Somme directe de plusieurs sous-espaces vectoriels

La notion de somme directe de deux sous-espaces vectoriels d'un \mathbf K\textrm{-espace} vectoriel E se généralise au cas de plusieurs sous-espaces.

DéfinitionDéfinition de la somme directe de n sous-espaces vectoriels

La somme de n sous-espaces vectoriels F_1, F_2, ... , F_n d'un \mathbf K\textrm{-espace} vectoriel E est directe si et seulement si tout élément de F_1+ F_2+ ... +F_n s'écrit d'une manière unique comme somme d'éléments de F_1, F_2, ... , F_n.

Ce qui s'écrit avec les quantificateurs :

\forall x \in F_1 + F_2 + ... + F_n, \exists ! (x_1, x_2, ... , x_n) \in F_1 \times F_2 \times ... \times F_n,

x = x_1 + x_2 + ... + x_n

La somme directe de F_1, F_2, ... , F_n est notée : F_1 \oplus F_2 \oplus ... \oplus F_n

Complément

La notation \exists ! signifie : il existe un unique.

Exemple

Soit dans \mathbb R^4 les trois sous-espaces vectoriels F, G et H, engendrés respectivement par (1,0,0,0), (0,1,0,0) et (0,0,1,0). Alors tout élément u de la somme F + G + H s'écrit sous la forme

u = \alpha(1,0,0,0) + \beta(0,1,0,0)+ \gamma(0,0,1,0) donc u = (\alpha , \beta , \gamma, 0)

Si u s'écrivait aussi u = \alpha'(1,0,0,0) + \beta'(0,1,0,0) + \gamma'(0,0,1,0), alors u = (\alpha', \beta', \gamma',0).

Mais dans \mathbb R^4 : (\alpha, \beta, \gamma,0) = (\alpha', \beta', \gamma',0) \Rightarrow \alpha = \alpha', \beta = \beta', \gamma = \gamma'

donc l'écriture d'un élément de F + G + H comme somme d'éléments de F, G et H est unique :

F + G + H = F \oplus G \oplus H

PropriétéPropriété caractéristique

La somme de n sous-espaces vectoriels F_1, F_2, ... , F_n d'un \mathbf K\textrm{-espace} vectoriel E est directe si et seulement si, pour tout entier p compris entre 2 et n, la somme F_1, F_2, ... , F_p est la somme directe de F_1, F_2, ... , F_{p-1} et de F_p.

Il est équivalent de dire d'après le théorème sur la somme directe de deux sous-espaces vectoriels :

Théorème

La somme de n sous-espaces vectoriels F_1, F_2, ... , F_n d'un \mathbf K\textrm{-espace} vectoriel E est directe si et seulement si la propriété suivante est vérifiée :

\forall p \in \mathbb{N}, 2 \leq p \leq n, (F_1 + F_2 + ... + F_{p-1}) \cap F_p = \{0\}

PreuvePreuve de la propriété caractéristique

a)Supposons que la somme F_1, F_2, ... , F_n est directe et montrons que

\forall p \in \mathbb N, 2 \leq p \leq n, (F_1, F_2, ... , F_{p-1}) \cap F_p = {0}

Soit p un entier compris entre 2 et n, et z un élément de (F_1, F_2, ... , F_{p-1}) \cap F_p :

\exists (z_1, z_2, ... , z_{p-1}) \in F_1 \times F_2 \times ... \times F_{p-1}, z = z_1 + z_2 + ... + z_{p-1}

donc 0 = z_1 + z_2 + ... + z_{p-1} - z

avec (z_1, z_2, ... , z_{p-1}) \in F_1  \times F_2 \times ... \times F_{p-1} \mathrm{ et } z \in F_p;

or 0 s'écrit d'une manière unique comme somme d'éléments de F_1, F_2, ... , F_n,

donc z_1 = z_2 = ... = z_{p -1} = z = 0.

b) Réciproquement, on veut démontrer que la propriété (P) :

" \exists p \in \mathbf{N}, 2 \leq p \leq n, (F_1 + F_2 + ... + F_{p-1}) \cap F_p = \{0 \}"

implique la propriété (Q) :

"la somme F_1 + F_2 + ... + F_{n} est directe",

il est équivalent de démontrer que (nonQ) implique (nonP).

Supposons que la somme F_1 + F_2 + ... + F_{n} n'est pas directe.

Il existe alors un élément z appartenant à F_1 + F_2 + ... + F_{n} admettant deux décompositions distinctes en somme d'éléments de F_1 + F_2 + ... + F_{n},

c'est à dire :

\exists (z_1, z_2, ... , z_n) \in F_1 \times F_2 \times ... \times, z = z_1 + z_2 + ... + z_n

et

\exists (z'_1, z'_2, ... , z'_n) \in F_1 \times F_2 \times ... \times, z = z'_1 + z'_2 + ... + z'_n

tels que (z_1, z_2, ... , z_n) \neq (z'_1, z'_2, ... , z'_n)

Soit q le plus grand entier compris entre 1 et n tel que z_q \neq z'_q alors

z_1, z_2, ... , z_n = z'_1, z'_2, ... , z'_n implique (z_1 - z'_1) + (z_2 - z'_2) + ... + (z_{q-1} - z'_{q-1}) = z'_q - z_q

donc z'_q - z_q \in (F_1 + F_2 + ... + F_{q-1}) \cap F_q et donc (F_1 + F_2 + ... + F_{q-1}) \cap F_q \neq {0}

Ceci est bien la propriété (nonQ).

Remarque

Si F_1 + F_2 + ... + F_n est une somme directe alors la propriété suivante est vérifiée :

\forall p \in \mathbb{N}, 1 \leq p \leq n,\forall q \in \mathbb{N}, 1 \leq q \leq n,p \neq q : F_p\cap F_q = \{0\}

Mais cette condition (qui est nécessaire) pour que la somme soit directe n'est pas suffisante. En effet considérons le contre exemple suivant :

ExempleContre exemple

Dans l'espace vectoriel \mathbb R^2, soit F le sous-espace vectoriel engendré par (1,0), G le sous-espace vectoriel engendré par (0,1) et H le sous-espace vectoriel engendré par (1,1).

Il est immédiat que F \cap G = \{0\} , G\cap H = \{0\} et F \cap H = \{0\}, et pourtant la somme F + G + H n'est pas directe.

En effet l'élément (1,1) de F + G + H se décompose en somme d'éléments de F, G et H de la manière suivante :

(1,1) = (0,0) + (0,0) + (1,1)

mais aussi de la manière suivante :

(1,1) = (1,0) + (0,1) + (0,0)

donc il n'y a pas unicité de l'écriture.

Attention

Dans le cas de plusieurs sous-espaces vectoriels, le fait que les sous-espaces aient deux à deux une intersection réduite au vecteur nul n'est pas une condition suffisante pour que la somme soit directe.