Exercice 16 ** Calculer les déterminants suivants : 1 detA où A ∈ M2n(K) est telle que ai,i = a et ai,2n+1−i = b
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Exercice 16 ** Calculer les déterminants suivants : 1 detA où A ∈ M2n(K) est telle que ai,i = a et ai,2n+1−i = b
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où a1, , an, b1, ,bn sont 2n réels tels que toutes les sommes ai +bj soient non nulles Calculer detA (en généralisant l'idée du calcul d'un déterminant de
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Exo7
Déterminants
* très facile ** facile *** difficulté moyenne **** difficile ***** très difficileI : Incontournable
Exercice 1**SoientA=(ai;j)16i;j6nune matrice carrée etB=(bi;j)16i;j6noùbi;j=(1)i+jai;j. Calculer det(B)en fonction
de det(A). 0C oùA,BetCsont des matrices carrées de formats respectifsn,petqavecp+q=n. Montrer que det(A) =det(B)det(C). nulles. CalculerCn=det1a i+bj16i;j6n. Cas particulier :8i2[[1;n]],ai=bi=i(déterminant de HILBERT).
colonne inconnu. 1Soientx1,...,xnnentiers naturels tels quex1< ::: la matrice obtenue par1. On obtient la matriceAqui se déduit donc de la matriceBpar multiplication des lignes ou des colonnes par un nombre pair de1 (puisqu"il y a autant de lignes portant un numéro pair que de colonnes portant un numéro pair). Par suite, det(B) =det(A).Correction del"exer cice2 NSoientC2Mq(K)etD2Mp;q(K). Soitj:(Mp;1(K))p!K Ainsi,jest une formep-linéaire alternée sur l"espaceMp;1(K)qui est de dimensionp. On sait alors qu"il existel2Ktel quej=ldetB0(où detB0désigne la forme déterminant dans la base canonique deMp;1(K)) (en supposant acquise la valeur d"un déterminant triangulaire qui peut s"obtenir en revenant à la définition d"un =det(B)det(C).Correction del"exer cice3 NSoitnun entier naturel non nul. On noteL0,L1,...,Lnles lignes du déterminant Van(x0;:::;xn) A la ligne numérondu déterminant Van(x0;:::;xn), on ajoute une combinaison linéaire des lignes précédentes du typeLn Ln+ån1i=0liLi. La valeur du déterminant n"a pas changé mais sa dernière ligne s"écrit maintenant (P(x0);:::;P(xn))oùPest un polynôme unitaire de degrén. On choisit alors pourP(le choix desliéquivaut au choix deP) le polynômeP=Õn1i=0(Xxi)(qui est bien unitaire de degrén). La dernière ligne s"écrit alors(0;:::;0;P(xn+1))et en développant ce déterminant suivant cette dernière ligne, on obtient la relation de On suppose dorénavant que lesaisont deux à deux distincts de même que lesbj(et toujours que les sommes16i;j6nx
jxijiest un entier naturel. a 0a1:::an2an1
a n1a0...an2............... a 2......a1
a 1a2:::an1a0
=detA. Pour cela, on calculera d"abordAWoùW= (w(j1)(k1))16j;k6navecw=e2ip=n. Montrer quedest dérivable surRet calculerd0.
2. Application : calculer dn(x) =
x+1 1:::1 1 .........1 1:::1x+1
B A de format 2nest un réel positif. alors detA B C D =det(ADBC). Montrer que le résultat persiste siDn"est pas inversible. det(A+M) =detA+detM. Montrer queA=0. B BBBBBB@0::: :::0a0
1......a1
0............
.........0... 0:::0 1an11
C CCCCCCA. Calculer det(AxIn).
2 1. det AoùA2M2n(K)est telle queai;i=aetai;2n+1i=betai;j=0 sinon. 2. 1 0::: :::0 1
0 0 0 0
0 0 0 0
1 0::: :::0 1
3. 1::: :::1
... 0 1:::1 1 ............1 1 1:::1 0
et 0 1::: :::1
1 .........1 1::: :::1 0
(n>2) 4. (I) a b:::b b .........b b:::b a (n>2). Correction del"exer cice1 N1ère solution.
detB=å s2Sne(s)bs(1);1:::bs(n);n=å s2Sne(s)as(1);1:::as(n);n =detA: 2ème solution.On multiplie les lignes numéros 2, 4,... deBpar1 puis les colonnes numéros 2, 4,... de
PourX=Ip, on obtientl=detIpD
0C et donc 8B2Mp(K), detB D
0C =det(B)detIpD 0C De même, l"applicationY7!detIpD
0Y est une formeq-linéaire alternée des lignes deYet donc il existe m2Ktel que8Y2Mq(K), detIpD 0Y =mdet(Y)puisY=Iqfournitm=detIpD 0Iq et donc 8B2Mp(K),8C2Mq(K),8D2Mp;q(K),
detB D 0C =det(B)det(C)detIpD 0Iq =det(B)det(C), 8(B;C;D)2Mp(K)Mq(K)Mp;q(K), detB D
0C 8n2N;Van(x0;:::;xn) =P(xn)Van(x0;:::;xn1) =Õn1i=0(xnxi)Van(x0;:::;xn1).
