Le cours
Résumé en cinq points
- Dans une base d'un espace de dimension , il existe une unique forme -linéaire alternée valant 1 sur cette base, c'est le déterminant, et toute forme -linéaire alternée en est un multiple.
- Déterminant non nul équivaut à famille libre, à base, à endomorphisme bijectif, à matrice inversible.
- Le déterminant est multiplicatif, , mais ne respecte pas l'addition.
- , , et le déterminant de la transposée égale le déterminant, ce dernier point étant admis.
- On calcule par opérations élémentaires jusqu'à une forme triangulaire, ou par développement selon la ligne ou la colonne la plus creuse.
Pourquoi ce chapitre
Le déterminant est un nombre attaché à une famille de vecteurs dans un espace de dimension , à un endomorphisme, ou à une matrice carrée. Il répond à une question unique : la famille est-elle une base, l'application est-elle bijective, la matrice est-elle inversible.
- La réponse est toujours la même : oui si et seulement si le déterminant est non nul.
- C'est un critère scalaire, donc utilisable dans une discussion avec paramètre, ce que le rang ne permet pas aussi commodément.
- Il a un sens géométrique, aire orientée en dimension 2 et volume orienté en dimension 3, qui éclaire toutes ses propriétés.
- En deuxième année, il servira à définir le polynôme caractéristique et à réduire les endomorphismes.
1Déterminant d'une famille de vecteurs dans une base
1.1Formes n-linéaires alternées
Définition 1.1Application -linéaire alternée
Une application de dans est linéaire par rapport à chaque variable, ou -linéaire, si pour chaque indice , en figeant les autres vecteurs, l'application obtenue en faisant varier le -ième est linéaire. Elle est alternée si elle s'annule dès que deux des vecteurs sont égaux.
Propriété 1.2Conséquences de l'alternance
Soit une application -linéaire alternée.
- change de signe quand on échange deux variables : on dit qu'elle est antisymétrique.
- Ajouter à un vecteur une combinaison linéaire des autres ne change pas la valeur de .
Démonstration
Pour l'antisymétrie, on développe sur une famille où deux positions contiennent et on utilise les annulations. Pour la seconde propriété, les termes ajoutés font apparaître deux vecteurs égaux.
La notion générale de forme multilinéaire est hors programme, on se limite à ce cadre.
1.2Théorème fondamental
Théorème 1.3Déterminant dans une base
Hypothèses
- est de dimension ;
- est une base de .
Alors il existe une unique application , linéaire par rapport à chaque variable, alternée, et telle que . On l'appelle déterminant dans la base .
Résultat admis.
Théorème 1.4Forme -linéaire alternée
Hypothèses
- est -linéaire alternée sur ;
- est une base de .
Alors est un multiple de , précisément
C'est le résultat qui sert dans la plupart des démonstrations du chapitre : il ramène toute question à une vérification sur une base.
1.3Expressions en dimension 2 et 3
Propriété 1.5Dimension 2
Si a pour coordonnées et pour coordonnées dans la base , alors
Propriété 1.6Dimension 3
Si les coordonnées des trois vecteurs forment la matrice de colonnes , et , le déterminant vaut
MéthodeRègle de Sarrus
- Recopier les deux premières colonnes à droite de la matrice.
- Faire la somme des trois produits le long des diagonales descendantes.
- Retrancher la somme des trois produits le long des diagonales montantes.
Attention
La règle de Sarrus ne vaut qu'en dimension 3. Il ne faut jamais tenter de l'étendre à l'ordre 4.
Interprétation géométrique :
- dans muni de la base canonique, la valeur absolue du déterminant de deux vecteurs est l'aire du parallélogramme qu'ils construisent, et le signe indique l'orientation ;
- dans , la valeur absolue du déterminant de trois vecteurs est le volume du parallélépipède associé ;
- un déterminant nul signifie que le parallélogramme est aplati, donc que les vecteurs sont liés, ce qui rend le théorème du critère de base très naturel.
