Déterminants

Exercice 13 ⭐️⭐️⭐️⭐️ Coefficients Polynôme Caractéristique, Trace, Ulm MP 2019

Soit AMn(R)\displaystyle A \in M_n(\R) et notons P(X)=det(XInA)=Xn+c1Xn1+c2Xn2++cn1X+cn.\displaystyle P(X) = \det(XI_n-A) = X^n + c_1 X^{n-1}+c_2 X^{n-2}+ \cdots +c_{n-1}X+c_n.

  1. En notant λ1,,λn\displaystyle \lambda_1,\ldots,\lambda_n les racines de P\displaystyle P, calculer k=1nP(X)Xλk\displaystyle \sum_{k=1}^n \frac{P(X)}{X-\lambda_k} de deux manières différentes.
  2. Montrer que pour tout 1kn\displaystyle 1 \le k \le n,
    ck=(1)kk!det(tr(A)1000tr(A2)tr(A)200tr(A3)tr(A2)tr(A)300tr(Ak1)tr(Ak2)tr(A)k1tr(Ak)tr(Ak1)tr(A2)tr(A)).c_k = \frac{(-1)^k}{k!} det\left(\begin{array}{cccccc} tr(A) & 1 & 0 & 0 & \cdots & 0 \\ tr(A^2) & tr(A) & 2 & 0 & \cdots & 0 \\ tr(A^3) & tr(A^2) & tr(A) & 3 & \ddots & 0 \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \ddots & 0 \\ tr(A^{k-1}) & tr(A^{k-2}) & \cdots & \cdots & tr(A) & k-1 \\ tr(A^k) & tr(A^{k-1}) & \cdots & \cdots & tr(A^2) & tr(A)\end{array}\right).
  • Expression des coefficients d’un polynôme en fonction de ses racines ;
  • Tr(Ak)\displaystyle Tr(A^k) 👉 Expression en fonction des valeurs propres.

1er réflexe : On exprime les coefficients ck\displaystyle c_k du polynôme P(X)\displaystyle P(X) en fonction des racines de ce dernier (c’est-à-dire les valeurs propres de A\displaystyle A). Le lien est donné par les polynômes symétriques élémentaires en les variables λ1,,λn\displaystyle \lambda_1,\ldots,\lambda_n :
cnk=(1)kσk=(1)kσk(λ1,,λn)=(1)k1i1<<iknj=1kλij.c_{n-k} = (-1)^k \sigma_k = (-1)^k \sigma_k(\lambda_1,\ldots,\lambda_n) = (-1)^k \sum_{1\le i_1 < \cdots < i_k \le n} \prod_{j=1}^k \lambda_{i_j}.

2nd réflexe : On exprime également les quantités Tr(Ak)\displaystyle Tr(A^k) en fonction des valeurs propres λ1,,λn\displaystyle \lambda_1,\ldots,\lambda_n. On sait que A\displaystyle A est semblable à une matrice triangulaire dont les coefficients diagonaux valent λ1,,λn\displaystyle \lambda_1,\ldots,\lambda_n, donc Ak\displaystyle A^k est semblable à une matrice triangulaire avec λ1k,,λnk\displaystyle \lambda_1^k,\ldots,\lambda_n^k pour coefficients diagonaux, donc
Tr(Ak)=λ1k++λnk=Sk.Tr(A^k) = \lambda_1^k+\cdots+\lambda_n^k = S_k. Les Sk\displaystyle S_k sont aussi des polynômes symétriques en les λ1,,λn\displaystyle \lambda_1,\ldots,\lambda_n. Les relations entre les σk\displaystyle \sigma_k et les Sk\displaystyle S_k 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\displaystyle \sigma_k uniquement en terme des quantités Sk\displaystyle S_k.

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\displaystyle A à l’aide des traces des n\displaystyle n premières puissances de A\displaystyle A, ce qui en termes de calculs est très économe.

  1. On calcule tout d’abord : i=1nP(X)Xλi=i=1nji(Xλj)=P(X).\sum_{i=1}^n \frac{P(X)}{X-\lambda_i} = \sum_{i=1}^n \prod_{j \neq i} (X-\lambda_j) = P'(X) .

Or P(X)=k=0ncnkXk\displaystyle P(X) = \sum_{k=0}^n c_{n-k} X^k (avec cn=1\displaystyle c_n=1), donc
i=1nP(X)Xλi=k=0nkcnkXk1.\sum_{i=1}^n \frac{P(X)}{X-\lambda_i} = \sum_{k=0}^n k c_{n-k} X^{k-1} .
On obtient une autre formule en se plaçant dans le cadre des séries formelles : i=1nP(X)Xλi=i=1nP(X)Xl=0(λiX)l=l=0P(X)Xl1Sl.\sum_{i=1}^n \frac{P(X)}{X-\lambda_i} = \sum_{i=1}^n \frac{P(X)}{X} \sum_{l=0}^\infty \left(\frac{\lambda_i}{X}\right)^l = \sum_{l=0}^\infty P(X) X^{-l-1} S_l. =p=0nl=0cnpSlXpl1=k=0(pl=kcnpSl)Xk1.= \sum_{p=0}^n \sum_{l=0}^\infty c_{n-p} S_l X^{p-l-1} = \sum_{k=0}^\infty \left(\sum_{p-l = k} c_{n-p} S_l \right) X^{k-1}.
En identifiant terme à terme les coefficients des séries formelles, on obtient les formules de Newton :
1kn , (nk)ck=l=0kcklSl.\forall 1 \leq k \leq n \ , \ (n-k) c_k = \sum_{l=0}^k c_{k-l} S_{l}. On peut encore simplifier l’expression en remarquant que S0=n\displaystyle S_0=n, et donc 1kn , kck=l=1kcklSl.\forall 1 \leq k \leq n \ , \ - k c_k = \sum_{l=1}^k c_{k-l} S_{l}.

