Structure de l'ensemble des formes bilinéaires, de celui des formes bilinéaires symétriques et de celui des formes bilinéaires antisymétriques

Soit \(E\) un \(\mathbb{K}-\textrm{espace}\) vectoriel. On note \(B(E)\) l'ensemble des formes bilinéaires sur \(E,\) \(S_{2}(E)\) l'ensemble des formes bilinéaires symétriques sur \(E\) et \(A_{2}(E)\) l'ensemble des formes bilinéaires antisymétriques sur \(E.\) On a alors le théorème de structure suivant :

ThéorèmeStructure vectorielle de B(E), S2(E) , et A2(E)

  1. L'ensemble \(B(E)\) a une structure d'espace vectoriel pour les opérations suivantes :

    \(\begin{array}{ccccc}&&E\times E &\to & \mathbb{K}\\f_{1} + f_{2} &:& (x,y)&\mapsto & f_{1}(x,y) + f_{2}(x,y)\\\lambda f &:& (x,y)&\mapsto &\lambda f(x,y)\end{array}\)

  2. Les ensembles \(S_{2}(E)\) et \(A_{2}(E)\) sont des sous-espaces vectoriels de \(B(E).\)

  3. Les sous-espaces vectoriels \(S_{2}(E)\) et \(A_{2}(E)\) sont supplémentaires c'est-à-dire : \(B(E) = S_{2}(E) \oplus A_{2}(E)\)

Preuve

Les propriétés 1) et 2) sont immédiates à démontrer.

Démonstration de la propriété 3)

Soit \(f\) une forme bilinéaire quelconque. Supposons qu'il existe une forme bilinéaire symétrique \(\varphi\) et une forme bilinéaire antisymétrique \(\psi\) telles que \(f = \varphi + \psi ;\) cela signifie:

\((*) \quad \forall (x,y) \in E \times E ,\quad f(x,y) = \varphi(x,y) + \psi(x,y),\)

d'où \(\forall(x,y) \in E \times E \quad f(y,x) = \varphi(y,x) + \psi(y,x)\)

et donc \((**) \quad \forall (x,y) \in E \times E \quad f(y,x) = \varphi(x,y) - \psi(x,y)\)

Alors, à partir des relations \((*)\) et \((**)\) il vient :

\(\forall (x,y) \in E \times E \quad \frac{1}{2} \big(f(x,y) + f(y,x) \big) = \varphi(x,y)\)

\(\forall (x,y) \in E \times E \quad \frac{1}{2} \big(f(x,y) - f(y,x) \big) = \psi(x,y)\)

Cela prouve l'unicité de l'écriture d'une forme bilinéaire comme somme d'un élément de \(S_{2}(E)\) et de \(A_{2}(E)\) si une telle écriture existe.

Pour montrer l'existence d'une telle décomposition, il suffit de vérifier que les applications

\(\begin{array}{ccccc}\varphi &:&E\times E &\to & \mathbb{K}\\ \\&& (x,y)&\mapsto & \frac{1}{2} \big(f(x,y) + f(y,x)\big)\\ \\&&& \textrm{et}&\\ \\\psi &:&E\times E &\to & \mathbb{K}\\ \\&& (x,y)&\mapsto & \frac{1}{2} \big(f(x,y) - f(y,x)\big)\end{array}\)

conviennent autrement dit que \(\varphi\) est une forme bilinéaire symétrique sur \(E,\) que \(\psi\) est une forme bilinéaire antisymétrique sur \(E\) et que \(f = \varphi + \psi.\)

Toutes ces vérifications sont immédiates, d'où le résultat.

Remarque

bien observer qu'aucune hypothèse concernant la dimension de \(E\) n'est nécessaire pour démontrer cette propriété.

Exemple

Reprenons l'exemple déjà étudié avec \(E = \mathbb{R}^{2}\) et \(f\) la forme bilinéaire sur \(\mathbb{R}^{2}\) définie pour tout \(x = (x_{1},x_{2})\) et \(y = (y_{1},y_{2})\) de \(\mathbb{R}^{2}\) par : \(f(x,y) = x_{1} y_{1} - 2 x_{2}y_{1} + 2x_{1} y_{2} - x_{2}y_{2}\)

Alors en utilisant les résultats précédents il vient \(f = \varphi + \psi\) avec

\(\begin{array}{ccccc}\varphi &:&\mathbb{R}^{2}\times \mathbb{R}^{2} &\to & \mathbb{R}\\ \\&& \big((x_{1},x_{2}),(y_{1},y_{2})\big )&\mapsto & x_{1}y_{1} - x_{2}y_{2}\\ \\&&& \textrm{et}&\\ \\\psi &:&\mathbb{R}^{2}\times \mathbb{R}^{2} &\to & \mathbb{R}\\ \\&& \big((x_{1},x_{2}),(y_{1},y_{2})\big) &\mapsto & -2x_{2}y_{1} + 2x_{1}y_{2}\end{array}\)