Soit A∈Mn(R) et notons P(X)=det(XIn−A)=Xn+c1Xn−1+c2Xn−2+⋯+cn−1X+cn.
En notant λ1,…,λn les racines de P, calculer k=1∑nX−λkP(X) de deux manières différentes.
Montrer que pour tout 1≤k≤n, ck=k!(−1)kdet⎝⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎛tr(A)tr(A2)tr(A3)⋮tr(Ak−1)tr(Ak)1tr(A)tr(A2)⋮tr(Ak−2)tr(Ak−1)02tr(A)⋮⋯⋯003⋱⋯⋯⋯⋯⋱⋱tr(A)tr(A2)0000k−1tr(A)⎠⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎞.
Réflexes
Expression des coefficients d’un polynôme en fonction de ses racines ;
Tr(Ak) 👉 Expression en fonction des valeurs propres.
Corrigé
1er réflexe : On exprime les coefficients ck du polynôme P(X) en fonction des racines de ce dernier (c’est-à-dire les valeurs propres de A). Le lien est donné par les polynômes symétriques élémentaires en les variables λ1,…,λn : cn−k=(−1)kσk=(−1)kσk(λ1,…,λn)=(−1)k1≤i1<⋯<ik≤n∑j=1∏kλij.
2nd réflexe : On exprime également les quantités Tr(Ak) en fonction des valeurs propres λ1,…,λn. On sait que A est semblable à une matrice triangulaire dont les coefficients diagonaux valent λ1,…,λn, donc Ak est semblable à une matrice triangulaire avec λ1k,…,λnk pour coefficients diagonaux, donc Tr(Ak)=λ1k+⋯+λnk=Sk. Les Sk sont aussi des polynômes symétriques en les λ1,…,λn. Les relations entre les σk et les Sk sont bien comprises, et souvent résumées sous la forme de l’identité de Newton. On peut imaginer que l’idée du concepteur de l’exercice est la suivante :
La première question permet d’établir l’identité de Newton, par une méthode assez originale.
La deuxième question revient à exprimer les σk uniquement en terme des quantités Sk.
On se rend compte qu’on oublie vite le cadre matriciel posé dans l’exercice, en se ramenant à un exercice sur les polynômes. L’intérêt de ce cadre matriciel réside dans l’interprétation que l’on peut faire du résultat final : la formule prouvée à la deuxième question permet de calculer les coefficients du polynôme caractéristique de A à l’aide des traces des n premières puissances de A, ce qui en termes de calculs est très économe.
On calcule tout d’abord : i=1∑nX−λiP(X)=i=1∑nj=i∏(X−λj)=P′(X).
Or P(X)=k=0∑ncn−kXk (avec cn=1), donc i=1∑nX−λiP(X)=k=0∑nkcn−kXk−1.
On obtient une autre formule en se plaçant dans le cadre des séries formelles : i=1∑nX−λiP(X)=i=1∑nXP(X)l=0∑∞(Xλi)l=l=0∑∞P(X)X−l−1Sl.=p=0∑nl=0∑∞cn−pSlXp−l−1=k=0∑∞⎝⎛p−l=k∑cn−pSl⎠⎞Xk−1.
En identifiant terme à terme les coefficients des séries formelles, on obtient les formules de Newton : ∀1≤k≤n,(n−k)ck=l=0∑kck−lSl. On peut encore simplifier l’expression en remarquant que S0=n, et donc ∀1≤k≤n,−kck=l=1∑kck−lSl.