1.4Changement de base
Propriété 1.7Changement de base
Si et sont deux bases de , alors
En appliquant cette relation à la famille elle-même, on obtient . Ces deux nombres sont donc non nuls et inverses l'un de l'autre.
1.5Critère de base
Théorème 1.8Critère de base
Hypothèses
- est une famille de vecteurs de ;
- est une base de quelconque.
Alors est une base si et seulement si . Cela vaut pour une base quelconque, donc pour toutes.
Démonstration
Si la famille est liée, un vecteur est combinaison des autres, et par multilinéarité et caractère alterné le déterminant est nul. Si la famille est une base, le changement de base ci-dessus montre que le déterminant est non nul, puisque son produit avec un autre déterminant vaut 1.
Exemple 1.9Famille libre et famille liée
- Les vecteurs et de forment une base, car est non nul.
- Les vecteurs , et sont liés : le déterminant vaut puisque la deuxième colonne est le double de la première.
2Déterminant d'un endomorphisme
2.1Définition
Définition 2.1Déterminant d'un endomorphisme
Soit un endomorphisme de de dimension . L'application qui à associe est -linéaire alternée. Elle est donc un multiple de , et ce multiple ne dépend pas de la base choisie. On l'appelle déterminant de , noté .
Ainsi, pour toute famille de vecteurs,
Cette définition est intrinsèque, elle ne dépend d'aucune base.
Exemple 2.2Cas simples
Le déterminant de l'identité vaut , celui d'une homothétie de rapport vaut .
2.2Composée et automorphismes
Théorème 2.3Déterminant d'une composée
Pour tous endomorphismes et de :
Démonstration
On applique la relation de définition deux fois de suite à une base , en évaluant des images par .
Théorème 2.4Caractérisation des automorphismes
L'endomorphisme est un automorphisme si et seulement si , et dans ce cas
La caractérisation vient du critère de base : est bijectif si et seulement si l'image d'une base est une base. La formule de l'inverse vient de .
3Déterminant d'une matrice carrée
3.1Définition et premières propriétés
Définition 3.1Déterminant d'une matrice
Le déterminant d'une matrice de est le déterminant de la famille de ses colonnes dans la base canonique de . C'est aussi le déterminant de l'endomorphisme canoniquement associé à . On le note .
Le déterminant est -linéaire alterné par rapport aux colonnes. En particulier, multiplier une colonne par multiplie le déterminant par .
Propriété 3.2Déterminant de
Pour toute matrice de et tout scalaire :
Attention
L'exposant est une source classique d'erreurs.
3.2Produit, inverse, transposée
Propriété 3.3Produit et inverse
Pour toutes matrices et de : est inversible si et seulement si , et alors
Attention
Il n'existe aucune formule pour .
Propriété 3.4Transposée
Pour toute matrice carrée, .
La démonstration est hors programme. Conséquence pratique : toutes les propriétés énoncées sur les colonnes valent aussi sur les lignes.
Propriété 3.5Matrices semblables
Deux matrices semblables ont le même déterminant.
Démonstration
.
Le déterminant est un invariant de similitude, ce qui rend cohérente la définition du déterminant d'un endomorphisme via n'importe quelle base.
4Calcul pratique
4.1Effet des opérations élémentaires
Propriété 4.1Opérations élémentaires
- Échanger deux lignes ou deux colonnes change le déterminant en son opposé.
- Multiplier une ligne ou une colonne par multiplie le déterminant par .
- Ajouter à une ligne un multiple d'une autre ligne ne change pas le déterminant, et de même pour les colonnes.
On se ramène par pivot à une matrice triangulaire, en notant soigneusement chaque échange et chaque multiplication.
Attention
Quand on met un facteur en facteur sur une ligne, il sort une seule fois, pas fois. Quand on multiplie toute la matrice par , il sort fois.
4.2Matrices triangulaires
Propriété 4.2Matrice triangulaire
Le déterminant d'une matrice triangulaire, supérieure ou inférieure, est le produit de ses coefficients diagonaux. En particulier le déterminant d'une matrice diagonale est le produit de la diagonale.