  1. Les formules de Newton nous fournissent un système de n\displaystyle n équations en les n\displaystyle n inconnues c1,,cn\displaystyle c_1,\ldots,c_n. On peut écrire matriciellement :
    (100S1100S2S1200SnSn1S1n)(1c1cn)=(100).\left(\begin{array}{ccc} 1 & 0 & \cdots & \cdots & \cdots & 0 \\ S_1 & 1 & 0 & \cdots & \cdots & 0 \\ S_2 & S_1 & 2 & 0 & \cdots & 0 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & \vdots \\ S_n & S_{n-1} & \cdots & \cdots & S_1 & -n \end{array}\right) \left(\begin{array}{c} 1 \\ c_1 \\ \vdots \\ c_n \end{array}\right) = \left(\begin{array}{c} 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{array}\right). Le déterminant de la matrice (que l’on appelle A\displaystyle A) est simple à calculer, puisqu’elle est triangulaire : celui-ci vaut n!\displaystyle n!. La formule de Cramer permet alors d’obtenir une expression des ck\displaystyle c_k en fonction des Si\displaystyle S_i. On a : ck=det(Ak)det(A), 1kn,c_k = \frac{\det(A_k)}{\det(A)},\ 1 \le k \le n,Ak\displaystyle A_k est la matrice obtenue en remplaçant la k+1\displaystyle k+1-ème colonne de A\displaystyle A par le vecteur colonne (100)\displaystyle \left(\begin{array}{c} 1 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{array}\right). On peut calculer le déterminant de Ak\displaystyle A_k en développant par rapport à la k+1\displaystyle 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(Mk0PkDk),\det(A_k) = (-1)^k \det \left( \begin{array}{cc} M_k & 0 \\ P_k & D_k \end{array}\right),Mk\displaystyle M_k est exactement la matrice donnée dans l’énoncé, et Dk\displaystyle D_k est la matrice diagonale
    Dk=(k+1000S1k+200S2S100SnS1n),D_k = \left(\begin{array}{ccccc} k+1 & 0 & 0 & \cdots & 0 \\ S_1 & k+2 & 0 &\cdots & 0 \\ S_2 & S_1 & \ddots & \vdots & 0 \\ \vdots & \vdots & \cdots & \ddots & 0 \\ S_n & \cdots & \cdots & S_1 & n \end{array}\right), qui est de déterminant det(Dk)=n!k!,\displaystyle \det(D_k) = \frac{n!}{k!}, et on conclut facilement.

Exercice 93 ⭐️⭐️ Matrice de rang 1\displaystyle 1, MP/L2

  1. Soit M\displaystyle M une matrice de rang 1\displaystyle 1. Montrer que M2=tr(M)M\displaystyle M^2= tr(M)M et det(In+M)=1+tr(M)\displaystyle {\rm det}(I_n+ M)= 1+tr(M).
  2. Calculer : 1+x1y1x1y2x1ynx2y11+x2y2x2ynxny1xny21+xnyn\displaystyle \begin{vmatrix} 1+x_1y_1 & x_1y_2 & \ldots & x_1y_n \\ x_2y_1 & 1+x_2y_2 & \ldots & x_2y_n \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ x_ny_1 & x_ny_2 & \ldots & 1+x_ny_n \end{vmatrix} .

Matrice M\displaystyle M de rang 1\displaystyle 1 👉 M=CUT\displaystyle M=CU^T.

  1. On écrit M=CUT\displaystyle M=CU^T avec C\displaystyle C une colonne et UT\displaystyle U^T une ligne. Donc M2=CUTCUT=(UTC)CUT=tr(M)M\displaystyle M^2=CU^TCU^T=(U^TC)CU^T={\rm tr}(M) M.
    On peut aussi réduire M\displaystyle M suivant Im et Ker, selon que Im(M)Ker(M)\displaystyle {\rm Im}(M)\subset {\rm Ker}(M) ou pas. Dans le 1er cas on peut obtenir une matrice A=(ai,j)\displaystyle A=(a_{i,j}) avec des zéros partout sauf a2,1=α\displaystyle a_{2,1}=\alpha, et dans le 2e cas on peut obtenir une matrice (ai,j)\displaystyle (a_{i,j}) avec des zéros partout sauf a1,1=α\displaystyle a_{1,1}=\alpha. Dans les deux cas, en faisant I+A\displaystyle I+A on voit que det(Id+M)=det(Id+A)=1+tr(A)=1+tr(M).{\rm det}(Id+ M)={\rm det}(Id+ A)= 1+tr(A)= 1+tr(M).
  2. C’est une application de l’égalité précédente : le déterminant cherché vaut 1+x1y1++xnyn\displaystyle 1+x_1y_1+\cdots+ x_ny_n.

