Aller au contenu

Comment trouver la dimension d’un espace vectoriel

    Comment Trouver la Dimension d’un Espace Vectoriel

    La dimension d’un espace vectoriel est l’une de ses caractéristiques les plus importantes. Intuitivement, elle représente le nombre de « degrés de liberté » ou de directions indépendantes nécessaires pour décrire n’importe quel vecteur de cet espace. La méthode pour la trouver est directe : elle repose entièrement sur la notion de base.

    Méthode : Trouver une Base et Compter

    Par définition, la dimension d’un espace vectoriel $E$, notée $\dim(E)$, est le nombre de vecteurs dans n’importe quelle base de $E$.

    La méthode pour trouver la dimension de $E$ se résume donc à ces deux étapes :

    1. Trouver une base de $E$ : Il faut déterminer une famille de vecteurs qui soit à la fois libre et génératrice de $E$. (Voir les fiches méthodes correspondantes).
    2. Compter les vecteurs : Le nombre de vecteurs que vous avez trouvés dans cette base est la dimension de $E$.

    Il est important de noter que même si un espace vectoriel peut avoir une infinité de bases différentes, elles auront toutes le même nombre de vecteurs.

    Illustration des dimensions 1, 2 et 3 $u_1$ dim = 1 (une droite) Base : $(u_1)$ $u_1$ $u_2$ dim = 2 (un plan) Base : $(u_1, u_2)$ dim = 3 (l’espace) Base : $(u_1, u_2, u_3)$

    Exemple : Dimension d’un sous-espace de $\mathbb{R}^4$

    Trouvons la dimension du sous-espace vectoriel $F$ de $\mathbb{R}^4$ défini par :
    $F = \{(x, y, z, t) \in \mathbb{R}^4 \mid x + y – z = 0 \text{ et } y + z – t = 0\}$.

    1. Exprimer les vecteurs de F :

    Le but est d’exprimer un vecteur de $F$ en fonction d’un minimum de variables indépendantes. On résout le système :

    • De la 2ème équation, on tire $t = y + z$.
    • De la 1ère équation, on tire $x = z – y$.

    Les variables $y$ et $z$ peuvent être choisies librement (ce sont nos « degrés de liberté »). Un vecteur $u = (x, y, z, t)$ de $F$ s’écrit donc :
    $u = (z – y, y, z, y + z)$

    2. Extraire une famille génératrice :

    On sépare les termes en $y$ et les termes en $z$ pour faire apparaître une combinaison linéaire :

    $u = (-y, y, 0, y) + (z, 0, z, z)$
    $u = y \cdot (-1, 1, 0, 1) + z \cdot (1, 0, 1, 1)$

    Cela montre que tout vecteur de $F$ est une combinaison linéaire des deux vecteurs $v_1 = (-1, 1, 0, 1)$ et $v_2 = (1, 0, 1, 1)$. La famille $\mathcal{B} = (v_1, v_2)$ est donc une famille génératrice de $F$.

    3. Vérifier que la famille est libre :

    Soient $\alpha, \beta \in \mathbb{R}$ tels que $\alpha v_1 + \beta v_2 = 0_{\mathbb{R}^4}$.
    $\alpha(-1, 1, 0, 1) + \beta(1, 0, 1, 1) = (0, 0, 0, 0)$
    $(-\alpha + \beta, \alpha, \beta, \alpha + \beta) = (0, 0, 0, 0)$

    La deuxième composante nous donne $\alpha = 0$. La troisième nous donne $\beta = 0$. La seule solution est $\alpha = \beta = 0$. La famille $\mathcal{B}$ est donc libre.

    Conclusion de l’Exemple

    Puisque la famille $\mathcal{B} = (v_1, v_2)$ est à la fois libre et génératrice de $F$, c’est une base de $F$.
    Cette base contient 2 vecteurs.
    On conclut donc que $\dim(F) = 2$.