On retrouve ainsi la condition d'inversibilité des matrices triangulaires.
4.3Développement selon une ligne ou une colonne
Définition 4.3Cofacteur
On note la matrice obtenue en supprimant la ligne et la colonne de . Le cofacteur associé est
Propriété 4.4Développement
- Selon la -ième colonne : est la somme, pour variant de à , des multipliés par leur cofacteur.
- Selon la -ième ligne : formule analogue en sommant sur .
La démonstration n'est pas exigible. La comatrice est hors programme.
Le signe se retient avec le damier : un signe plus en haut à gauche, puis alternance.
MéthodeChoisir le développement
- Choisir la ligne ou la colonne qui contient le plus de zéros.
- Au besoin, créer d'abord des zéros par opérations élémentaires.
- Développer.
Développer bêtement un déterminant d'ordre 4 donne 24 produits, alors qu'un pivot préalable ramène le calcul à quelques lignes.
Exemple 4.5Développement d'un déterminant d'ordre 3
Soit la matrice de de lignes , , . On développe selon la première colonne : Le signe devant le terme en est plus, puisque . La matrice est donc inversible.
4.4Déterminants classiques d'ordre 2 et 3
Propriété 4.6Ordre 2 et inverse
Pour la matrice d'ordre 2 de lignes et , le déterminant vaut . Si elle est inversible,
À retenir
L'inverse d'une matrice d'ordre 2 s'obtient en échangeant et , en changeant les signes de et , et en divisant par . À connaître par cœur.
Méthodes
MéthodeSavoir si une famille de vecteurs de est une base
- Écrire la matrice de la famille.
- Calculer son déterminant.
- S'il est non nul, c'est une base.
MéthodeDiscuter selon un paramètre
- Calculer le déterminant en fonction du paramètre.
- Le factoriser.
- Lire les valeurs qui l'annulent : ce sont les cas particuliers à traiter séparément, par exemple pour savoir si un système a une solution unique.
MéthodeCalculer un déterminant d'ordre supérieur à 3
- Ne jamais développer tout de suite.
- Chercher des zéros par opérations élémentaires.
- Chercher une structure : lignes dont la somme est constante, colonnes proportionnelles, forme triangulaire par blocs.
MéthodeMontrer qu'un déterminant est nul
- Chercher une relation linéaire entre les lignes ou les colonnes.
MéthodeProuver qu'une matrice est inversible
- Calculer le déterminant, souvent le chemin le plus court, sans calculer l'inverse.
MéthodeVérifier un résultat
- Tester sur un cas particulier simple, l'identité ou une matrice diagonale, où le résultat est évident.
Ce qu'il faut savoir refaire en khôlle
- Énoncer précisément le théorème d'existence et d'unicité du déterminant dans une base, en sachant qu'il est admis.
- Démontrer qu'une famille est liée si et seulement si son déterminant dans une base est nul.
- Démontrer que à partir de la caractérisation des formes -linéaires alternées.
- Justifier que le déterminant d'un endomorphisme ne dépend pas de la base choisie.
- Calculer un déterminant d'ordre 3 de deux façons, par Sarrus et par développement.
- Calculer un déterminant d'ordre 4 en créant des zéros par opérations élémentaires, en justifiant chaque étape.
- Discuter l'inversibilité d'une matrice dépendant d'un paramètre réel.
- Donner sans hésiter , , , et rappeler qu'il n'y a pas de formule pour .
Méthodes et exercices
Les résultats à connaître
- Existence et unicité, pour une base e de E, d'une forme det_e sur Eⁿ, linéaire par rapport à chaque variable, alternée, avec det_e(e) = 1. Admis, démonstration hors programme.
- Toute application f de Eⁿ dans K, linéaire par rapport à chaque variable et alternée, vérifie f = f(e) det_e. Exigible, et la preuve se déduit en deux lignes de l'unicité.
- Une forme n-linéaire alternée est antisymétrique. Elle ne change pas si on ajoute à un vecteur une combinaison linéaire des autres. Exigible avec démonstration.