Exercice 94 ⭐️ Déterminant par blocs, MP/L2

Soit A,B,C\displaystyle A, B, C et D\displaystyle D des matrices resp. n×n\displaystyle n\times n , n×m\displaystyle n\times m , m×n\displaystyle m\times n et m×m\displaystyle m\times m , avec D\displaystyle D inversible.
En utilisant (In0D1CIdm)\displaystyle \left( \begin{array}{cc} I_n & 0 \\ -D^{-1}C & Id_m \end{array} \right), montrer que : det(ABCD)=det(D)det(ABD1C)\displaystyle \det \left( \begin{array}{cc} A & B \\ C & D \end{array} \right) = \det(D) \det (A-BD^{-1}C ).

On a (ABCD)(In0D1CIm)=(ABD1CB0D)\displaystyle \left( \begin{array}{cc} A & B \\ C & D \end{array} \right) \left( \begin{array}{cc} I_n & 0 \\ -D^{-1}C & I_m \end{array} \right)= \left( \begin{array}{cc} A -BD^{-1}C& B \\ 0 & D \end{array} \right).
On obtient alors le résultat en prenant le déterminant à gauche et à droite.

Exercice 180 ⭐️⭐️ Mines PSI

Soient A,BMn(R)\displaystyle A,B \in M_n(\R). On pose M=(ABBA)\displaystyle M = \left(\begin{array}{cc} A & -B \\ B & A\end{array}\right). Montrer que det(M)0\displaystyle \det(M) \ge 0.

  • Toujours commencer par des choses simples ! Si n=1\displaystyle n=1 on est bien content car det(M)=a2+b20\displaystyle \det(M)=a^2+b^2\ge0 ;
  • Formules avec des blocs (on a envie de faire pareil qu’avant avec les gros blocs).

On peut se rappeler qu’on a vu passer un jour des calculs de déterminants par blocs avec la formule det(ABCD)=det(D)det(ABD1C)\displaystyle \det \left( \begin{array}{cc} A & B \\ C & D \end{array} \right) = \det(D) \det (A-BD^{-1}C ) (On peut se rappeler de cette formule avec adbc=d(abd1c)\displaystyle ad-bc=d(a-bd^{-1}c)).
Supposons donc que A\displaystyle A est inversible. On a det(ABBA)=det(A)det(A+BA1B)=det(A)2det(I+A1BA1B).\det \left(\begin{array}{cc} A & -B \\ B & A\end{array}\right) = \det(A) \det(A+BA^{-1}B)=\det(A)^2 \det(I+A^{-1}BA^{-1}B). Donc det(M)=det(A)2det(I+C2)\displaystyle \det(M)=\det(A)^2 \det(I+C^2) avec C=A1B\displaystyle C=A^{-1}B. En écrivant I+C2=(I+iC)(IiC)\displaystyle I+C^2=(I+iC)(I-iC) et en remarquant que det(X)=det(X)\displaystyle \det(\overline{X})=\overline{\det(X)}, on en déduit que det(I+C2)0\displaystyle \det(I+C^2)\ge0, d’où det(M)0\displaystyle \det(M) \ge 0.
On conclut pour des matrices A\displaystyle A et B\displaystyle B quelconques en disant que les matrices inversibles sont denses et que det\displaystyle \det est une application continue.

Exercice 181 ⭐️⭐️ Mines PSI

Soient A,BM3(R)\displaystyle A,B \in \mathcal{M}_3(\R) telles que det(A)=det(B)=det(A+B)=det(AB)=0\displaystyle \det(A)=\det(B)=\det(A+B)=\det(A-B)=0.
Montrer que (x,y)R2, det(xA+yB)=0\displaystyle \forall (x,y) \in \R^2, \, \ \det(xA+yB) = 0.

det(xA+yB)\displaystyle det(xA+yB) est un polynôme en x\displaystyle x ou y\displaystyle y !

On pose P(t)=det(A+tB)\displaystyle P(t)=\det(A+tB). On peut revenir à la définition du déterminant : P(t)=σΣ3ε(σ)i=13(ai,σ(i)+tbi,σ(i)),P(t) = \sum_{\sigma \in \Sigma_3} \varepsilon(\sigma) \prod_{i=1}^3 (a_{i,\sigma(i)}+tb_{i,\sigma(i)}), pour voir que P\displaystyle P est une fonction polynomiale de degré au plus 3\displaystyle 3 en t\displaystyle t, et le coefficient devant t3\displaystyle t^3 est σΣ3ε(σ)i=13bi,σ(i)=det(B)\displaystyle \sum_{\sigma \in \Sigma_3} \varepsilon(\sigma) \prod_{i=1}^3 b_{i,\sigma(i)} = \det(B), qui vaut 0\displaystyle 0 par hypothèse. Donc P\displaystyle P est de degré au plus 2\displaystyle 2. Mais P(0)=det(A)=0\displaystyle P(0)=\det(A)=0, P(1)=det(A+B)=0\displaystyle P(1)=\det(A+B)=0 et P(1)=det(AB)=0\displaystyle P(-1)=\det(A-B)=0. On a trouvé strictement plus de deux racines à P\displaystyle P, donc P\displaystyle P est nécessairement le polynôme nul. Pour revenir à l’exercice, on remarque que si x0\displaystyle x\neq0, alors det(xA+yB)=x3P(y/x)=0\displaystyle \det(xA+yB) = x^3 P(y/x)=0, et si x=0\displaystyle x=0, alors det(xA+yB)=y3det(B)=0\displaystyle \det(xA+yB)=y^3 \det(B)=0.