Les formules de Newton nous fournissent un système de n équations en les n inconnues c1,…,cn. On peut écrire matriciellement : ⎝⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎛1S1S2⋮Sn01S1⋮Sn−1⋯02⋱⋯⋯⋯0⋱⋯⋯⋯⋯⋱S1000⋮−n⎠⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎞⎝⎜⎜⎜⎜⎛1c1⋮cn⎠⎟⎟⎟⎟⎞=⎝⎜⎜⎜⎜⎛10⋮0⎠⎟⎟⎟⎟⎞. Le déterminant de la matrice (que l’on appelle A) est simple à calculer, puisqu’elle est triangulaire : celui-ci vaut n!. La formule de Cramer permet alors d’obtenir une expression des ck en fonction des Si. On a : ck=det(A)det(Ak),1≤k≤n, où Ak est la matrice obtenue en remplaçant la k+1-ème colonne de A par le vecteur colonne ⎝⎜⎜⎜⎜⎛10⋮0⎠⎟⎟⎟⎟⎞. On peut calculer le déterminant de Ak en développant par rapport à la k+1-ème colonne, on obtient que le calcul de ce déterminant se ramène à celui du déterminant de la matrice diagonale par blocs det(Ak)=(−1)kdet(MkPk0Dk), où Mk est exactement la matrice donnée dans l’énoncé, et Dk est la matrice diagonale Dk=⎝⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎛k+1S1S2⋮Sn0k+2S1⋮⋯00⋱⋯⋯⋯⋯⋮⋱S10000n⎠⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎞, qui est de déterminant det(Dk)=k!n!, et on conclut facilement.
Exercice 93 ⭐️⭐️ Matrice de rang 1, MP/L2
Soit M une matrice de rang 1. Montrer que M2=tr(M)M et det(In+M)=1+tr(M).
On écrit M=CUT avec C une colonne et UT une ligne. Donc M2=CUTCUT=(UTC)CUT=tr(M)M.
On peut aussi réduire M suivant Im et Ker, selon que Im(M)⊂Ker(M) ou pas. Dans le 1er cas on peut obtenir une matrice A=(ai,j) avec des zéros partout sauf a2,1=α, et dans le 2e cas on peut obtenir une matrice (ai,j) avec des zéros partout sauf a1,1=α. Dans les deux cas, en faisant I+A on voit que det(Id+M)=det(Id+A)=1+tr(A)=1+tr(M).
C’est une application de l’égalité précédente : le déterminant cherché vaut 1+x1y1+⋯+xnyn.
Exercice 94 ⭐️ Déterminant par blocs, MP/L2
Soit A,B,C et D des matrices resp. n×n , n×m , m×n et m×m , avec D inversible.
En utilisant (In−D−1C0Idm), montrer que : det(ACBD)=det(D)det(A−BD−1C).
Corrigé
On a (ACBD)(In−D−1C0Im)=(A−BD−1C0BD).
On obtient alors le résultat en prenant le déterminant à gauche et à droite.
Exercice 180 ⭐️⭐️ Mines PSI
Soient A,B∈Mn(R). On pose M=(AB−BA). Montrer que det(M)≥0.
Réflexes
Toujours commencer par des choses simples ! Si n=1 on est bien content car det(M)=a2+b2≥0 ;
Formules avec des blocs (on a envie de faire pareil qu’avant avec les gros blocs).
Corrigé
On peut se rappeler qu’on a vu passer un jour des calculs de déterminants par blocs avec la formule det(ACBD)=det(D)det(A−BD−1C) (On peut se rappeler de cette formule avec ad−bc=d(a−bd−1c)).
Supposons donc que A est inversible. On a det(AB−BA)=det(A)det(A+BA−1B)=det(A)2det(I+A−1BA−1B). Donc det(M)=det(A)2det(I+C2) avec C=A−1B. En écrivant I+C2=(I+iC)(I−iC) et en remarquant que det(X)=det(X), on en déduit que det(I+C2)≥0, d’où det(M)≥0.
On conclut pour des matrices A et B quelconques en disant que les matrices inversibles sont denses et que det est une application continue.
Exercice 181 ⭐️⭐️ Mines PSI
Soient A,B∈M3(R) telles que det(A)=det(B)=det(A+B)=det(A−B)=0.
Montrer que ∀(x,y)∈R2,det(xA+yB)=0.
