[PDF] Sur les sous-algèbres commutatives de M n (k)

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SOUS-ALGÈBRE COMMUTATIVE DÉFINIE DANS

L"ENSEMBLE DES MATRICES BISYMÉTRIQUES

D"ORDRE n

Richard Riedel

RR 7567/01-2

Version 2 Richard Riedel

2 Sous-algèbre commutative définie dans l"ensemble des matrices bisymétriques d"ordre n 3

Introduction

désigne le corps des réels. désigne le corps des nombres complexes.

/2 est le corps fini constitué des 2 seuls éléments notés 0 et 1. Pour alléger les notations à

venir, nous poserons systématiquement : / 2 = . Mpn,() et Mn() désignent respectivement l"ensemble des matrices à n lignes et p colonnes et l"ensemble des matrices carrées d"ordre ,n à éléments dans . BSn() désigne le sous-espace vectoriel de Mn() renfermant les matrices carrées bisymétriques d"ordre .n L"objectif de cette étude est d"établir l"existence d"un -sous-espace vectoriel de BSn(), dénommé BSCn(), de dimension égale à n et dans lequel le produit matriciel est commutatif. Nous démontrerons ainsi que BSCn() est une -algèbre commutative, la 2ème loi interne étant la multiplication matricielle.

Nous définirons la base canonique de

BSCn().

L"étude mettra en lumière de nombreuses propriétés spécifiques aux matrices de

BSCn().

La conclusion de cette étude démontrera l"existence d"autres sous-espaces vectoriels de

BSn() dont le produit matriciel est commutatif, de dimension inférieure ou égale à .n

Elle fournira aussi la définition de

BSCn() et de BSCn(), et donnera des indications

relatives à la transposition de certaines propriétés de

BSCn() vers BSCn() et BSCn().

Version 2 Richard Riedel

4

Abstract

is the field of the reals. is the field of the complex numbers. /2 is the finite field, consisting of 2 elements denoted by 0 and 1. In order to simplify forthcoming notations, we will systematically write : / 2 = . Mpn,() et Mn() are respectively the set of the n×p matrices (n rows, pcolumns) and the set of the n×n square matrices with elements belonging to . BSn() designates the subspace of M n() consisting of n×n bisymmetrical matrices. The purpose of this paper is to demonstrate the existence of an n-dimensional -vector sub- space of BS n(), called BSCn(), where the product of matrices is commutative. We will consequently prove that BSC n() is a commutative -algebra, the 2nd internal law being the product of matrices.

We will define the canonical basis of BSCn().

This paper will also highlight numerous properties specific to the matrices belonging to BSC n(). The conclusion of this document will prove the existence of other -vector sub-spaces of BS n(), where the product of matrices is commutative, with a dimension less than or equal to .n It will also provide the definition of the BSCn() and BSCn() vector-spaces, as well as indications about the transposition of certain properties of BSC n() to BSCn() and BSC n(). Sous-algèbre commutative définie dans l"ensemble des matrices bisymétriques d"ordre n 5

TABLE DES MATIÈRES

PARTIE 1 : CHAPITRES 1 - 2

INTRODUCTION

ABSTRACT

PRINCIPAUX APPORTS DE LA VERSION 2 7

CHAPITRE 1 9

MATRICES SYMETRIQUES - MATRICES 2-SYMETRIQUES - MATRICES

BISYMETRIQUES 9

1.1. Matrices symétriques 9

1.2. Matrices 2-symétriques 10

1.3. Matrices bisymétriques 13

CHAPITRE 2 25

MATRICES BISYMETRIQUES COMMUTATIVES - ESPACE VECTORIEL BSC n() -

SOUS-ALGEBRE COMMUTATIVE BSC

n() 25

2.1. Introduction 25

2.2. Matrices

2.3. Définition de l"ensemble BSC

n() 31

2.4. Schéma représentant les inclusions : BSC

n() ? BSn() ? M () 65

Version 2 Richard Riedel

6 Sous-algèbre commutative définie dans l"ensemble des matrices bisymétriques d"ordre n 7

PRINCIPAUX APPORTS DE LA VERSION 2

La démarche adoptée pour introduire l"ensemble BSC n(), qui constitue la partie centrale de

cette étude, a été légèrement modifiée dans la présente Version 2, par rapport à la Version 1

d"origine. Cette approche nouvelle a pour objectif de fluidifier l"ensemble de l"exposé. ont été définies d"emblée, avant toute définition de

BSCn().

Dans le Chapitre 3 ont été introduites trois nouvelles définitions de BSCn() et une nouvelle

définition des matrices certaines propriétés caractéristiques des matrices de

BSCn().

Dans le Chapitre 4 apparaît maintenant la démonstration des Théorèmes 4-1 et 4-4. Dans la

Version 1, cette démonstration avait été renvoyée à une publication ultérieure. Enfin, diverses erreurs typographiques (ne modifiant en rien le fond de l"exposé) ont été corrigées.

Par ailleurs, pour une meilleure gestion de taille des fichiers, l"ensemble de cette étude a été

subdivisé en 4 Parties (et non plus en 2 Parties, comme précédemment). Le découpage réalisé

est le suivant : 1

ère Partie : Chapitres 1-2

2

ème Partie : Chapitres 3-4

3

ème Partie : Chapitres 5-6

4

ème Partie : Chapitres 7-Conclusion.

Version 2 Richard Riedel

8 Sous-algèbre commutative définie dans l"ensemble des matrices bisymétriques d"ordre n 9

CHAPITRE 1

Matrices symétriques - Matrices 2-symétriques - Matrices bisymétriques

1.1. Matrices symétriques (Rappels de notions classiques).

Soit A = [jia] une matrice quelconque de Mn().

A =

Définition 1-1.

