Fiche récapitulative générée pour impression / export PDF.

Licence 2 · Algèbre L2 — Matrices, déterminants et réduction

Déterminants et inversibilité

Déterminants

1. Définition

Le déterminant de AMnA\in\mathcal{M}_n est un scalaire det(A)R\det(A)\in\mathbb{R} défini de façon unique par :
1. Multilinéarité par rapport aux colonnes (ou lignes)
2. Alternance (échanger deux colonnes change le signe)
3. det(In)=1\det(I_n)=1

Développement selon la première ligne :

det(A)=j=1n(1)1+ja1jdet(A1j)\det(A) = \sum_{j=1}^n (-1)^{1+j}a_{1j}\det(A_{1j})

A1jA_{1j} est la sous-matrice obtenue en supprimant la ligne 11 et la colonne jj.

2. Propriétés fondamentales

- det(AB)=det(A)det(B)\det(AB)=\det(A)\det(B)
- det(AT)=det(A)\det(A^T)=\det(A)
- det(λA)=λndet(A)\det(\lambda A)=\lambda^n\det(A)
- AA inversible det(A)0\Leftrightarrow \det(A)\neq0, et alors det(A1)=1/det(A)\det(A^{-1})=1/\det(A)
- Règle de Sarrus (pour 3×33\times3)

3. Formule pour 2×22\times2 et 3×33\times3

det(abcd)=adbc\det\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}=ad-bc

Pour 3×33\times3 : développer selon une ligne ou une colonne.

4. Cofacteurs et inverse

Le cofacteur Cij=(1)i+jdet(Aij)C_{ij}=(-1)^{i+j}\det(A_{ij}).

Formule d'inversion : A1=1det(A)adj(A)A^{-1}=\frac{1}{\det(A)}\text{adj}(A)adj(A)ij=Cji\text{adj}(A)_{ij}=C_{ji}.

5. Formule de Cramer

Pour AX=BAX=B avec AA inversible : xi=det(Ai)det(A)x_i=\frac{\det(A_i)}{\det(A)}AiA_i est AA avec la ii-ième colonne remplacée par BB.

Exercices de la leçon

Exercice 1

Calculer det(3124)\det\begin{pmatrix}3&1\\2&4\end{pmatrix}.

Corrigé

det=3×41×2=122=10\det=3\times4-1\times2=12-2=10.

Exercice 2

Vrai ou faux : det(AB)=det(A)+det(B)\det(AB)=\det(A)+\det(B).

Corrigé

Faux. La formule correcte est det(AB)=det(A)det(B)\det(AB)=\det(A)\cdot\det(B) (multiplicativité), pas la somme.

Exercice 3

La matrice A=(2412)A=\begin{pmatrix}2&4\\1&2\end{pmatrix} est-elle inversible ?

Corrigé

det(A)=2×24×1=44=0\det(A)=2\times2-4\times1=4-4=0. Le déterminant est nul, donc AA n'est pas inversible.

Exercice 4

Calculer det(100230456)\det\begin{pmatrix}1&0&0\\2&3&0\\4&5&6\end{pmatrix}.

Corrigé

Pour une matrice triangulaire inférieure, le déterminant est le produit des éléments diagonaux : det=1×3×6=18\det=1\times3\times6=18.

Exercice 5

Si det(A)=3\det(A)=3, quel est det(2A)\det(2A) pour AM3A\in\mathcal{M}_3 ?

Corrigé

det(2A)=23det(A)=8×3=24\det(2A)=2^3\det(A)=8\times3=24. En général det(λA)=λndet(A)\det(\lambda A)=\lambda^n\det(A) pour une matrice n×nn\times n.

Exercice 6

Calculer le déterminant de A=(123045006)A=\begin{pmatrix}1&2&3\\0&4&5\\0&0&6\end{pmatrix}.

Corrigé

Matrice triangulaire supérieure : det=1×4×6=24\det=1\times4\times6=24.

Exercice 7

Résoudre {2x+y=5x+3y=4\begin{cases}2x+y=5\\x+3y=4\end{cases} par la règle de Cramer.

Corrigé

Cramer :
A=(2113)A=\begin{pmatrix}2&1\\1&3\end{pmatrix}, det(A)=61=5\det(A)=6-1=5.

A1=(5143)A_1=\begin{pmatrix}5&1\\4&3\end{pmatrix}, det(A1)=154=11\det(A_1)=15-4=11, x=11/5x=11/5.

A2=(2514)A_2=\begin{pmatrix}2&5\\1&4\end{pmatrix}, det(A2)=85=3\det(A_2)=8-5=3, y=3/5y=3/5.

Vérif : 2(11/5)+3/5=25/5=52(11/5)+3/5=25/5=5 ✓, (11/5)+3(3/5)=11/5+9/5=20/5=4(11/5)+3(3/5)=11/5+9/5=20/5=4 ✓.

Exercice 8

Vrai ou faux : det(A+B)=det(A)+det(B)\det(A+B)=\det(A)+\det(B).