Exercice 182 ⭐️⭐️ Mines PSI

On définit, pour n2\displaystyle n \ge 2 et xR\displaystyle x \in \R : Dn(x)=x1(0)x2/2!x1x1xn/n!x2/2!x.D_n(x) = \left|\begin{array}{ccccc} x & 1 & & (0) & \\ x^2/2! & x & 1 & & \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & \\ \vdots & & & x & 1 \\ x^n/n! & \cdots & \cdots & x^2/2! & x\end{array}\right|. Montrer que Dn\displaystyle D_n est dérivable et calculer Dn\displaystyle D_n'. En déduire la valeur de Dn\displaystyle D_n.

Soit Mn(x)\displaystyle M_n(x) la matrice définissant Dn(x)\displaystyle D_n(x). On note Cj(x)\displaystyle C_{j}(x) la j\displaystyle j-ème colonne de Mn(x)\displaystyle M_n(x). La multilinéarité du déterminant permet d’obtenir la formule suivante : Dn(x)=j=1ndet(C1(x),,Cj1(x),Cj(x),Cj+1(x),,Cn(x)).D_n'(x) = \sum_{j=1}^n \det(C_{1}(x),\ldots,C_{j-1}(x),C_{j}'(x),C_{j+1}(x),\ldots,C_{n}(x)). Dans le j\displaystyle j-ème terme de la somme, la colonne Cj(x)\displaystyle C_{j}(x) est remplacée par sa dérivée. On remarque que, pour 1jn1\displaystyle 1 \le j \le n-1, on a Cj(x)=Cj+1\displaystyle C_{j}'(x)=C_{j+1}. Le j\displaystyle j-ème terme de la somme est donc le déterminant d’une matrice dont les colonnes j\displaystyle j et j+1\displaystyle j+1 sont égales, ce déterminant vaut donc 0\displaystyle 0. De plus Cn(x)=(0,,0,1)T\displaystyle C_{n}'(x) = (0,\ldots,0,1)^T. Ainsi :

Dn(x)=x1(0)x2/2!x1x0xn/n!x2/2!1=Dn1(x).D_n'(x) = \left|\begin{array}{ccccc} x & 1 & & (0) & \\ x^2/2! & x & 1 & & \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & \\ \vdots & & & x & 0 \\ x^n/n! & \cdots & \cdots & x^2/2! & 1\end{array}\right| = D_{n-1}(x).

Pour calculer Dn(x)\displaystyle D_n(x), on remarque tout d’abord que Dn(0)=0\displaystyle D_n(0)=0 car Mn(0)\displaystyle M_n(0) est triangulaire supérieure à coefficients diagonaux nuls. On a donc Dn(x)=0xDn1(t)dt\displaystyle D_n(x) = \int_0^x D_{n-1}(t) dt. On calcule D2(x)=x2/2!\displaystyle D_2(x)=x^2/2!, et on montre ensuite par récurrence sur n2\displaystyle n \ge 2 que Dn(x)=xn/n!\displaystyle D_n(x)=x^n/n!.

Exercice 453 ⭐️⭐️ Déterminant avec coefficients binomiaux, Sup/L1

Soit n0\displaystyle n \ge 0. Calculer det((00)(11)(nn)(10)(21)(n+1n)(42)(n0)(n+11)(2nn)).\det\left(\begin{array}{ccccc} \binom{0}{0} & \binom{1}{1} & \cdots & \cdots & \binom{n}{n}\\ \binom{1}{0} & \binom{2}{1} & \cdots & \cdots & \binom{n+1}{n}\\ \vdots & & \binom{4}{2} & & \vdots\\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & \vdots\\ \binom{n}{0} & \binom{n+1}{1} & \cdots & \cdots & \binom{2n}{n} \end{array} \right).

  • Formule avec un entier n\displaystyle 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…

Notons Mn\displaystyle M_n la matrice de l’énoncé et Dn\displaystyle D_n son déterminant. La matrice carrée est de taille n+1×n+1\displaystyle n+1 \times n+1 et il semble naturel d’indicer ses coefficients par 0i,jn\displaystyle 0 \le i,j \le n : on a Mn=(mi,j)0i,jn\displaystyle M_n = (m_{i,j})_{0 \le i,j \le n} avec mi,j=(i+jj)\displaystyle m_{i,j} = \binom{i+j}{j}.

