mathématiques MPSI · Chapitre 12 · Exercice de TD
La famille des exponentielles est libre
Espaces vectoriels et applications linéaires · B. Familles libres, génératrices, bases · niveau 2
Énoncé
Soient des réels. Montrer que la famille est libre dans .
Corrigé
La stratégie. Une relation de dépendance entre fonctions est une identité valable pour tout : on la fait travailler en , où l'exponentielle de plus grand coefficient écrase toutes les autres. Une récurrence sur élimine les coefficients un par un.
Le lemme d'analyse. Si , alors quand , puisque . C'est le seul outil d'analyse utilisé.
La récurrence. Montrons par récurrence sur : pour tous réels , la famille est libre.
Initialisation. Si pour tout , alors en : .
Hérédité. Supposons la propriété au rang , et soit une relation Divisons par , qui ne s'annule jamais — la relation reste vraie pour tout : Faisons tendre vers : comme pour , chacun des premiers termes tend vers par le lemme. Il reste . La relation initiale devient , et l'hypothèse de récurrence, appliquée à , donne . La famille est libre.
Le point délicat. C'est l'ordre strict qui garantit un plus grand exposant, et un seul : c'est lui qu'on isole. Si deux étaient égaux, deux fonctions seraient identiques et la famille serait liée. Et la division par est licite partout, ce qui est rare, et permet de garder une identité sur tout avant de passer à la limite.
Contrôle numérique sur . En évaluant en , on obtient la matrice de lignes , , : une matrice de Vandermonde en , dont le déterminant est non nul — précisément parce que sont deux à deux distincts, traduction de l'ordre strict des .
Ce que l'exercice installe. contient des familles libres de taille arbitraire : il n'est pas de dimension finie. Et le procédé — diviser par le terme dominant, passer à la limite, itérer — resservira pour les familles , et c'est déjà lui qui sépare les solutions et d'une équation différentielle linéaire d'ordre .
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