Changement de base (algèbre linéaire)

En mathématiques, plus précisément en algèbre linéaire, une matrice de passage (ou encore matrice de changement de base) permet d'écrire des formules de changement de base pour les représentations matricielles des vecteurs, des applications linéaires et des formes bilinéaires.

Définition

Soient K un corps commutatif, E un K-espace vectoriel de dimension finie n, et B, B' deux bases de E.

Pour des raisons mnémotechniques, on qualifie B' de nouvelle base, B d'ancienne base. On observera que dans les deux premières descriptions données, les bases interviennent dans l'ordre opposé à celui de la terminologie. La troisième peut être détaillée ainsi : si $\mathrm{B}=(e_1,\dots ,e_n)$ et ${\mathrm{B}}^{\prime }=(e{\text{'}}_1,\dots ,e{\text{'}}_n)$ où $e{\text{'}}_j=\sum _{i=1}^n{a}_{i,j}{e}_i$ pour $j=1,\dots ,n$, alors

$P_{\mathrm{B}}^{{\mathrm{B}}^{\prime }}=(a_{i,j}{)}_{i,j=1}^n\in {ℳ}_n(𝕂)$.

Changement de coordonnées pour un vecteur

Comme déjà mentionné, si un vecteur de E a pour coordonnées X et X' dans deux bases B et B', alors $\mathrm{X}=P_{\mathrm{B}}^{{\mathrm{B}}^{\prime }}{\mathrm{X}}^{\prime }$.

Exemples

Considérons l'espace euclidien ℝModèle:3 muni de sa base canonique B(e₁, e₂, e₃), « ancienne base », orthonormée directe.

Homothétie d'un facteur k.

Homothétie

La nouvelle base B'(e'₁, e'₂, e'₃) est obtenue par une homothétie de facteur k. On a ainsi :

e'₁ = k e₁ ;

e'₂ = k e₂ ;

e'₃ = k e₃.

La matrice de passage s'écrit

$P_{\mathrm{B}}^{{\mathrm{B}}^{\prime }}=\left(\begin{array}{ccc}k& 0& 0\\ 0& k& 0\\ 0& 0& k\end{array}\right)$

Soit un vecteur x de composantes (X₁, X₂, X₃) dans B et (X'₁, X'₂, X'₃) dans B'. On a :

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{X}}_1\\ {\mathrm{X}}_2\\ {\mathrm{X}}_3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}k& 0& 0\\ 0& k& 0\\ 0& 0& k\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{X}{\text{'}}_1\\ \mathrm{X}{\text{'}}_2\\ \mathrm{X}{\text{'}}_3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}k\mathrm{X}{\text{'}}_1\\ k\mathrm{X}{\text{'}}_2\\ k\mathrm{X}{\text{'}}_3\end{array}\right)$

Rotation d'un angle α autour de e₃.

Rotation de la base

La nouvelle base B'(e'₁, e'₂, e'₃) est obtenue par rotation d'un angle α autour de l'axe e₃. On a ainsi :

e'₁ = cos(α) e₁ + sin(α) e₂ ;

e'₂ = –sin(α) e₁ + cos(α) e₂ ;

e'₃ = e₃.

La matrice de passage s'écrit

$P_{\mathrm{B}}^{{\mathrm{B}}^{\prime }}=\left(\begin{array}{ccc}\cos \alpha & -\sin \alpha & 0\\ \sin \alpha & \cos \alpha & 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)$

Soit un vecteur x de composantes (X₁, X₂, X₃) dans B et (X'₁, X'₂, X'₃) dans B'. On a :

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{X}}_1\\ {\mathrm{X}}_2\\ {\mathrm{X}}_3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}\cos \alpha & -\sin \alpha & 0\\ \sin \alpha & \cos \alpha & 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{X}{\text{'}}_1\\ \mathrm{X}{\text{'}}_2\\ \mathrm{X}{\text{'}}_3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}(\cos \alpha )\mathrm{X}{\text{'}}_1-(\sin \alpha )\mathrm{X}{\text{'}}_2\\ (\sin \alpha )\mathrm{X}{\text{'}}_1+(\cos \alpha )\mathrm{X}{\text{'}}_2\\ \mathrm{X}{\text{'}}_3\end{array}\right)$

Inverse

En effet, d'après la règle de calcul de la matrice d'une composée :

$P_{\mathrm{B}}^{{\mathrm{B}}^{\prime }}{P}_{{\mathrm{B}}^{\prime }}^{\mathrm{B}}={ℳ}_{{\mathrm{B}}^{\prime },\mathrm{B}}(\mathrm{I}{\mathrm{d}}_{\mathrm{E}}){ℳ}_{\mathrm{B},{\mathrm{B}}^{\prime }}(\mathrm{I}{\mathrm{d}}_{\mathrm{E}})={ℳ}_{\mathrm{B},\mathrm{B}}(\mathrm{I}{\mathrm{d}}_{\mathrm{E}})={\mathrm{I}}_n$.

