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Prépa, 2e année › Réduction des endomorphismes › Somme directe des sous-espaces propres

Somme directe des sous-espaces propres : énoncé (MP)

Théorème

Somme directe des sous-espaces propres

Soit $\lambda_1,\dots,\lambda_p$ des valeurs propres de $u$ deux à deux distinctes. Alors la somme $E_{\lambda_1}(u)+\cdots+E_{\lambda_p}(u)$ est directe. Par conséquent, toute famille $(x_1,\dots,x_p)$ où $x_i$ est un vecteur propre associé à $\lambda_i$ est libre, et en dimension $n$, $u$ admet au plus $n$ valeurs propres.

Démonstration : Somme directe des sous-espaces propres
Démonstration

Preuve

Les polynômes $X-\lambda_1,\dots,X-\lambda_p$ sont deux à deux premiers entre eux, car les $\lambda_i$ sont distincts. Le lemme des noyaux appliqué à $P=\prod_{i=1}^p(X-\lambda_i)$ donne $$\mathrm{Ker}\,P(u)=\bigoplus_{i=1}^p\mathrm{Ker}(u-\lambda_i\mathrm{Id}_E)=\bigoplus_{i=1}^pE_{\lambda_i}(u),$$ donc la somme des $E_{\lambda_i}(u)$ est directe.

Si $\sum_{i=1}^pa_ix_i=0$, chaque $a_ix_i$ appartient à $E_{\lambda_i}(u)$ ; la somme étant directe, $a_ix_i=0$ pour tout $i$, et comme $x_i\neq 0$, $a_i=0$. Enfin, une famille libre de $E$ a au plus $n$ éléments.

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Dans le cours

Réduction des endomorphismes : Somme directe des sous-espaces propres