On utilise le résultat suivant : le déterminant de Mn\displaystyle M_n est le même que celui de la matrice M~n=(m~i,j)0i,jn\displaystyle \widetilde{M}_n = (\widetilde{m}_{i,j})_{0 \le i,j \le n } définie par m~i,j=mi,jmi1,jmi,j1+mi1,j1,\widetilde{m}_{i,j} = m_{i,j}-m_{i-1,j}-m_{i,j-1}+m_{i-1,j-1}, où par convention m1,j=mi,1=0\displaystyle m_{-1,j} = m_{i,-1} = 0. En effet, on remarque que la matrice M~n\displaystyle \widetilde{M}_n est construite à partir de la matrice Mn\displaystyle M_n par les opérations élémentaires LiLiLi1\displaystyle L_i \leftarrow L_i - L_{i-1}, pour 1in\displaystyle 1 \le i \le n, puis par les opérations CiCiCi1\displaystyle C_i \leftarrow C_i-C_{i-1}. Ces opérations laissent le déterminant invariant.

Dans le cas de cet exercice, on a : m~i,j=(i+jj)(i+j1j)(i+j1j1)+((i1)+(j1)j1).\widetilde{m}_{i,j} = \binom{i+j}{j}-\binom{i+j-1}{j}-\binom{i+j-1}{j-1}+\binom{(i-1)+(j-1)}{j-1}. Or la formule du triangle de Pascal permet d’écrire que (i+jj)(i+j1j)(i+j1j1)=0,\binom{i+j}{j}-\binom{i+j-1}{j}-\binom{i+j-1}{j-1}=0, on a donc tout simplement : m~i,j=((i1)+(j1)j1)=mi1,j1.\widetilde{m}_{i,j} = \binom{(i-1)+(j-1)}{j-1}=m_{i-1,j-1}.

Au final, on a prouvé que M~n=(10Mn10).\widetilde{M}_n = \left ( \begin{array}{c|c} 1 & \star & \cdots & \star \\ \hline 0 & \\ \vdots & &M_{n-1} \\ 0 & \end{array} \right).

On a donc Dn=det(M~n)=det(Mn1)=Dn1\displaystyle D_n = \det(\widetilde{M}_n ) = \det(M_{n-1}) = D_{n-1}. Autrement dit : la suite (Dn)n0\displaystyle (D_n)_{n \ge 0} est constante ! Et comme on a M0=(1)\displaystyle M_0 = (1), on conclut que n0 , Dn=D0=1.\forall n \ge 0 \ , \ D_n = D_0 =1.

Exercice 456 ⭐️⭐️ Déterminant binaire, Sup/L1

Soit AMn(R)\displaystyle A \in {\mathcal{M}}_n (\mathbb{R}) vérifiant i,j{1,,n},ai,j{1,1}\displaystyle \forall i,j \in \left\{ {1, \ldots ,n} \right\},a_{i,j} \in \left\{ {1, - 1} \right\}.
Montrer que 2n1\displaystyle 2^{n - 1} divise det(A)\displaystyle \det(A).

Opérations sur les lignes et les colonnes.

Notons C1,,Cn\displaystyle C_1,\dots,C_n les colonnes de A\displaystyle A.
Alors det(A)=det(C1,C2+C1,C3+C1,,Cn+C1)\displaystyle \det(A)=\det(C_1,C_2+C_1,C_3+C_1,\dots,C_n+C_1).
Or les colonnes Ci+C1\displaystyle C_i+C_1,pour i=2,,n\displaystyle i=2,\dots,n, ont des coefficients multiples de 2. La multilinéarité permet donc d’écrire det(A)=2n1det(C1,C2+C12,C3+C12,,Cn+C12)\displaystyle \det(A)=2^{n-1}\det\left(C_1,\frac{C_2+C_1}{2},\frac{C_3+C_1}{2},\dots,\frac{C_n+C_1}{2}\right).
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 nN\displaystyle n \in \mathbb{N}^\star et Sk=i=1ki\displaystyle S_k = \sum\limits_{i = 1}^k i. Calculer Dn=S1S1S1S1S1S2S2S2S1S2S3S3S1S2S3Sn\displaystyle D_n=\left| { \begin{array}{ccccc} {S_1 } & {S_1 } & {S_1 } & \cdots & {S_1 } \\ {S_1 } & {S_2 } & {S_2 } & \cdots & {S_2 } \\ {S_1 } & {S_2 } & {S_3 } & \cdots & {S_3 } \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ {S_1 } & {S_2 } & {S_3 } & \cdots & {S_n } \\ \end{array} } \right|.

Simplifications possibles entre les lignes 👉 Opérations sur les lignes.

En faisant LiLiLi1\displaystyle L_i\leftarrow L_i-L_{i-1} pour i=n,n1,,2\displaystyle i=n,n-1,\dots, 2, on obtient :

Dn=1111022200n1n1000n=n!\displaystyle D_n=\left| { \begin{array}{ccccc} 1 & 1 & 1 & \cdots & 1 \\ 0 & 2 & 2 & \cdots & 2 \\ \vdots & \ddots& \ddots & & \vdots \\ 0 & \cdots & 0 & n-1 & n-1 \\ 0 & 0 & \cdots & 0& n \\ \end{array}} \right| = n!.

Exercice 458 ⭐️ Sup/L1

Soit n3\displaystyle n\geq 3, et a1,,an\displaystyle a_1,\dots,a_n des réels.
Calculer le déterminant de la matrice A=(sin(ai+aj))1i,jn\displaystyle A=\left(\sin(a_i+a_j)\right)_{1\le i,j\le n}

sin(a+b)\displaystyle \sin(a+b) 👉 Formules de trigo.

sin(ai+aj)=cos(ai)sin(aj)+sin(ai)cos(aj)\displaystyle \sin(a_i+a_j)=\cos(a_i)\sin(a_j)+\sin(a_i)\cos(a_j).