- Expression de det_e en dimension 2 et 3 en fonction des coordonnées. Interprétation dans R² et R³ comme aire orientée et volume orienté. Exigible.
- Pour deux bases e et e', dete' = dete'(e) det_e. Exigible avec démonstration.
- Une famille de n vecteurs de E est une base si et seulement si son déterminant dans une base e est non nul. Exigible avec démonstration.
- Définition du déterminant d'un endomorphisme, indépendante de la base. Exigible avec démonstration.
- det(v ∘ u) = det v × det u. Exigible avec démonstration.
- u est un automorphisme si et seulement si det u ≠ 0, et alors det(u⁻¹) = 1/det u. Exigible avec démonstration.
- Pour A et B dans Mn(K), det(AB) = det A × det B et det(λA) = λⁿ det A. Exigible.
- A est inversible si et seulement si det A ≠ 0, et alors det(A⁻¹) = 1/det A. Exigible.
- Deux matrices semblables ont le même déterminant. Exigible.
- det de la transposée égale det A. Admis, démonstration hors programme.
- Effet des opérations élémentaires sur les lignes et sur les colonnes. Exigible.
- Développement selon une ligne ou une colonne. Énoncé exigible, démonstration non exigible.
- Le déterminant d'une matrice triangulaire est le produit des coefficients diagonaux. Exigible, par récurrence et développement.
- Hors programme, à signaler si un exercice les utilise : la comatrice, les formules de Cramer, la formule générale avec les permutations, le déterminant par blocs (à redémontrer si on s'en sert).
Clés de démonstration
Multiple de det_e. Si f(e) ≠ 0, la forme f/f(e) est n-linéaire alternée et vaut 1 sur e, donc c'est det_e par unicité. Si f(e) = 0, la forme f + det_e vaut 1 sur e, donc elle égale det_e, et f = 0. Astuce : on se ramène à la normalisation, puis on traite à part le cas où l'on ne peut pas diviser.
Antisymétrie. On écrit que f s'annule quand on place x + y en positions i et j. On développe en quatre termes, dont deux sont nuls car ils contiennent deux vecteurs égaux. Il reste f(…, x, …, y, …) + f(…, y, …, x, …) = 0. Astuce : un vecteur répété annule tout.
Changement de base. L'application dete' est n-linéaire alternée, donc c'est un multiple de det_e, et le coefficient s'obtient en l'évaluant sur e. Astuce : c'est le théorème du multiple appliqué tel quel.
Critère de base. Si la famille est liée, un vecteur est combinaison des autres. On développe par linéarité, et chaque terme contient un vecteur répété, donc le déterminant est nul. Si la famille x est une base, on a det_e(x) × det_x(e) = det_x(x) = 1, donc det_e(x) ≠ 0. Astuce : une famille libre de n vecteurs en dimension n est une base.
Indépendance de det u. L'application (x₁, …, xn) ↦ det_e(u(x₁), …, u(xn)) est n-linéaire alternée, donc égale ce det_e. Pour une autre base e', on multiplie par dete'(e) et on trouve la même constante devant dete'. Astuce : le facteur de changement de base apparaît des deux côtés et se simplifie.
Composée. On évalue det_e(v(u(e₁)), …, v(u(en))). On applique la définition à v avec la famille u(e), puis à u avec la famille e. On obtient det v × det u × det_e(e). Astuce : deux applications successives de la relation de définition.
Automorphismes. u est bijectif si et seulement si u(e) est une base, c'est-à-dire si et seulement si det_e(u(e)) = det u est non nul. Ensuite det u × det u⁻¹ = det(id) = 1. Astuce : critère de base et multiplicativité.
Triangulaire. Pour une matrice triangulaire supérieure, la première colonne vaut (a₁₁, 0, …, 0). On développe selon cette colonne, la sous-matrice restante est encore triangulaire, et on conclut par récurrence sur n. Astuce : pour une matrice triangulaire inférieure, on passe par la transposée.