Réflexes
det(xA+yB) est un polynôme en x ou y !
Corrigé
On pose P(t)=det(A+tB). On peut revenir à la définition du déterminant : P(t)=σ∈Σ3∑ε(σ)i=1∏3(ai,σ(i)+tbi,σ(i)), pour voir que P est une fonction polynomiale de degré au plus 3 en t, et le coefficient devant t3 est σ∈Σ3∑ε(σ)i=1∏3bi,σ(i)=det(B), qui vaut 0 par hypothèse. Donc P est de degré au plus 2. Mais P(0)=det(A)=0, P(1)=det(A+B)=0 et P(−1)=det(A−B)=0. On a trouvé strictement plus de deux racines à P, donc P est nécessairement le polynôme nul. Pour revenir à l’exercice, on remarque que si x=0, alors det(xA+yB)=x3P(y/x)=0, et si x=0, alors det(xA+yB)=y3det(B)=0.
Exercice 182 ⭐️⭐️ Mines PSI
On définit, pour n≥2 et x∈R : Dn(x)=∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣xx2/2!⋮⋮xn/n!1x⋱⋯1⋱⋯(0)⋱xx2/2!1x∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣. Montrer que Dn est dérivable et calculer Dn′. En déduire la valeur de Dn.
Corrigé
Soit Mn(x) la matrice définissant Dn(x). On note Cj(x) la j-ème colonne de Mn(x). La multilinéarité du déterminant permet d’obtenir la formule suivante : Dn′(x)=j=1∑ndet(C1(x),…,Cj−1(x),Cj′(x),Cj+1(x),…,Cn(x)). Dans le j-ème terme de la somme, la colonne Cj(x) est remplacée par sa dérivée. On remarque que, pour 1≤j≤n−1, on a Cj′(x)=Cj+1. Le j-ème terme de la somme est donc le déterminant d’une matrice dont les colonnes j et j+1 sont égales, ce déterminant vaut donc 0. De plus Cn′(x)=(0,…,0,1)T. Ainsi :
Pour calculer Dn(x), on remarque tout d’abord que Dn(0)=0 car Mn(0) est triangulaire supérieure à coefficients diagonaux nuls. On a donc Dn(x)=∫0xDn−1(t)dt. On calcule D2(x)=x2/2!, et on montre ensuite par récurrence sur n≥2 que Dn(x)=xn/n!.
Exercice 453 ⭐️⭐️ Déterminant avec coefficients binomiaux, Sup/L1
Soit n≥0. Calculer det⎝⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎛(00)(01)⋮⋮(0n)(11)(12)⋱(1n+1)⋯⋯(24)⋱⋯⋯⋯⋱⋯(nn)(nn+1)⋮⋮(n2n)⎠⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎞.
Réflexes
Formule avec un entier n 👉 on peut toujours essayer les petites valeurs pour formuler une conjecture et ébaucher quelques idées de preuve… ici c’est un très bon réflexe !
Coefficient binomial 👉 on n’oublie pas la formule de récurrence ! On peut quasiment tout faire avec…
Corrigé
Notons Mn la matrice de l’énoncé et Dn son déterminant. La matrice carrée est de taille n+1×n+1 et il semble naturel d’indicer ses coefficients par 0≤i,j≤n : on a Mn=(mi,j)0≤i,j≤n avec mi,j=(ji+j).
On utilise le résultat suivant : le déterminant de Mn est le même que celui de la matrice Mn=(mi,j)0≤i,j≤n définie par mi,j=mi,j−mi−1,j−mi,j−1+mi−1,j−1, où par convention m−1,j=mi,−1=0. En effet, on remarque que la matrice Mn est construite à partir de la matrice Mn par les opérations élémentaires Li←Li−Li−1, pour 1≤i≤n, puis par les opérations Ci←Ci−Ci−1. Ces opérations laissent le déterminant invariant.