Exemples

Reprenons les exemples ci-dessus.

Homothétie

La matrice inverse s'obtient simplement en remplaçant k par 1/k, soit :

$P_{{\mathrm{B}}^{\prime }}^{\mathrm{B}}=\left(\begin{array}{ccc}1/k& 0& 0\\ 0& 1/k& 0\\ 0& 0& 1/k\end{array}\right)$

et donc

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{X}{\text{'}}_1\\ \mathrm{X}{\text{'}}_2\\ \mathrm{X}{\text{'}}_3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}1/k& 0& 0\\ 0& 1/k& 0\\ 0& 0& 1/k\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\mathrm{X}}_1\\ {\mathrm{X}}_2\\ {\mathrm{X}}_3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{\mathrm{X}}_1/k\\ {\mathrm{X}}_2/k\\ {\mathrm{X}}_3/k\end{array}\right)$.

Rotation

La matrice inverse s'obtient simplement en remplaçant α par –α, soit :

$P_{{\mathrm{B}}^{\prime }}^{\mathrm{B}}=\left(\begin{array}{ccc}\cos \alpha & \sin \alpha & 0\\ -\sin \alpha & \cos \alpha & 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)$

(on remarque que c'est la transposée, P_B'^B = ^tP_B^B') et donc

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{X}{\text{'}}_1\\ \mathrm{X}{\text{'}}_2\\ \mathrm{X}{\text{'}}_3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}\cos \alpha & \sin \alpha & 0\\ -\sin \alpha & \cos \alpha & 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\mathrm{X}}_1\\ {\mathrm{X}}_2\\ {\mathrm{X}}_3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}(\cos \alpha ){\mathrm{X}}_1+(\sin \alpha ){\mathrm{X}}_2\\ -(\sin \alpha ){\mathrm{X}}_1+(\cos \alpha ){\mathrm{X}}_2\\ {\mathrm{X}}_3\end{array}\right)$.

Changement de matrice pour une application linéaire

En effet, ${\mathrm{Q}}^{-1}\mathrm{A}\mathrm{P}={ℳ}_{{ℱ}^{\prime },ℱ}^{-1}(\mathrm{I}{\mathrm{d}}_{\mathrm{F}})[{ℳ}_{ℰ,ℱ}(f){ℳ}_{{ℰ}^{\prime },ℰ}(\mathrm{I}{\mathrm{d}}_{\mathrm{E}})]={ℳ}_{ℱ,{ℱ}^{\prime }}(\mathrm{I}{\mathrm{d}}_{\mathrm{F}}){ℳ}_{{ℰ}^{\prime },ℱ}(f)={ℳ}_{{ℰ}^{\prime },{ℱ}^{\prime }}(f)=\mathrm{B}$.

Les matrices A et B sont alors dites équivalentes.

Dans le cas particulier d'un endomorphisme (i.e. F = E), si l'on choisit $ℱ=ℰ$ et ${ℱ}^{\prime }={ℰ}^{\prime }$ (donc Q = P), les matrices A et B sont dites semblables.

Changement de matrice pour une forme bilinéaire

Cas usuel

Les matrices A et B sont alors dites congruentes.

Variantes

Il arrive que l'on considère une forme bilinéaire φ définie non pas sur E×E mais sur E×F où F est un espace vectoriel non nécessairement égal à E. Si $ℰ,{ℰ}^{\prime }$ sont deux bases de E avec matrice de passage P, et $ℱ,{ℱ}^{\prime }$ deux bases de F avec matrice de passage Q, la formule de changement de bases devient :

$\mathrm{B}{=}^{\mathrm{t}}\mathrm{P}\mathrm{A}\mathrm{Q}$.

On peut également considérer une forme sesquilinéaire au lieu d'une forme bilinéaire. Dans ce cas, il faut remplacer, dans les formules, la transposée de la matrice de passage par sa matrice adjointe.