Exemples et contre-exemples à connaître
- det(2I_n) = 2ⁿ, et non 2. C'est le test le plus simple de la formule det(λA) = λⁿ det A.
- Avec A = diag(1, 0) et B = diag(0, 1), on a det A = det B = 0 mais det(A + B) = 1. Le déterminant n'est pas additif.
- La matrice de rotation d'angle θ a pour déterminant 1. Celle d'une réflexion du plan a pour déterminant −1. Une projection autre que l'identité a pour déterminant 0. C'est la lecture géométrique : conservation, renversement ou écrasement de l'aire.
- La matrice antisymétrique de lignes (0, 1) et (−1, 0) a pour déterminant 1. En ordre impair, toute antisymétrique réelle ou complexe a un déterminant nul (exercice 5). La parité de n compte.
- Une matrice nilpotente a un déterminant nul, puisque det(A)ᵖ = det(Aᵖ) = 0.
- La matrice dont tous les coefficients valent 1 a un déterminant nul dès que n ≥ 2, car deux colonnes sont égales.
- I₂ et la matrice de lignes (1, 1) et (0, 1) ont le même déterminant, 1, sans être semblables : la seule matrice semblable à I₂ est I₂. Le déterminant est un invariant de similitude, mais il ne la caractérise pas.
- L'échange de deux vecteurs de base a pour déterminant −1, et l'homothétie de rapport λ a pour déterminant λⁿ.
- AB et BA ont toujours le même déterminant, même quand AB ≠ BA.
Techniques du chapitre
Lignes de somme constante. On remplace la première colonne par la somme de toutes les colonnes, puis on factorise. Mini-exercice : la matrice de lignes (1, 2, 3), (2, 3, 1), (3, 1, 2). Chaque ligne a pour somme 6. Après C₁ ← C₁ + C₂ + C₃, on factorise 6 et la première colonne devient (1, 1, 1). On fait L₂ − L₁ et L₃ − L₁, il reste 6 × ((1)(−1) − (−2)(−1)) = −18.
Pivot jusqu'à une forme triangulaire. On note chaque opération et son effet. Mini-exercice : la matrice d'ordre 4 de coefficient min(i, j). On fait L₄ − L₃, puis L₃ − L₂, puis L₂ − L₁, dans cet ordre, en partant du bas. On obtient une matrice triangulaire supérieure de diagonale (1, 1, 1, 1), donc un déterminant égal à 1.
Relation de récurrence pour un ordre n. On développe selon la première ligne, puis on redéveloppe le second mineur selon sa première colonne. Mini-exercice : Dn, tridiagonal avec 2 sur la diagonale et −1 juste au-dessus et juste au-dessous. On obtient Dn = 2Dn−1 − Dn−2, avec D₁ = 2 et D₂ = 3. Donc Dn − Dn−1 = 1, et Dn = n + 1.
Repérer une relation linéaire. On cherche une combinaison nulle des colonnes. Mini-exercice : la matrice de lignes (1, 2, 3), (4, 5, 6), (7, 8, 9). On a C₁ − 2C₂ + C₃ = 0, donc le déterminant est nul, sans aucun calcul.
Base adaptée pour un endomorphisme. On choisit une base où la matrice est diagonale ou triangulaire. Mini-exercice : s, symétrie de R³ par rapport à un plan P parallèlement à une droite D. Dans une base formée d'une base de P et d'un vecteur de D, la matrice est diag(1, 1, −1), donc det s = −1.
Multiplicativité comme contrainte. On passe une égalité matricielle au déterminant. Mini-exercice : s'il existe A dans Mn(R) avec A² = −In, alors det(A)² = (−1)ⁿ. Un carré de réel est positif, donc n est pair.
Aire par déterminant. Mini-exercice : le triangle de sommets A(1, 0), B(3, 1), C(2, 4). On calcule det(AB, AC) = 2 × 4 − 1 × 1 = 7, donc l'aire vaut 7/2.
Exercices classiques corrigés
Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.