Dans le cas de cet exercice, on a : mi,j=(ji+j)−(ji+j−1)−(j−1i+j−1)+(j−1(i−1)+(j−1)). Or la formule du triangle de Pascal permet d’écrire que (ji+j)−(ji+j−1)−(j−1i+j−1)=0, on a donc tout simplement : mi,j=(j−1(i−1)+(j−1))=mi−1,j−1.
Au final, on a prouvé que Mn=⎝⎜⎜⎜⎜⎛10⋮0⋆⋯Mn−1⋆⎠⎟⎟⎟⎟⎞.
On a donc Dn=det(Mn)=det(Mn−1)=Dn−1. Autrement dit : la suite (Dn)n≥0 est constante ! Et comme on a M0=(1), on conclut que ∀n≥0,Dn=D0=1.
Exercice 456 ⭐️⭐️ Déterminant binaire, Sup/L1
Soit A∈Mn(R) vérifiant ∀i,j∈{1,…,n},ai,j∈{1,−1}.
Montrer que 2n−1 divise det(A).
Réflexes
Opérations sur les lignes et les colonnes.
Corrigé
Notons C1,…,Cn les colonnes de A.
Alors det(A)=det(C1,C2+C1,C3+C1,…,Cn+C1).
Or les colonnes Ci+C1,pour i=2,…,n, ont des coefficients multiples de 2. La multilinéarité permet donc d’écrire det(A)=2n−1det(C1,2C2+C1,2C3+C1,…,2Cn+C1).
D’où le résultat : le déterminant obtenu est entier car c’est le déterminant d’une matrice à coefficients entiers.
Exercice 457 ⭐️⭐️ Sup/L1
Soit n∈N⋆ et Sk=i=1∑ki. Calculer Dn=∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣S1S1S1⋮S1S1S2S2⋮S2S1S2S3⋮S3⋯⋯⋯⋱⋯S1S2S3⋮Sn∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣.
Réflexes
Simplifications possibles entre les lignes 👉 Opérations sur les lignes.
Corrigé
En faisant Li←Li−Li−1 pour i=n,n−1,…,2, on obtient :
Chercher des simplifications par opérations élémentaires.
Corrigé
On fait L2←L2−L1, L3←L3−L2,…,Ln←Ln−Ln−1. On obtient : Dn=∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣011⋮11−11…2…−1⋱1……⋱⋱1n−1−1⋮⋮−1∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣.
En ajoutant Cn aux colonnes Cj pour j∈[[1,n−1]], on obtient alors :
Dn=∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣n−100⋮0n−20……(0)⋱⋱02n−3(0)(0)−20n−1−1⋮⋮−1∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣.
Au final Dn=(1−n)(−2)n−2.
Exercice 462 ⭐️⭐️ Spé/L2
Soit ϕ l’endomorphisme de Mn(R) défini par ϕ(A)=tA. Déterminer le déterminant de ϕ.
Réflexes
Difficile d’envisager un calcul brut…
Trouver une base de l’espace vectoriel en question dans lequel l’expression de ϕ est simple.
Corrigé
Soit Sn(R), resp. An(R), les sous-espaces vectoriels de Mn(R) formés des matrices symétriques, resp. antisymétriques.
On vérifie facilement que Sn(R) et An(R) sont des supplémentaires dans Mn(R), et que dim(Sn(R))=2n(n+1), dim(An(R))=2n(n−1).
Dans une base de Mn(R) adaptée à Sn(R)⊕An(R), la matrice de ϕ est diagonale, avec des 1 apparaissant 2n(n+1) fois et des −1 apparaissant 2n(n−1) fois.
Par conséquent det(ϕ)=(−1)n(n−1)/2.
Vous l’aurez peut être remarqué, ϕ est en fait la symétrie par rapport à Sn(R), parallèlement à An(R).
