En mathématiques, et plus précisément en algèbre linéaire, on définit l'espace bidual[1] de l'espace vectoriel E comme étant l'espace dual E** de l'espace dual E* de E.
Application linéaire canonique
Dans la suite, on considère un espace vectoriel E sur un corps commutatif K.
Il existe une application linéaire canonique[2],[3] iE de E dans son bidual, associant à un vecteur x de E la forme linéaire sur E* définie par pour toute forme linéaire h sur E. Autrement dit :
En d'autres termes, l'application linéaire iE associe à tout vecteur x de E l'application x** dans E** qui évalue en x les formes linéaires sur E.
Dimension finie
Lorsque l'espace vectoriel E est de dimension finie, iE est un isomorphisme (voir Base duale) donc E est canoniquement isomorphe à son bidual, ce qui permet en pratique de les identifier[2],[4].
Dimension infinie
En dimension infinie, l'axiome du choix permet de montrer que cette application iE est injective[5], mais iE n'est jamais surjective. En effet, le théorème d'Erdős-Kaplansky implique que la dimension de E** est strictement supérieure à celle de E.
Construction fonctorielle
La construction de i est fonctorielle[réf. nécessaire] dans le sens suivant. La fonctorialité est plus précise que la « canonicité ». La fonctorialité pour les isomorphismes signifie l'indépendance vis-à-vis du choix d'une base.
Pour toute application linéaire , on a l'application duale et donc une application biduale . Alors les applications et vérifient . Moralement, un isomorphisme fonctoriel est compatible avec toute opération linéaire.
Lorsque E est un espace vectoriel topologique, on prendra garde à l'existence d'une autre notion de dualité (puis de bidualité), qui prend en compte la structure supplémentaire ; on se réfèrera à l'article Dual topologique, et plus spécifiquement à la section intitulée « Bidual (topologique) ».
Références
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