Exercice 1. Inversibilité avec paramètre
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
Pour m réel, soit Am la matrice de lignes (m, 1, 1), (1, m, 1), (1, 1, m). Pour quelles valeurs de m est-elle inversible ? Donner son rang dans les autres cas.
Technique somme des lignes constante, puis factorisation.
Voir le corrigé
- Chaque ligne a pour somme m + 2. On fait C₁ ← C₁ + C₂ + C₃ et on factorise m + 2. 2. La première colonne devient (1, 1, 1). Les opérations L₂ − L₁ et L₃ − L₁ donnent les lignes (0, m − 1, 0) et (0, 0, m − 1). 3. Donc det Am = (m + 2)(m − 1)². La matrice est inversible si et seulement si m ∉ {1, −2}. 4. Pour m = 1, toutes les colonnes sont égales et non nulles, le rang vaut 1. 5. Pour m = −2, le déterminant extrait de lignes (−2, 1) et (1, −2) vaut 3, qui est non nul. Les deux premières colonnes sont donc libres, et le rang vaut 2.
piège : Développer brutalement, obtenir un polynôme de degré 3, puis peiner à le factoriser.
Exercice 2. Le déterminant « a sur la diagonale, b ailleurs »
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
Calculer le déterminant de la matrice d'ordre n ≥ 2 dont les coefficients diagonaux valent a et les autres valent b.
Technique somme des colonnes, puis soustraction de la première ligne.
Voir le corrigé
- Toutes les lignes ont pour somme a + (n − 1)b. On remplace C₁ par la somme des colonnes, puis on factorise. 2. La première ligne devient (1, b, …, b), et la ligne i devient (1, b, …, a, …, b), avec a en position i. 3. Pour i ≥ 2, l'opération Li ← Li − L₁ donne une ligne nulle sauf a − b en position i. 4. La matrice est triangulaire supérieure, de diagonale (1, a − b, …, a − b). Le déterminant vaut donc (a + (n − 1)b)(a − b)ⁿ⁻¹.
piège : Oublier que le facteur a + (n − 1)b est sorti d'une seule colonne, donc une seule fois.
Exercice 3. Tridiagonal trigonométrique
Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit CCINP
Soit θ dans ]0, π[. On note Dn le déterminant d'ordre n avec 2cos θ sur la diagonale, 1 juste au-dessus et juste au-dessous, et 0 ailleurs. Montrer que Dn = sin((n + 1)θ)/sin θ.
Technique récurrence d'ordre 2 obtenue par double développement.
Voir le corrigé
- On développe selon la première ligne. Le premier terme donne 2cos θ × Dn−1. 2. Le second terme vaut 1 × (−1)³ × M, où M est le mineur obtenu en supprimant la ligne 1 et la colonne 2. La première colonne de M vaut (1, 0, …, 0), donc M = Dn−2. 3. Ainsi, pour n ≥ 3, Dn = 2cos θ Dn−1 − Dn−2, avec D₁ = 2cos θ et D₂ = 4cos²θ − 1. 4. La formule est vraie au rang 1, car sin 2θ = 2 sin θ cos θ. Elle est vraie au rang 2, car sin 3θ = sin θ (4cos²θ − 1). 5. Hérédité double : la formule sin((n + 2)θ) + sin(nθ) = 2 sin((n + 1)θ) cos θ donne exactement la relation de récurrence.
piège : Oublier le signe (−1)1+2 du damier, ce qui donne un + devant Dn−2.
Exercice 4. Vandermonde
Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit CCINP
Pour x₁, …, xn dans K, soit V(x₁, …, xn) le déterminant de la matrice de ligne i égale à (1, xi, x_i², …, x_iⁿ⁻¹). Montrer que V est le produit des (xj − xi) pour i < j. En déduire que, pour a, b, c réels, ((X − a)², (X − b)², (X − c)²) est une base de R₂[X] si et seulement si a, b, c sont distincts.
Technique opérations sur les colonnes de la droite vers la gauche, puis récurrence.