Exercice 463 ⭐️⭐️ Variation d’un paramètre, Sup/L1
Soient A,B∈Mn(R), définies par : A=⎝⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎛xa⋮⋮abx⋱……⋱⋱⋱……⋱⋱ab⋮⋮bx⎠⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎞,B=⎝⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎛1⋮⋮⋮1…………1⋮⋮⋮1⎠⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎞.
Le but de l’exercice est de calculer Δ(a,b,x)=det(A) pour a,b,x∈R.
Montrer que la fonction P:t↦det(A+tB) est une fonction affine.
Supposons a=b. Calculer P(t) puis en déduire det(A).
En déduire Δ(a,a,x).
Réflexes
Multilinéarité.
Une fonction affine est déterminée par sa valeur en deux points. Bien les choisir.
Faire tendre b→a.
Corrigé
Par multilinéarité, et comme les colonnes de B sont identiques, on a det(A+tB)=det(A)+j=1∑ndet(Mj)
où Mj est la matrice obtenue en remplaçant dans A la colonne j par la j-ème colonne de tB.
Or det(Mj)=tdet(Nj), où Nj est obtenue en remplaçant dans A la colonne j par la colonne ⎝⎜⎜⎛1⋮1⎠⎟⎟⎞. On a donc bien det(A+tB)=det(A)+αt, avec α=j=1∑ndet(Nj).
Deux valeurs de P sont évidentes, car elles donnent des déterminants triangulaires : P(−a)=(x−a)n,P(−b)=(x−b)n.
En notant P(t)=β+αt, on a donc : {β−aα=(x−a)n,β−bα=(x−b)n.{α=a−b(x−b)n−(x−a)n,β=b−ab(x−a)n−a(x−b)n.
En particulier det(A)=P(0)=β.
Pour a,x∈R fixés, l’application b↦Δ(a,b,x) est continue car polynomiale.
On a donc Δ(a,a,x)=b→alimΔ(a,b,x)=u→0limΔ(a,a+u,x). Or Δ(a,a+u,x)=u(a+u)(x−a)n−a(x−a−u)nu→0=ua(x−a)n+u(x−a)n−a(x−a)n+nau(x−a)n−1+o(u)u→0=(x−a)n+na(x−a)n−1+o(1)
Par conséquent Δ(a,a,x)=(x−a)n+na(x−a)n−1.
Exercice 464 ⭐️ Par blocs, Spé/L2
Soit n∈N∗, et A,B,C∈Mn(K). Exprimer det(OABC)
en fonction des déterminants de A, B et C.
Réflexes
Ca ressemble à un déterminant par blocs. Comment utiliser la propriété du cours ?
Corrigé
On permute Li avec Li+n pour i=1,…,n. Chaque permutation change le signe du déterminant : det(OABC)=(−1)ndet(AOCB)=(−1)ndet(A)det(B).
Exercice 465 ⭐️ Déterminant tridiagonal, Sup/L1
Pour n≥1, et θ∈]0;π[, calculer le déterminant de taille n donné par : Δn=∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣2cosθ10⋮012cosθ⋱⋱…01⋱⋱0…⋱⋱⋱10⋮012cosθ∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣.
Réflexes
Développer par rapport aux lignes/colonnes.
Corrigé
En développant par rapport à la première ligne, on obtient deux termes. Si on développe ensuite par rapport à la première colonne dans le second terme on obtient : ∀n≥3,Δn=2cos(θ)Δn−1−Δn−2. Remarque. Pour simplifier les calculs dans la suite, on gagne à remarquer que cette relation reste vraie pour n=2 si on pose Δ0=1.
Le polynôme P=X2−2cos(θ)X+1=(X−eiθ)(X−e−iθ) a deux racines e−iθ et e−iθ (distinctes car θ∈]0;π[). Il existe donc A,B∈R telles que :
∀n∈N,Δn=Acos(nθ)+Bsin(nθ). On a : {Δ0=1=AΔ1=2cos(θ)=Acos(θ)+Bsin(θ)d’ouˋ : {A=1B=sin(θ)cos(θ)