Notons alors C=(cos(a1)cos(an))\displaystyle C=\begin{pmatrix}\cos(a_1)\\\vdots\\\cos(a_n)\end{pmatrix} et S=(sin(a1)sin(an))\displaystyle S=\begin{pmatrix}\sin(a_1)\\\vdots\\\sin(a_n)\end{pmatrix}.

La j\displaystyle j-ème colonne de A\displaystyle A est égale à sin(aj) C+cos(aj) S\displaystyle \sin(a_j)~C+\cos(a_j)~S. Ceci entraîne que rg(A)2\displaystyle \mathrm{rg}(A)\le 2, et donc que det(A)=0\displaystyle \det(A)=0 puisque n3\displaystyle n\ge 3.

Exercice 459 ⭐️ Sup/L1

Soit nN\displaystyle n\in\N^*. Calculer An=11111000101001\displaystyle A_n = \left|\begin{array}{ccccc} 1&1&\dots&&1\\ 1&1&0&\dots &0\\ \vdots&0&\ddots&\ddots&\vdots\\ \vdots&\vdots&\ddots&1&0\\ 1&0&\dots&0&1 \end{array}\right|.

On fait l’opération C1C1C2Cn\displaystyle C_1\leftarrow C_1-C_2-\dots-C_n.

Ainsi An=2n11010000100001=2n\displaystyle A_n = -\left| \begin{array}{ccccc} 2-n&1&\dots&&1\\ 0&1&0&\dots &0\\ \vdots&0&\ddots&\ddots&\vdots\\ 0&\vdots&\ddots&1&0\\ 0&0&\dots&0&1 \end{array} \right|= 2-n

Exercice 460 ⭐️ Sup/L1

Soit aR\displaystyle a\in\R et nN\displaystyle n\in\N^*. Calculer à l’aide d’opérations sur les colonnes le déterminant :

Bn=a1111a1111a11a.B_n=\left|\begin{array}{ccccc} a & 1 &1 & \dots & 1 \\ 1 & a & 1 & \dots &1 \\ 1 & 1 &a & &\vdots \\ \vdots & \vdots & & \ddots &\\ 1 & 1 & \cdots & & a \end{array}\right|.

Chercher des combinaisons qui donnent de bonnes simplifications.

En ajoutant C1++Cn1\displaystyle C_1+\dots+C_{n-1} à Cn\displaystyle C_n, par linéarité selon la dernière colonne on obtient :

Bn=(a+n1)a1111a1111a111.B_n=(a+n-1)\left|\begin{array}{ccccc} a & 1 &1 & \dots & 1 \\ 1 & a & 1 & \dots &1 \\ 1 & 1 &a & &\vdots \\ \vdots & \vdots & & \ddots &\\ 1 & 1 & \cdots & & 1 \end{array}\right|.

Ensuite on peut retrancher Cn\displaystyle C_n à Cj\displaystyle C_j pour j[ ⁣[1,n1] ⁣]\displaystyle j\in[\![1,n-1]\!] :

Bn=(a+n1)a10010a10100a1001=(a+n1)(a1)n1.B_n=(a+n-1)\left|\begin{array}{ccccc} a -1 & 0 &0 & \dots & 1 \\ 0 & a-1 & 0 & \dots &1 \\ 0 & 0 &\ddots & &\vdots \\ \vdots & \vdots & & a-1&\vdots\\ 0 & 0 & \cdots & & 1 \end{array}\right|= (a+n-1)(a-1)^{n-1}.

Exercice 461 ⭐️ Sup/L1

Soit n2\displaystyle n\ge 2. Calculer le déterminant :

Dn=012n1101221021n1210.D_n = \left|\begin{array}{ccccc} 0 & 1 & 2 & \dots & n-1\\ 1 & 0 &1 & 2 &\vdots \\ 2 & 1 &0 & \ddots & 2\\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & 1\\ n-1 & \dots & 2 & 1 &0 \end{array}\right|.

Chercher des simplifications par opérations élémentaires.

On fait L2L2L1\displaystyle L_2\leftarrow L_2-L_1, L3L3L2\displaystyle L_3\leftarrow L_3-L_2,…,LnLnLn1\displaystyle L_n\leftarrow L_n-L_{n-1}. On obtient :
Dn=012n11111111111.D_n = \left|\begin{array}{ccccc} 0 & 1 & 2 & \dots & n-1\\ 1 & -1 &\dots & \dots & -1 \\ 1 & 1 &-1 & \ddots & \vdots\\ \vdots & & \ddots & \ddots & \vdots\\ 1 & \dots & 1 & 1 & -1 \end{array}\right|.

En ajoutant Cn\displaystyle C_n aux colonnes Cj\displaystyle C_j pour j[ ⁣[1,n1] ⁣]\displaystyle j\in[\![1,n-1]\!], on obtient alors :

Dn=n1n2n3n102(0)(0)100(0)20001.D_n= \left|\begin{array}{ccccc} n-1 & n & \dots & 2n-3 & n-1\\ 0 & -2 &(0) & (0) & -1 \\ 0 & 0 &\ddots & (0) & \vdots\\ \vdots & & \ddots & -2 & \vdots\\ 0 & \dots & 0 & 0 & -1 \end{array}\right|.
Au final Dn=(1n)(2)n2\displaystyle D_n=(1-n)(-2)^{n-2}.