Voir le corrigé
- On effectue Cj ← Cj − x₁Cj−1, pour j allant de n à 2, dans cet ordre, afin que chaque colonne utilisée soit encore intacte. 2. La première ligne devient (1, 0, …, 0). Pour i ≥ 2, la ligne i devient (1, xi − x₁, xi(xi − x₁), …, x_iⁿ⁻²(xi − x₁)). 3. On développe selon la première ligne, puis on factorise xi − x₁ dans chaque ligne. On obtient V(x₁, …, xn) = (x₂ − x₁)⋯(xn − x₁) V(x₂, …, xn). 4. Une récurrence sur n conclut, avec V(x) = 1 à l'ordre 1. 5. Dans la base (1, X, X²), les colonnes des trois polynômes sont (a², −2a, 1), (b², −2b, 1) et (c², −2c, 1). On factorise −2 sur la deuxième ligne, puis on échange les lignes 1 et 3. On obtient 2V(a, b, c), qui est non nul si et seulement si a, b, c sont distincts.
piège : Faire les opérations de gauche à droite, avec des colonnes déjà modifiées.
Exercice 5. Antisymétrique d'ordre impair
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
Soit A dans Mn(K), avec n impair et A transposée égale à −A. Montrer que A n'est pas inversible.
Technique transposée et formule det(λA).
Voir le corrigé
- On a det A = det(A transposée) = det(−A). 2. Par la formule det(λA) = λⁿ det A, det(−A) = (−1)ⁿ det A = −det A, car n est impair. 3. Donc 2 det A = 0, puis det A = 0, puisque K est R ou C. 4. A n'est pas inversible.
piège : Écrire det(−A) = −det A sans invoquer l'imparité de n. L'exemple 4 montre que c'est faux en ordre 2.
Exercice 7. Matrices entières d'inverse entier
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
Soit A dans Mn(R) à coefficients entiers, inversible, et dont l'inverse est à coefficients entiers. Montrer que det A vaut 1 ou −1.
Technique multiplicativité et intégralité.
Voir le corrigé
- Par récurrence sur n, en développant selon la première colonne, le déterminant d'une matrice à coefficients entiers est un entier. 2. On a det A × det A⁻¹ = det In = 1, produit de deux entiers. 3. Les seuls entiers inversibles dans Z sont 1 et −1. 4. La réciproque est vraie aussi, mais elle utilise la comatrice, hors programme.
piège : Affirmer sans justification que le déterminant d'une matrice entière est entier.
Exercice 10. Endomorphisme de polynômes
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
Sur Rn[X], soit u(P) = P + P'. Montrer que u est un automorphisme.
Technique matrice triangulaire dans la base canonique.
Voir le corrigé
- u est linéaire et envoie Rn[X] dans lui-même, car la dérivation baisse le degré. 2. u(Xᵏ) = Xᵏ + kXᵏ⁻¹, donc la matrice dans (1, X, …, Xⁿ) est triangulaire supérieure avec des 1 sur la diagonale. 3. det u = 1 ≠ 0, donc u est bijectif.
piège : Oublier de vérifier que u est bien un endomorphisme, sans quoi son déterminant n'a pas de sens.
Exercice 6. Déterminant de la transposition
Approfondissement · Niveau écrit CCINP ou Mines
Soit u l'endomorphisme de Mn(K) qui à M associe sa transposée. Calculer det u.
Technique base adaptée à une décomposition en somme directe.
Voir le corrigé
- Toute matrice s'écrit de façon unique comme somme d'une symétrique et d'une antisymétrique, M = (M + Mᵀ)/2 + (M − Mᵀ)/2, où Mᵀ désigne la transposée. Ces deux sous-espaces sont donc supplémentaires, de dimensions n(n + 1)/2 et n(n − 1)/2. 2. u vaut l'identité sur le premier sous-espace et moins l'identité sur le second. 3. On concatène une base de chacun. La matrice de u est diagonale, avec n(n − 1)/2 coefficients égaux à −1. 4. Donc det u = (−1) puissance n(n − 1)/2. Vérification pour n = 2 : dans la base (E₁₁, E₁₂, E₂₁, E₂₂), u échange E₁₂ et E₂₁, et on trouve −1.
piège : Confondre det u, déterminant d'un endomorphisme de l'espace Mn(K) qui est de dimension n², avec le déterminant d'une matrice M.