Corrigé

Faux. Le déterminant est multilinéaire en les colonnes (ou lignes) séparément, pas en la matrice globale. Contre-exemple : A=I2A=I_2, B=I2B=-I_2, det(A+B)=det(0)=0\det(A+B)=\det(0)=0 mais det(A)+det(B)=1+1=2\det(A)+\det(B)=1+1=2.

Exercice 9

Trouver l'inverse de A=(1234)A=\begin{pmatrix}1&2\\3&4\end{pmatrix} par la formule des cofacteurs.

Corrigé

det(A)=46=2\det(A)=4-6=-2.

Cofacteurs : C11=4C_{11}=4, C12=3C_{12}=-3, C21=2C_{21}=-2, C22=1C_{22}=1.

adj(A)=(C11C21C12C22)=(4231)\text{adj}(A)=\begin{pmatrix}C_{11}&C_{21}\\C_{12}&C_{22}\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}4&-2\\-3&1\end{pmatrix}.

A1=12(4231)=(213/21/2)A^{-1}=\frac{1}{-2}\begin{pmatrix}4&-2\\-3&1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-2&1\\3/2&-1/2\end{pmatrix}.

Exercice 10

Vrai ou faux : det(An)=(detA)n\det(A^n)=(\det A)^n.

Corrigé

Vrai. Par multiplicativité : det(An)=det(AAA)=det(A)n\det(A^n)=\det(A\cdot A\cdots A)=\det(A)^n.

Exercice 11

Calculer det(111abca2b2c2)\det\begin{pmatrix}1&1&1\\a&b&c\\a^2&b^2&c^2\end{pmatrix} (déterminant de Vandermonde 3×33\times3).

Corrigé

Déterminant de Vandermonde :
C2aC1C_2-aC_1, C3aC1C_3-aC_1 : det=100abacaa2b2a2c2a2\det=\begin{vmatrix}1&0&0\\a&b-a&c-a\\a^2&b^2-a^2&c^2-a^2\end{vmatrix}
=(ba)(ca)100a11a2b+ac+a=(b-a)(c-a)\begin{vmatrix}1&0&0\\a&1&1\\a^2&b+a&c+a\end{vmatrix}
=(ba)(ca)[(c+a)(b+a)]=(ba)(ca)(cb)=(b-a)(c-a)[(c+a)-(b+a)]=(b-a)(c-a)(c-b).

Exercice 12

Vrai ou faux : Si toutes les valeurs propres de AA sont non nulles, alors AA est inversible.

Corrigé

Vrai. det(A)=iλi\det(A)=\prod_i \lambda_i (produit des valeurs propres). Si toutes les λi0\lambda_i\neq0, alors det(A)0\det(A)\neq0, donc AA est inversible.

Exercice 13

Montrer que det(AB)=det(A)det(B)\det(AB)=\det(A)\det(B).

Corrigé

Sketch de preuve :

Cas A ou B non inversible : rang(AB)min(rangA,rangB)<n\text{rang}(AB)\leq\min(\text{rang}A,\text{rang}B)<n, donc det(AB)=0\det(AB)=0. Et det(A)det(B)=0\det(A)\det(B)=0 car det(A)=0\det(A)=0 ou det(B)=0\det(B)=0.

Cas A,B inversibles : On montre que ϕ(A)=det(AB)/det(B)\phi(A)=\det(AB)/\det(B) est une application vérifiant les 3 axiomes du déterminant en les colonnes de AA, et ϕ(I)=det(B)/det(B)=1\phi(I)=\det(B)/\det(B)=1. Par unicité du déterminant, ϕ(A)=det(A)\phi(A)=\det(A). \square

Exercice 14

Calculer det(AλI)\det(A-\lambda I) pour A=(2103)A=\begin{pmatrix}2&1\\0&3\end{pmatrix} et trouver les valeurs propres.

Corrigé

det(AλI)=det(2λ103λ)=(2λ)(3λ)\det(A-\lambda I)=\det\begin{pmatrix}2-\lambda&1\\0&3-\lambda\end{pmatrix}=(2-\lambda)(3-\lambda).

Valeurs propres : (2λ)(3λ)=0λ1=2,λ2=3(2-\lambda)(3-\lambda)=0 \Rightarrow \lambda_1=2, \lambda_2=3.

Exercice 15

Vrai ou faux : Si AA est une matrice n×nn\times n nilpotente (Ak=0A^k=0 pour un certain kk), alors det(A)=0\det(A)=0.

Corrigé

Vrai. Ak=0det(Ak)=det(A)k=0det(A)=0A^k=0 \Rightarrow \det(A^k)=\det(A)^k=0 \Rightarrow \det(A)=0. Donc AA est non inversible. Cela est cohérent avec le fait que les matrices nilpotentes ont toutes leurs valeurs propres nulles.

AlphaMath Académie · Déterminants et inversibilité · Algèbre L2 — Matrices, déterminants et réduction