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

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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

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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

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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

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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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  1. Jean-Pierre Ramis, André Warusfel et al., Mathématiques - Tout-en-un pour la Licence 2, Dunod, , 3e éd. (lire en ligne), p. 98.
  2. a et b Ramis et Warusfel 2020, p. 101.
  3. Jean-Étienne Rombaldi, Mathématiques pour l'agrégation - Algèbre et géométrie, De Boeck Supérieur, , 2e éd. (lire en ligne), p. 445.
  4. M. Houimdi, Algèbre linéaire, algèbre bilinéaire : Cours et exercices corrigés, Ellipses, (lire en ligne), p. 148.
  5. C. Antonini, Algèbre - 2ème année Prépas scientifiques, De Boeck Supérieur, (lire en ligne), p. 183.