Exercice 462 ⭐️⭐️ Spé/L2

Soit ϕ\displaystyle \phi l’endomorphisme de Mn(R)\displaystyle \mathcal M_n(\R) défini par ϕ(A)= tA\displaystyle \phi(A)=~ ^t A. Déterminer le déterminant de ϕ\displaystyle \phi.

Difficile d’envisager un calcul brut…
Trouver une base de l’espace vectoriel en question dans lequel l’expression de ϕ\displaystyle \phi est simple.

Soit Sn(R)\displaystyle \mathcal S_n(R), resp. An(R)\displaystyle \mathcal A_n(\R), les sous-espaces vectoriels de Mn(R)\displaystyle \mathcal M_n(\R) formés des matrices symétriques, resp. antisymétriques.
On vérifie facilement que Sn(R)\displaystyle \mathcal S_n(\R) et An(R)\displaystyle \mathcal A_n(\R) sont des supplémentaires dans Mn(R)\displaystyle \mathcal M_n(\R), et que dim(Sn(R))=n(n+1)2\displaystyle \dim(\mathcal S_n(\R))= \frac{n(n+1)}{2}, dim(An(R))=n(n1)2\displaystyle \dim(\mathcal A_n(\R))= \frac{n(n-1)}{2}.
Dans une base de Mn(R)\displaystyle \mathcal M_n(\R) adaptée à Sn(R)An(R)\displaystyle \mathcal S_n(\R)\oplus\mathcal A_n(\R), la matrice de ϕ\displaystyle \phi est diagonale, avec des 1\displaystyle 1 apparaissant n(n+1)2\displaystyle \frac{n(n+1)}{2} fois et des 1\displaystyle -1 apparaissant n(n1)2\displaystyle \frac{n(n-1)}{2} fois.
Par conséquent det(ϕ)=(1)n(n1)/2\displaystyle \det(\phi)=(-1)^{n(n-1)/2}.

Vous l’aurez peut être remarqué, ϕ\displaystyle \phi est en fait la symétrie par rapport à Sn(R)\displaystyle \mathcal S_n(\R), parallèlement à An(R)\displaystyle \mathcal A_n(\R).

Exercice 463 ⭐️⭐️ Variation d’un paramètre, Sup/L1

Soient A,BMn(R)\displaystyle A,B\in \mathcal M_{n}(\R), définies par :
A=(xbbaxbaax),B=(1111).A = \left(\begin{array}{ccccc} x & b & \ldots & \ldots & b \\ a & x & \ddots & & \vdots \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & \vdots \\ \vdots & & \ddots & \ddots & b \\ a & \ldots & \ldots & a & x \end{array} \right),\qquad B = \left(\begin{array}{cccc} 1 & \ldots & \ldots & 1 \\ \vdots & & & \vdots \\ \vdots & & & \vdots \\ \vdots & & & \vdots \\ 1 & \ldots & \ldots & 1 \end{array} \right).
Le but de l’exercice est de calculer Δ(a,b,x)=det(A)\displaystyle \Delta(a,b,x)=\det(A) pour a,b,xR\displaystyle a,b,x\in\R.

