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Prépa, 1re année › Dimension finie › Invariance du cardinal des bases et définition de la dimension

Invariance du cardinal des bases et définition de la dimension : énoncé (MPSI)

Théorème

Invariance du cardinal des bases et définition de la dimension

Si $E$ est de dimension finie, toutes les bases de $E$ sont finies et ont le même cardinal. Ce cardinal commun est appelé dimension de $E$ et noté $\dim E$ (ou $\dim_{\mathbb{K}} E$). Par convention, $\dim \{0\} = 0$.

Démonstration : Invariance du cardinal des bases et définition de la dimension
Démonstration

Preuve

Soit $\mathcal{B}$ une base finie de $E$ à $n$ vecteurs (il en existe d'après la section précédente). Toute famille libre de $E$ a au plus $n$ vecteurs par le lemme fondamental, donc toute base $\mathcal{B}'$ est finie, de cardinal $p \leq n$. En échangeant les rôles, $\mathcal{B}'$ engendre $E$ et $\mathcal{B}$ est libre, donc $n \leq p$. Ainsi $p = n$.

Exemple

Dimensions usuelles

Espace Base usuelle Dimension
$\mathbb{K}^n$ base canonique $n$
$\mathbb{K}_n[X]$ $(1, X, \dots, X^n)$ $n+1$
$\mathcal{M}_{n,p}(\mathbb{K})$ $(E_{i,j})$ $np$
$\mathbb{C}$ comme $\mathbb{R}$-espace $(1, i)$ $2$
$\mathbb{C}$ comme $\mathbb{C}$-espace $(1)$ $1$

L'ensemble des suites $(u_n)$ de $\mathbb{K}^{\mathbb{N}}$ vérifiant $u_{n+2} = a u_{n+1} + b u_n$ (avec $a, b \in \mathbb{K}$ fixés) est de dimension $2$ : l'application $u \mapsto (u_0, u_1)$ est un isomorphisme vers $\mathbb{K}^2$ (voir la section sur les applications linéaires). De même, les solutions de $y'' + a y' + b y = 0$ forment un espace de dimension $2$.

Remarque

La dimension dépend du corps

$\mathbb{C}^n$ est de dimension $n$ sur $\mathbb{C}$ et de dimension $2n$ sur $\mathbb{R}$ (base $(e_1, i e_1, \dots, e_n, i e_n)$). En cas d'ambiguïté, on précise $\dim_{\mathbb{R}}$ ou $\dim_{\mathbb{C}}$.

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Dans le cours

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