isomorphisme

Soient \(E\) et \(F\) deux \(\mathbf K\textrm{-espaces}\) vectoriels, si \(f\) est un isomorphisme de \(E\) sur \(F\), alors \(f^{-1}\) est un isomorphisme de \(F\) sur \(E\).

Preuve

\(f\) étant une application bijective de \(E\) sur \(F\), \(f^{-1}\) est une application bijective de \(F\) sur \(E\). Il reste donc à prouver que \(f^{-1}\) est bien linéaire.

Soient \(u'\) et \(v'\) deux vecteurs de \(F\), \(\alpha\) et \(\beta\) deux éléments de \(\mathbf K\), on pose

\(f^{-1}(u') = u\) et \(f^{-1} (v') = v\) on a alors \(f(u) = u'\) et \(f(v) = v'\).

\(f^{-1} (\alpha u' + \beta v') = \alpha u + \beta v\) car \(f^{-1} \circ f = Id_E\)

(\(Id_E\) désigne l'application identique de \(E\) dans \(E\) : \(\forall u \in E, Id_E (u) = u)\)

donc \(f^{-1} (\alpha u' + \beta v') = \alpha f^{-1} = \alpha f^{-1} (u') + \beta f^{-1}(v')\)

\(f^{-1}\) est donc linéaire

ComplémentVocabulaire

La proposition précédente prouve donc que s'il existe un isomorphisme de \(E\) sur \(F\), alors il existe aussi un isomorphisme de \(F\) sur \(E\).

Les deux espaces vectoriels \(E\) et \(F\) sont dits isomorphes.