On appelle matrice transposée de la matriceA, la matrice de Mn()

obtenue à partir de A par symétrie par rapport à sa 1ère diagonale (11a, 22a, ... ,11--nna, nna).

Elle est notée

At.

At s"écrit donc :

At = Définition 1-2. Une matrice carrée A de Mn() est dite symétrique si et seulement si :

At = A.

Définition 1-3. On note Sn() l"ensemble des matrices symétriques d"ordre n à éléments

dans Théorème 1-4. Sn() est un s.e.v. de Mn() de dimension 2 )1(+nn.

Remarque :

Le produit de 2 matrices symétriques d"ordre supérieur à

2≥n peut ne pas être symétrique.

Exemple :

0100
0001 0110.
Théorème 1-5. )BA,(?? (Sn())2 : AB ? Sn() ? AB = BA. Autrement dit : le produit de 2 matrices symétriques est symétrique si et seulement si ce produit est commutatif.

Version 2 Richard Riedel

10

Théorème 1-6. A

? Sn() ∩ GLn() ⇒ 1A- ? Sn() ∩ GLn().

Théorème 1-7. A

? Sn () ∩ GLn() ⇒ At? Sn () ∩ GLn() et 1t)A(- = )(A-1t.

Terminologie et notations

En raison des notions introduites dans la suite de cette étude, nous substituerons désormais à

la terminologie classique la terminologie suivante. Nous dénommerons 1-transposée de la matrice A de M n() la matrice dite transposée en terminologie classique. Nous la noterons classiquement : At.

Nous dirons qu"une matrice A de M

n() est 1-symétrique si elle est symétrique en terminologie classique. (autrement dit si

At= A).

Nous noterons désormais 1-S

n() l"ensemble classiquement noté Sn () des matrices symétriques d"ordre n à éléments dans .

1.2. Matrices 2-symétriques

Soit A = [jia] une matrice quelconque de Mn().

A =

Définition 1-8.

On appelle matrice 2-transposée de la matrice A, la matrice de Mn()

obtenue à partir de A par symétrie par rapport à sa 2ème diagonale (na1, 12-na, ... , 21-na, 1na).

Elle est notée tA.

tA s"écrit donc : tA = aaaaaaaaaaaaaaaannnnnnnnnnnnnnnn Définition 1-9. Une matrice carrée A de Mn() est dite 2-symétrique si et seulement si : tA= A. Définition 1-10. On note 2-Sn() l"ensemble des matrices 2-symétriques d"ordre n à

éléments dans

Sous-algèbre commutative définie dans l"ensemble des matrices bisymétriques d"ordre n 11

Théorème 1-11. 2-S

n() est un sev de Mn() de dimension 2 )1(+nn.

Théorème 1-12.

)BA,(?? (2-Sn())2 : AB ? 2-Sn() ? AB = BA. Autrement dit : le produit de 2 matrices 2-symétriques est 2-symétrique si et seulement si ce produit est commutatif. Théorème 1-13. A? 2-Sn() ∩ GLn() ⇒ 1A- ? 2-Sn() ∩ GLn().

Axes médians d"une matrice de Mn()

Considérons une matrice quelconque de Mn(). Elle possède un axe médian horizontal et un axe médian vertical.

Si n est pair (ν2=n, ?ν*), l"axe médian vertical (resp. horizontal) passe entre les

colonnes (resp. lignes)

ν et 1+ν.

Si n est impair ( 12+=νn, ?ν), l"axe médian vertical (resp. horizontal) passe par le milieu de la colonne (resp. ligne) 1 +ν. Nous dénommerons colonne centrale (resp. ligne centrale) cette colonne (resp. ligne) 1 Les notions de colonne centrale (resp. ligne centrale) n"ont de sens que si n est impair.

Nous dénommerons " centre » d"une matrice le point situé à l"intersection de ses deux axes

médians. Ce " centre » ne coïncide avec un élément de la dite matrice que si n est impair.

Cet élément d" indices ),1,1(

++νν sera alors dénommé élément central de la matrice.

Matrices In et Jn

In désigne la matrice-unité d"ordre n, élément neutre de la multiplication matricielle. I n est à la fois 1-symétrique et 2-symétrique : In= nIt= It n. Soit Jn la matrice dont les seuls éléments non nuls sont ceux de la 2ème diagonale : Jn = n

00.0100.10.....01.0010.00

Jn représente ainsi la matrice symétrique de la matrice In par rapport aux axes médians (vertical ou horizontal) ainsi définis. Énumérons quelques propriétés de J n :

1) On a : J

2 n= In et donc : J1- n= Jn.

2) J

n est à la fois 1-symétrique et 2-symétrique : Jn= nJt= Jt n.

Version 2 Richard Riedel

12

3) Soit A [

A = nnnnaaaa .....1111

On vérifie aisément que :

A . J n =

1111........nnnnaaaa

, J n. A = nnnnaaaa1111........ , J n. A . Jn =

1111........

aaaannnn

En conclusion :

A . J n est la matrice symétrique de A par rapport à son axe médian vertical. J n. A est la matrice symétrique de A par rapport à son axe médian horizontal. J n. A . Jn est la matrice symétrique de A par rapport à son centre.

Théorème 1-14.

tA = Jn . At. Jn = t( Jn . A. Jn).

Remarque :

Les égalités ci-dessus permettent de se passer de la notation tA en lui substituant la notation

J n . At. Jn ou t( Jn . A. Jn). Théorème 1-15. Une matrice carrée A de Mn() est dite 2-symétrique si et seulement si :

At = Jn . A. Jn.

Preuve : Les preuves des Théorèmes 1-14 et 1-15 sont immédiates.

Remarque :

D"une manière générale, tous les résultats applicables aux matrices 1-symétriques

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