Algèbre · 1re année
Prérequis. Groupe symétrique , transpositions et signature (fiche « Structures algébriques », § Le groupe symétrique) ; produit, transposée, matrices triangulaires et inversibles (fiche « Calcul matriciel », § Triangulaires, § Transposée, § Inversibles) ; bases, dimension, rang (fiche « Espaces vectoriels », § Familles, § Dimension) ; matrice d'un endomorphisme, matrices de passage, semblables, rang, pivot, matrices par blocs, systèmes linéaires (fiche « Matrices et applications linéaires », § Matrice d'une application, § Passage, § Rang, § Blocs, § Systèmes). Ces résultats ne sont pas redémontrés ici.
Dans toute la fiche, désigne ou , est un entier ; désigne un -espace de dimension finie égale à , rapporté à une base . Pour une famille de , on note la -ième coordonnée de dans , c'est-à-dire .
Une application est une forme -linéaire quand, à vecteurs figés, elle dépend linéairement du vecteur restant : pour tout , est linéaire. Elle est :
Propriétés (pour -linéaire alternée) :
À ne pas confondre : -linéaire n'est pas linéaire. Pour , et en général (ici ).
Théorème (selon les cours). Toute forme -linéaire alternée sur (avec ) vérifie , où est définie au § 2. Certains cours tunisiens commencent par ces formes et définissent comme l'unique forme -linéaire alternée valant en ; d'autres posent directement la formule du § 2 et énoncent ensuite que est -linéaire alternée. Les deux présentations aboutissent aux mêmes règles de calcul.
Définition. Relativement à , le déterminant de est le scalaire La somme compte termes ; chacun est un produit de coefficients pris un dans chaque ligne et un dans chaque colonne.
Petites dimensions (en écrivant les coordonnées en colonnes) :
Propriétés immédiates.
Exemple. Dans la base canonique de , avec , , : .
Changement de base. Pour une seconde base de : , et . Le déterminant d'une famille dépend de la base (à un facteur non nul près).
Théorème. Hypothèses : , base de , (exactement vecteurs). Conclusion : est une base de .
Sens direct : si est une base, . Sens réciproque : une famille liée a un déterminant nul (§ 1). Avec vecteurs en dimension , « base », « libre » et « génératrice » sont équivalents.
Usage typique : « pour quelles valeurs de la famille est-elle une base de ? » On calcule le déterminant en fonction de , on le factorise, et on exclut ses racines. Pour ces racines, on étudie la famille à part (rang, relation de liaison).
Définition et théorème. Pour , le scalaire ne dépend pas de la base : c'est le déterminant de , noté . De plus, pour tout , En pratique : pour n'importe quelle base (§ 5).
Propriétés (, ) :
Exemples à connaître.
Définition. Pour de colonnes , où est la base canonique de (ou de ) : On a et .
Propriétés (, ) :
| Propriété | Remarque |
|---|---|
| ; | piège classique : pas |
| donc même si | |
| ; alors | critère d'inversibilité le plus utilisé |
| tout ce qui est dit des colonnes vaut pour les lignes | |
| et semblables | réciproque fausse : et |
| triangulaire | en particulier pour une diagonale |
| en général | le déterminant n'est pas linéaire |
Conséquences utiles.
Les règles découlent de la -linéarité et du caractère alterné (pour les colonnes), puis de (pour les lignes).
| Opération | Effet sur le déterminant |
|---|---|
| (ou ), | multiplié par |
| multiplié par (on peut « sortir » un facteur commun d'une colonne) | |
| inchangé | |
| colonne nulle, deux colonnes égales ou proportionnelles, colonnes liées | déterminant nul |
Méthode du pivot. On fait apparaître des zéros (sous la diagonale, ou dans une ligne ou une colonne) par des opérations , en comptant les échanges (un signe chacun) et les facteurs sortis, jusqu'à une matrice triangulaire.
Exemple.
