Liberté pour les vecteurs propres!
dans Algèbre
Pourquoi les vecteurs propres correspondant à des valeurs propres différentes forment-ils un système libre?
J'ai l'impression que ça doit être évident, mais ça ne me semble pas évident.
Plus précisément, je suppose que $E$ est un $\K$-espace vectoriel de dimension finie $n$, que $\phi$ est un endomorphisme de $E$, que $\lambda_1, \ldots \lambda_k$ sont $k \in \N$ valeurs propres distinctes de $\phi$, et $\vec v_1, \ldots \vec v_k$ des vecteurs propres correspondants ($\forall i, \phi(\vec v_i) = \lambda_i \vec v_i$ avec $\vec v_i \neq \vec 0$).
Je veux montrer que $(\vec v_1, \ldots \vec v_k)$ est un système libre.
En fait, j'ai trouvé une façon compliquée de le montrer, mais je cherche une façon simple.
Ma façon compliquée, c'est de poser $\alpha_1 \vec v_1 + \ldots \alpha_k \vec v_k = \vec 0$, et d'appliquer $\phi$ à cette égalité de manière répétée, jusqu'à $k - 1$ fois. J'obtiens $k$ égalités de la forme ${\lambda_1}^p \alpha_1 \vec v_1 + \ldots {\lambda_k}^p \alpha_k \vec v_k = \vec 0$ avec $p = 0, 1, \ldots k-1$. La résolution de ce système linéaire fait intervertir la matrice
$$\begin{pmatrix}
1 & 1 & \ldots & 1 \\
\lambda_1 & \lambda_2 & \ldots & \lambda_k \\
\ldots \\
{\lambda_1}^{k-1} & {\lambda_2}^{k-1} & \ldots & {\lambda_k}^{k-1}
\end{pmatrix}$$
qui est connue (matrice de Vandermonde), et dont on montre, de façon compliquée, qu'elle est inversible sachant que les $\lambda_i$ sont distincts.
Au total, on trouve bien que tous les $\alpha_i$ doivent être nuls.
Mais ça me semble vraiment compliqué pour ce résultat. Comment faire plus simple?
J'ai l'impression que ça doit être évident, mais ça ne me semble pas évident.
Plus précisément, je suppose que $E$ est un $\K$-espace vectoriel de dimension finie $n$, que $\phi$ est un endomorphisme de $E$, que $\lambda_1, \ldots \lambda_k$ sont $k \in \N$ valeurs propres distinctes de $\phi$, et $\vec v_1, \ldots \vec v_k$ des vecteurs propres correspondants ($\forall i, \phi(\vec v_i) = \lambda_i \vec v_i$ avec $\vec v_i \neq \vec 0$).
Je veux montrer que $(\vec v_1, \ldots \vec v_k)$ est un système libre.
En fait, j'ai trouvé une façon compliquée de le montrer, mais je cherche une façon simple.
Ma façon compliquée, c'est de poser $\alpha_1 \vec v_1 + \ldots \alpha_k \vec v_k = \vec 0$, et d'appliquer $\phi$ à cette égalité de manière répétée, jusqu'à $k - 1$ fois. J'obtiens $k$ égalités de la forme ${\lambda_1}^p \alpha_1 \vec v_1 + \ldots {\lambda_k}^p \alpha_k \vec v_k = \vec 0$ avec $p = 0, 1, \ldots k-1$. La résolution de ce système linéaire fait intervertir la matrice
$$\begin{pmatrix}
1 & 1 & \ldots & 1 \\
\lambda_1 & \lambda_2 & \ldots & \lambda_k \\
\ldots \\
{\lambda_1}^{k-1} & {\lambda_2}^{k-1} & \ldots & {\lambda_k}^{k-1}
\end{pmatrix}$$
qui est connue (matrice de Vandermonde), et dont on montre, de façon compliquée, qu'elle est inversible sachant que les $\lambda_i$ sont distincts.
Au total, on trouve bien que tous les $\alpha_i$ doivent être nuls.
Mais ça me semble vraiment compliqué pour ce résultat. Comment faire plus simple?
Réponses
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On a une démonstration par récurrence ici : théorème 3.1.4/Corollaire 3.1.5 http://denis.monasse.free.fr/livre-html/coursse15.html
-
Effectivement c'est immédiat par récurrence.
Le cas d'un seul vecteur est trivial.
Si maintenant $n+1$ vecteurs propres associés à des valeurs propres distinctes sont liés, alors l'un est combinaison linaire des autres, mettons $e_{n+1}=\sum_{k=1}^n \mu_k e_k$.
On applique $\phi$ et on obtient alors $\lambda_{n+1}e_{n+1}=\sum_{k=1}^n \mu_k {\lambda_k}e_k$.
En comparant ces deux égalités et en utilisant le fait que par hypothèse de récurrence, $e_1, \dots, e_{n}$ est libre, on déduit que $\lambda_{n+1} \mu_k = \lambda_k \mu_k$ pour tout $k$. Mais comme $\lambda_{n+1} \neq \lambda_k$, il suit que $\mu_k=0$ pour tout $k$, ce qui est une contradiction. -
Merci pour vos réponses. La démonstration marche effectivement bien par récurrence.
Je m'aperçois qu'en fait il n'y a aucun besoin de supposer que $E$ est de dimension finie (dans ma démonstration basée sur la matrice de Vandermonde non plus, en fait).
Et que la proposition s'étend à une famille quelconque, pas forcément finie, de valeurs propres distinctes.
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