  1. Montrer que la fonction P:tdet(A+t B)\displaystyle P: t \mapsto \det (A + t \ B ) est une fonction affine.
  2. Supposons ab\displaystyle a \neq b. Calculer P(t)\displaystyle P(t) puis en déduire det(A)\displaystyle \det (A ).
  3. En déduire Δ(a,a,x)\displaystyle \Delta(a,a,x).
  1. Multilinéarité.
  2. Une fonction affine est déterminée par sa valeur en deux points. Bien les choisir.
  3. Faire tendre ba\displaystyle b\to a.
  1. Par multilinéarité, et comme les colonnes de B\displaystyle B sont identiques, on a det(A+tB)=det(A)+j=1ndet(Mj)\det(A+tB)=\det(A)+\sum_{j=1}^n \det(M_j)
    Mj\displaystyle M_j est la matrice obtenue en remplaçant dans A\displaystyle A la colonne j\displaystyle j par la j\displaystyle j-ème colonne de tB\displaystyle tB.
    Or det(Mj)=t det(Nj)\displaystyle \det(M_j)=t~\det(N_j), où Nj\displaystyle N_j est obtenue en remplaçant dans A\displaystyle A la colonne j\displaystyle j par la colonne (11)\displaystyle \begin{pmatrix}1\\\vdots\\1\end{pmatrix}. On a donc bien det(A+tB)=det(A)+αt\displaystyle \det(A+tB)=\det(A)+\alpha t, avec α=j=1ndet(Nj)\displaystyle \alpha=\sum_{j=1}^n\det(N_j).
  2. Deux valeurs de P\displaystyle P sont évidentes, car elles donnent des déterminants triangulaires : P(a)=(xa)n,P(b)=(xb)n.P(-a)=(x-a)^n,\quad P(-b)=(x-b)^n.
    En notant P(t)=β+αt\displaystyle P(t)=\beta+\alpha t, on a donc :
    {βaα=(xa)n,βbα=(xb)n.{α=(xb)n(xa)nab,β=b(xa)na(xb)nba.\begin{cases} \beta-a\alpha = (x-a)^n,\\ \beta-b\alpha = (x-b)^n. \end{cases}\qquad \begin{cases} \alpha = \frac{(x-b)^n-(x-a)^n}{a-b},\\ \beta = \frac{b(x-a)^n-a(x-b)^n}{b-a}. \end{cases}
    En particulier det(A)=P(0)=β\displaystyle \det (A ) =P(0)=\beta.
  3. Pour a,xR\displaystyle a,x\in\R fixés, l’application bΔ(a,b,x)\displaystyle b\mapsto \Delta(a,b,x) est continue car polynomiale.
    On a donc Δ(a,a,x)=limbaΔ(a,b,x)=limu0Δ(a,a+u,x)\displaystyle \Delta(a,a,x)=\lim_{b\to a}\Delta(a,b,x) = \lim_{u\to 0}\Delta(a,a+u,x). Or
    Δ(a,a+u,x)=(a+u)(xa)na(xau)nu=u0a(xa)n+u(xa)na(xa)n+nau(xa)n1+o(u)u=u0(xa)n+na(xa)n1+o(1)\begin{aligned} \Delta(a,a+u,x) &= \frac{(a+u)(x-a)^n-a(x-a-u)^n}{u} \\ &\underset{u\to 0}= \frac{a(x-a)^n+u(x-a)^n -a(x-a)^n+nau(x-a)^{n-1}+o(u)}{u}\\ &\underset{u\to 0}= (x-a)^n +na(x-a)^{n-1}+o(1) \end{aligned}
    Par conséquent Δ(a,a,x)=(xa)n+na(xa)n1\displaystyle \Delta(a,a,x)=(x-a)^n +na(x-a)^{n-1}.

Exercice 464 ⭐️ Par blocs, Spé/L2

Soit nN\displaystyle n\in\N^{*}, et A,B,CMn(K)\displaystyle A,B,C\in\mathcal M_n(\K). Exprimer
det(OBAC)\det\left( \begin{array}{c|c} O & B \\ \hline A & C \end{array} \right)
en fonction des déterminants de A\displaystyle A, B\displaystyle B et C\displaystyle C.

Ca ressemble à un déterminant par blocs. Comment utiliser la propriété du cours ?

On permute Li\displaystyle L_i avec Li+n\displaystyle L_{i+n} pour i=1,,n\displaystyle i=1,\dots,n. Chaque permutation change le signe du déterminant :
det(OBAC)=(1)ndet(ACOB)=(1)ndet(A)det(B).\det\left( \begin{array}{c|c} O & B \\ \hline A & C \end{array} \right)=(-1)^n \det\left( \begin{array}{c|c} A & C \\ \hline O & B \end{array} \right) =(-1)^n\det(A)\det(B).

Exercice 465 ⭐️ Déterminant tridiagonal, Sup/L1

Pour n1\displaystyle n\ge 1, et θ]0;π[\displaystyle \theta \in ]0;\pi[, calculer le déterminant de taille n\displaystyle n donné par :
Δn=2cosθ10012cosθ10010012cosθ. \Delta_n = \left| \begin{array}{ccccc} 2 \cos \theta & 1 & 0 & \ldots & 0 \\ 1 & 2 \cos \theta & 1 & \ddots & \vdots \\ 0 & \ddots & \ddots & \ddots & 0 \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & 1 \\ 0 & \ldots & 0 & 1 & 2 \cos \theta \end{array} \right|.

Développer par rapport aux lignes/colonnes.

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 :
n3,  Δn=2cos(θ)Δn1Δn2.\forall n\ge 3,~~\Delta_n =2\cos(\theta)\Delta_{n-1}-\Delta_{n-2}.
Remarque. Pour simplifier les calculs dans la suite, on gagne à remarquer que cette relation reste vraie pour n=2\displaystyle n=2 si on pose Δ0=1\displaystyle \Delta_0=1.

Le polynôme P=X22cos(θ)X+1=(Xeiθ)(Xeiθ)\displaystyle P=X^2-2\cos(\theta)X+1=(X-e^{i\theta})(X-e^{-i\theta}) a deux racines eiθ\displaystyle e^{-i\theta} et eiθ\displaystyle e^{-i\theta} (distinctes car θ]0;π[\displaystyle \theta\in]0;\pi[). Il existe donc A,BR\displaystyle A,B\in\R telles que :

nN, Δn=Acos(nθ)+Bsin(nθ).\forall n\in\N,~\Delta_n=A\cos(n\theta)+B\sin(n\theta). On a :
{Δ0=1=AΔ1=2cos(θ)=Acos(θ)+Bsin(θ)d’ouˋ : {A=1B=cos(θ)sin(θ) \begin{cases} \Delta_0=1=A\\ \Delta_1=2\cos(\theta)=A\cos(\theta)+B\sin(\theta) \end{cases} \qquad\qquad\text{d'où : } \begin{cases} A=1\\ B=\frac{\cos(\theta)}{\sin(\theta)} \end{cases}