Espace bidual

Espace bidual
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Soit (E,+,.) un K-espace vectoriel, où K désigne un corps commutatif. On définit l'espace bidual de l'espace vectoriel E comme étant l'espace dual E * * de l'espace dual E * de E.

Il existe une application linéaire canonique i de E dans son bidual, associant à un vecteur x de E la forme linéaire x * * sur E * définie par x * * (h) = h(x) pour toute forme linéaire h sur E. En utilisant le lemme de Zorn, on démontre que cette application i est toujours injective. Lorsque l'espace vectoriel E est de dimension finie, i est un isomorphisme et le bidual est canoniquement isomorphe à l'espace vectoriel E ce qui permet en pratique de les identifier.

La construction de i est fonctorielle dans le sens suivant. Pour toute application linéaire f : E\to F, on a l'application duale f^{*}: F^*\to E^* et donc une application biduale f^{**}: E^{**}\to F^{**}. Alors les applications i_E : E\to E^{**} et i_F : F\to F^{**} vérifient iFf = f * * iE. Moralement, un isomorphisme fonctoriel est compatible avec toute opération linéaire. La fonctorialité est plus précise que la 'canonicité'. La fonctorialité pour les isomorphismes f signifie indépendance vis-à-vis du choix d'une base.

En dimension infinie, il est facile de montrer que i n'est jamais un isomorphisme. Le théorème d'Erdős-Kaplansky implique qu'il n'existe même aucun isomorphisme entre E est son bidual.

Toutefois, 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) ».


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