Astuces fréquentes.
Mineurs et cofacteurs. Pour () et :
Théorème (développement). Hypothèses : , . Conclusion : pour toute ligne , ; pour toute colonne , .
On développe selon la ligne ou la colonne qui contient le plus de zéros, de préférence après des opérations qui en créent.
Exemple. : la ligne n'a qu'un coefficient non nul, , de signe . Le déterminant vaut (seconde étape : développement selon la ligne ).
Déterminants définis par récurrence. Pour une matrice tridiagonale d'ordre , de diagonale constante , de sur-diagonale et de sous-diagonale , le développement selon la première ligne (puis selon la première colonne du second mineur) donne récurrence linéaire d'ordre que l'on résout par l'équation caractéristique (cours d'Analyse sur les suites). Les valeurs et (ou la convention ) fixent les constantes.
Théorème. Hypothèses : , , , . Conclusion : .
Plus généralement, une matrice triangulaire par blocs (blocs diagonaux carrés) a pour déterminant le produit des déterminants des blocs diagonaux. Preuve possible : , puis développements successifs.
Attention. Pour une matrice par blocs pleine, et, en général, : on se ramène d'abord à une forme triangulaire par blocs (opérations sur des blocs de lignes ou de colonnes).
Pour (), on pose Pour : ; pour : .
Preuve type (à savoir refaire) : on effectue pour (du bas vers le haut, chacune utilisant une ligne pas encore modifiée) ; la première colonne devient et la colonne devient . Le développement selon la première colonne puis la sortie des facteurs donnent : on conclut par récurrence. (Une autre preuve, par un polynôme en la dernière variable, figure dans de nombreuses séries.)
Conséquence. aucun n'est répété (les distincts deux à deux). Application : si les sont distincts, pour tous il existe un unique tel que pour tout (le système sur les coefficients de a pour matrice la transposée de celle de ).
Définition. La comatrice de () est la matrice des cofacteurs : .
Théorème. Hypothèse : , . Conclusion : . Si de plus : .
La relation contient deux informations : sur la diagonale, le développement de selon chaque ligne ; hors de la diagonale, le développement d'un déterminant ayant deux lignes égales, donc nul.
Quand l'utiliser. Pour , et pour quand on veut une formule ou une matrice à paramètre. Au-delà, le pivot de Gauss est plus rapide (et le jury le préfère pour un calcul numérique). En section BG, l'inverse par la comatrice est hors programme : on y attend le pivot (rapport du jury de 2020). En MP, PC et T, la comatrice figure au cours ; elle reste à manier avec mesure.
Un système carré (autant d'équations que d'inconnues, ) est de Cramer lorsque est inversible, c'est-à-dire (définition et résolution par pivot : fiche « Matrices et applications linéaires », § Systèmes).
Théorème (formules de Cramer). Hypothèses : , ; pour , est la matrice obtenue en remplaçant la colonne de par . Conclusion : l'unique solution de est donnée par .
Preuve en une ligne : , donc (les termes contiennent deux colonnes égales).
Exemple. , , : , , , , d'où .
Les formules de Cramer sont précieuses pour un système à paramètre (elles donnent la solution en fonction du paramètre d'un seul coup) et pour des questions théoriques. Pour un système numérique d'ordre , le pivot reste la méthode la plus sûre.
Le déterminant ne résout pas tout : il sert à repérer les valeurs du paramètre pour lesquelles le système est de Cramer.
Calculer son déterminant dans une base (souvent canonique) et montrer qu'il est non nul. Vérifier d'abord que l'on a bien vecteurs.
; pour un endomorphisme, prendre la base la plus simple (souvent la matrice est triangulaire). Pour l'inverse, choisir entre comatrice (, paramètre) et pivot.
Récurrence (développement relation entre , , ), ou opérations qui triangularisent, ou factorisation par un raisonnement polynomial. Toujours vérifier la formule pour .