Liberté pour les vecteurs propres!

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?

Réponses

  • 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.
Connectez-vous ou Inscrivez-vous pour répondre.