Soit $$A=\left(\begin{array}{ccc} -2&0&-4 \\ 0& 3&0 \\ 2&0&4\end{array}\right)$$
On pose:
$$K=\left\{ V\in\mathbb R^3 / AV=0\right\}$$
Montrer que $K$ est un sous-espace vectoriel de $\mathbb R^3$.
Donner un vecteur non nul $V_0$ de $K$.
On note: $~~\mathcal{B}=\left( E_1;E_2;E_3\right)~~$ la base canonique de $\mathbb R^3~,~~$ et $~~V_1=AE_1~~$ et $V_2=AE_2$.
Montrer que $\left( V_0; V_1;V_2\right)$ est une base de $\mathbb R^3$.
Bac Sciences Mathématiques & Lycée
Espaces vectoriels
ĂnoncĂ© avec corrigĂ© dĂ©taillĂ©
Conseil méthodologique : Cherchez attentivement cet exercice au brouillon pendant 15 à 30 minutes avant de consulter la solution détaillée ci-dessous.
ĂnoncĂ© de l'exercice :
Solution Détaillée & Corrigé Pas à Pas Corrigé complet
Par définition:
$$K = \{ V \in \mathbb{R}^3 \mid AV = 0 \}$$.
Montrons qu'il s'agit d'un sous-espace vectoriel de $\mathbb{R}^3$ :
Pour montrer que $(V_0, V_1, V_2)$ est une base de $\mathbb{R}^3$, il faut et il suffit de montrer que cette famille est libre:
En effet, l'équation: $$\alpha V_0 + \beta V_1 + \gamma V_2 = 0$$ Peut s'écrire: $$ \alpha \begin{pmatrix} -2 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} + \beta \begin{pmatrix} -2 \\ 0 \\ 2 \end{pmatrix} + \gamma \begin{pmatrix} 0 \\ 3 \\ 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix}$$ Ce qui équivaut à : \begin{cases} -2\alpha - 2\beta = 0 & (L_1) \\\\ 3\gamma = 0 & (L_2) \\\\ \alpha + 2\beta = 0 & (L_3) \end{cases} De $(L_2)$, on tire: $$\gamma = 0$$ En additionnant $(L_1)$ et $(L_3)$, on obtient : $$\beta = 0$$ En substituant dans dans $(L_3)$, il vient: $$\alpha = 0$$ La famille $~\mathcal B~$ est donc libre, et par conséquent, constitue une base de $~\Bbb R^3$
- Ensemble K est non vide:
Soit $~0_{\mathbb{R}^3}~,~$ le vecteur nul de $\mathbb{R}^3$.
On a: $~~A \cdot 0_{\mathbb{R}^3} = 0_{\mathbb{R}^3}~~$, et donc $~~0_{\mathbb{R}^3} \in K$.
L'ensemble K est donc non vide. - Stabilité par combinaison linéaire :
Soient $(U, V) \in K^2$ et $(\lambda, \mu) \in \mathbb{R}^2$.
Calculons $A(\lambda U + \mu V)$ en utilisant la linéarité du produit matriciel : \[ A(\lambda U + \mu V) = \lambda (AU) + \mu (AV) \] Comme $~U \in K~$ et $~V \in K~$, nous avons $~AU = 0$ et $AV = 0$.
D'oĂč : $A(\lambda U + \mu V) = \lambda \cdot 0 + \mu \cdot 0 = 0$.
Ainsi, $(\lambda U + \mu V) \in K$.
2. Recherche d'un vecteur non nul de K
Cherchons un vecteur $V_0 = \begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix} \neq 0$ tel que $AV_0 = 0$ : $$\begin{pmatrix} -2 & 0 & -4 \\ 0 & 3 & 0 \\ 2 & 0 & 4 \end{pmatrix}\begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix}$$ Est Ă©quivalent Ă : \begin{cases} -2x - 4z = 0 \\\\ 3y = 0\\ \\ 2x + 4z = 0 \end{cases} Est Ă©quivalent Ă : \begin{cases} y = 0 \\\\ x = -2z \end{cases} En choisissant $z = 1$, nous obtenons le vecteur : $$V_0 = \begin{pmatrix} -2 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} $$3. Ătude de la famille (Vâ, Vâ, Vâ)
Déterminons d'abord les vecteurs $V_1$ et $V_2$ :- $V_1 = AE_1$ correspond à la premiÚre colonne de $A$ : $$V_1 = \begin{pmatrix} -2 \\ 0 \\ 2 \end{pmatrix}$$
- $V_2 = AE_2$ correspond Ă la deuxiĂšme colonne de $A$ : $$V_2 = \begin{pmatrix} 0 \\ 3 \\ 0 \end{pmatrix}$$
Pour montrer que $(V_0, V_1, V_2)$ est une base de $\mathbb{R}^3$, il faut et il suffit de montrer que cette famille est libre:
En effet, l'équation: $$\alpha V_0 + \beta V_1 + \gamma V_2 = 0$$ Peut s'écrire: $$ \alpha \begin{pmatrix} -2 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} + \beta \begin{pmatrix} -2 \\ 0 \\ 2 \end{pmatrix} + \gamma \begin{pmatrix} 0 \\ 3 \\ 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix}$$ Ce qui équivaut à : \begin{cases} -2\alpha - 2\beta = 0 & (L_1) \\\\ 3\gamma = 0 & (L_2) \\\\ \alpha + 2\beta = 0 & (L_3) \end{cases} De $(L_2)$, on tire: $$\gamma = 0$$ En additionnant $(L_1)$ et $(L_3)$, on obtient : $$\beta = 0$$ En substituant dans dans $(L_3)$, il vient: $$\alpha = 0$$ La famille $~\mathcal B~$ est donc libre, et par conséquent, constitue une base de $~\Bbb R^3$