Exercice 8. Positivité de det(A² + In)
Approfondissement · Niveau écrit Centrale
Soit A dans Mn(R). Montrer que det(A² + In) ≥ 0.
Technique factoriser sur C et conjuguer.
Voir le corrigé
- A commute avec In, donc A² + In = (A + iI_n)(A − iI_n) dans Mn(C). 2. On a donc det(A² + In) = det(A + iI_n) × det(A − iI_n). 3. Pour M dans Mn(C), le déterminant de la matrice conjuguée est le conjugué de det M. Cela se montre par récurrence et développement, car le conjugué d'une somme de produits est la somme des produits des conjugués. 4. A est réelle, donc A − iI_n est la conjuguée de A + iI_n. Avec z = det(A + iI_n), on obtient z × z̄ = |z|², qui est positif ou nul.
piège : Écrire det(A² + In) = det(A)² + 1. Il n'y a pas de formule pour le déterminant d'une somme.
Exercice 9. Trace et forme alternée
Approfondissement · Type oral Mines, niveau X pour la dernière question
Soit u dans L(E) et e une base. On pose f(x₁, …, xn) = Σ det_e(x₁, …, u(xi), …, xn), la somme portant sur i de 1 à n. Montrer que f = tr(u) det_e, puis en déduire que la trace ne dépend pas de la base.
Technique vérifier les hypothèses du théorème du multiple, puis évaluer sur e.
Voir le corrigé
- Linéarité en xk. Dans le terme i ≠ k, xk apparaît seul, et det_e est linéaire. Dans le terme i = k, il apparaît via u(xk), composée de deux applications linéaires. 2. Caractère alterné. On suppose xj = xk avec j < k. Les termes d'indice i différent de j et de k contiennent deux vecteurs égaux, ils sont nuls. Les termes i = j et i = k diffèrent par l'échange des positions j et k, donc ils sont opposés par antisymétrie. 3. Donc f = f(e) det_e. 4. On écrit u(ei) = Σk aki ek. Par linéarité, seul le terme k = i survit dans det_e(e₁, …, u(ei), …, en), qui vaut donc aii. On obtient f(e) = tr A. 5. Attention, f est construite avec det_e, elle dépend donc de e, que l'on garde fixée. Soit e' une autre base, où la matrice de u est A'. Le calcul de l'étape 4, fait avec les coordonnées dans e', donne f(e') = tr(A') det_e(e'). Le théorème du multiple, appliqué dans la base e', donne f = tr(A') det_e(e') dete'. Or dete' = dete'(e) det_e et det_e(e') dete'(e) = 1, donc f = tr(A') det_e. En évaluant en e et en comparant avec f(e) = tr A, on obtient tr A' = tr A.
piège : Oublier les deux termes croisés dans la preuve du caractère alterné, ou les croire nuls chacun.
Erreurs fréquentes
- Écrire det(λA) = λ det A, ou sortir un facteur n fois alors qu'il ne concerne qu'une ligne.
- Utiliser une formule inexistante pour det(A + B), ou pour le déterminant d'une matrice non carrée.
- Enchaîner des opérations simultanées dépendantes, comme L₁ ← L₁ − L₂ et L₂ ← L₂ − L₁ en même temps, ou écrire Li ← 2L_i − Lj sans diviser le résultat par 2.
- Appliquer Sarrus en ordre 4, ou oublier le signe du damier dans un développement.
- Conclure d'un déterminant nul que la matrice est nulle ou qu'une colonne est nulle, alors qu'on sait seulement que les colonnes sont liées.
Fiche de cours rédigée à partir du programme officiel de PCSI (2021), deuxième semestre, section « Matrices et déterminants », paragraphe B « Déterminants ». Elle suppose connus la dimension, les applications linéaires et la représentation matricielle. désigne ou , et un -espace vectoriel de dimension .