Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Linear algebraUnreviewed

Un lemme algébrique sur les formes linéaires

by La chouette aveugle·
37
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

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  1. 110First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 1125Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 2650Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 5170Advanced / graduateAvancé / master
  5. 7190Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91100Research levelNiveau recherche
These levels are approximate guides.Ces niveaux sont des repères approximatifs.
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Français

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Soit VV un espace vectoriel sur un corps K\mathbb{K}. Soit (ϕi)1in(\phi_{i})_{1 \leq i \leq n} et ψ\psi des formes linéaires sur VV. On suppose que 1inker(ϕi)ker(ψ)\bigcap_{1 \leq i \leq n} \mathrm{ker}(\phi_{i}) \subset \mathrm{ker}(\psi). Montrer qu’il existe (λ1,...,λn)Kn(\lambda_{1},\,...\,,\,\lambda_{n}) \in \mathbb{K}^{n} tels que ψ=i=1nλiϕi\psi = \sum_{i = 1}^{n}\lambda_{i} \phi_{i}.

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On peut supposer que ψ\psi est non nulle. Supposons que n=1n = 1. Si ker(ϕ1)ker(ψ)\ker(\phi_{1}) \subset \ker(\psi), alors ker(ϕ1)=ker(ψ)\ker(\phi_{1}) = \ker(\psi). Soit vVv \in V tel que V=ker(ψ)KvV = \ker(\psi) \oplus \mathbb{K}v. Pour tout xVx \in V, il existe un unique scalaire λ\lambda et un unique élément wker(ψ)w \in \ker(\psi) tels que x=λv+wx = \lambda v + w. Ainsi, ψ(x)=λψ(v)\psi(x) = \lambda \psi(v), et ϕ1(x)=λϕ1(v)\phi_{1}(x) = \lambda \phi_{1}(v). Comme ψ\psi n’est pas nulle ϕ1\phi_{1} n’est pas nulle non plus, et ϕ1(v)0\phi_{1}(v) \neq 0, et ainsi ψ(x)=ψ(v)ϕ1(v)ϕ1(x)\psi(x) = \frac{\psi(v)}{\phi_{1}(v)}\phi_{1}(x), d’où que ψ\psi et ϕ1\phi_{1} sont liées.

Soit nn tel que le résultat est montré pour toute famille de nn formes linéaires. Montrons que le résultat tient pour une famille de n+1n+1 éléments. Si ker(ψ)=ker(ϕn+1)\ker(\psi) = \ker(\phi_{n+1}), il n’y a rien à démontrer (à cause du point précédent). Sinon, pour 1in1 \leq i \leq n, on pose θi=def(ϕi)ker(ϕn+1)\theta_{i} \stackrel{\mathrm{def}}{=} (\phi_{i})_{|\ker(\phi_{n+1})}, et ψ=ψker(ϕn+1)\psi' = \psi_{|\ker(\phi_{n+1})}. Puisque 1inker(θi) ker(ψ)\bigcap_{1 \leq i \leq n} \ker(\theta_{i}) \subset \ker(\psi'), on déduit qu’il existe des scalaires (λ1,...,λn)(\lambda_{1},\,...\,,\,\lambda_{n}) tels que ψ=i=1nλiθi\psi' = \sum_{i = 1}^{n} \lambda_{i}\theta_{i}. Soit vVv \in V tel que V=ker(ϕn+1)KvV= \ker(\phi_{n+1}) \oplus \mathbb{K}v. Pour tout xVx \in V, il existe un unique scalaire λ\lambda et un unique élément wker(ϕn+1)w \in \ker(\phi_{n+1}) tels que x=λv+wx = \lambda v + w. Ainsi, on déduit que ψ(x)=λψ(v)+ψ(w)=λψ(v)+i=1nλiϕi(w)\psi(x) = \lambda \psi(v) + \psi(w) = \lambda \psi(v) + \sum_{i = 1}^{n} \lambda_{i} \phi_{i}(w). Comme ϕn+1(x)=λϕn+1(v)\phi_{n+1}(x) = \lambda \phi_{n+1}(v) et que ϕn+1(v)0\phi_{n+1}(v) \neq 0, on a λ=ϕn+1(x)/ϕn+1(v)\lambda = \phi_{n+1}(x)/\phi_{n+1}(v). Ainsi,

                              ψ(x)=ϕn+1(x)ψ(v)ϕn+1(v)+i=1nλiϕi(w)=ϕn+1(x)ψ(v)ϕn+1(v)+i=1nλiϕi(x)i=1nλiλϕi(v)~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~\psi(x) = \phi_{n+1}(x) \frac{\psi(v)}{\phi_{n+1}(v)} + \sum_{i = 1}^{n} \lambda_{i} \phi_{i}(w) = \phi_{n+1}(x) \frac{\psi(v)}{\phi_{n+1}(v)} + \sum_{i = 1}^{n} \lambda_{i} \phi_{i}(x) - \sum_{i = 1}^{n} \lambda_{i} \lambda\phi_{i}(v),

et comme λiλϕi(v)=ϕn+1(x)λiϕi(v)ϕn+1(v)\lambda_{i} \lambda \phi_{i}(v) = \phi_{n+1}(x)\frac{\lambda_{i} \phi_{i}(v)}{\phi_{n+1}(v)}, on déduit que

                                                         ψ(x)=ϕn+1(x)(ψ(v)ϕn+1(v)i=1nλiϕi(v)ϕn+1(v))+i=1nλiϕi(x)~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~\psi(x) = \phi_{n+1}(x)\big( \frac{\psi(v)}{\phi_{n+1}(v)}-\sum_{i = 1}^{n} \frac{\lambda_{i}\phi_{i}(v)}{\phi_{n+1}(v)}\big) + \sum_{i = 1}^{n}\lambda_{i} \phi_{i}(x).

Ceci montre le résultat pour l’étape n+1n+1.

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