En tenant compte de Van(x0) =1, on obtient donc par récurrence 8n2N;8(xi)06i6n2Kn;Van(xi)06i6n1=Õ06i
Soitn2N. On noteL1,...,Ln+1les lignes deCn+1.
On effectue surCn+1la transformationLn+1 ån+1i=1liLiavecln+16=0. On obtientCn+1=1l
n+1Dn+1oùDn+1est le déterminant obtenu en remplaçant la dernière ligne deCn+1par la iX+ai. On prendR=(Xb1):::(Xbn)(X+a1):::(X+an+1). • Puisque lesaisont distincts desbj,Rest irréductible. • Puisque lesaisont deux à deux distincts, les pôles deRsont simples. • Puisque deg((Xb1):::(Xbn))
8n2N;Cn+1=1l
n+1R(bn+1)Cn. Calculonsln+1. Puisquean+1est un pôle simple deR, ln+1=limx! an+1(x+an+1)R(x) =(an+1b1):::(an+1bn)(an+1+a1):::(an+1+an)=(an+1+b1):::(an+1+bn)(an+1a1):::(an+1an).
On en déduit que
1l n+1R(bn+1) =(an+1a1):::(an+1an)(an+1+b1):::(an+1+bn)(bn+1b1):::(bn+1bn)(bn+1+a1):::(bn+1+an) puis la relation de récurrence i=n+1 ouj=n+1(ai+bj)Cn.En tenant compte deC1=1a
1+b1, on obtient par récurrence
det 1a i+bj16i;j6n(ai+bj).(y compris dans les cas particuliers analysés en début d"exercice).
Calcul du déterminant de HILBERT. On est dans le cas particulier où8i2[[1;n]],ai=bi=i. D"abordVan(1;:::;n) =Õnj=2
Õj1
i=1(ji)Õnj=2(j1)!=Õn1j=1i!.
5 Puis Õ16i;j6n(i+j) =Õni=1Õnj=1(i+j)=Õni=1(i+n)!i!=et donc8n2N;Hn=(Õni=1i!)4n!2Õ2ni=1i!.Correction del"exer cice5 NLe déterminant du système estD=Van(1;:::;n)6=0. Le système proposé est donc un système de CRAMER.
Les formules de CRAMERdonnent :8j2[[1;n]],xj=DjD
où D j=1:::1 1 1:::1
1j1 0j+1n
1:::(j1)n10(j+1)n1:::nn1
= (1)j+11:::j1j+1:::n
1:::(j1)n1(j+1)n1:::nn1
(en développant suivant laj-ème colonne) = (1)j+11:::(j1)(j+1):::n1:::1 1:::1
1j1j+1n
1:::(j1)n2(j+1)n2:::nn2
(parnlinéarité) = (1)j+1n!jVan(1;:::;(j1);(j+1);:::;n) = (1)j+1n!j
= (1)j+1n!j!(nj)!Van(1;:::;n) = (1)j+1n jVan(1;:::;n):
Finalement,
8j2[[1;n]],xj= (1)j+1n
j.Correction del"exer cice6 NOnnoteC1,...,Cnlescolonnesdudéterminantdel"énoncépuisonposeC=(cos(ai))16i6netS=(sin(ai))16i6n.
Pour toutj2[[1;n]],Cj=sin(aj)C+cos(aj)S. Ainsi, les colonnes de la matrice proposée sont dans Vect(C;S)
qui est un espace de dimension au plus deux et donc, sin>3, det(sin(ai+aj))16i;j6n=0.6Sin=2, on asin(2a1)sin(a1+a2)
sin(a1+a2)sin(2a2)=sin(2a1)sin(2a2)sin2(a1+a2).Correction del"exer cice7 NSoient les vecteurs colonnesA= (ai)16i6netU= (1)16i6n.
8j2[[1;n]],Cj=A+bjU. Les colonnes de la matrice proposée sont dans un espace de dimension au plus deux
et donc, sin>3, det(ai+bj)16i;j6n=0.Sin=2, on aa1+b1a1+b2
a2+b1a2+b2
= (a1+b1)(a2+b2)(a1+b2)(a2+b1) =a1b2+a2b1a1b1a2b2= (a2a1)(b1b2).Correction del"exer cice8 NPour toutj2[[1;n]], C j= ((a+i+j)2)16i6n=j2(1)16i6n+2(a+j)(i)16i6n+(i2)16i6n. Les colonnes de la matrice proposée sont dans un espace de dimension au plus trois et donc, sin>4, det((a+i+j)2)16i;j6n=0.Le calcul est aisé pourn2 f1;2;3g.Correction del"exer cice9 Nx jxijiest déjà un rationnel strictement positif. PosonsPi=1 sii=1, et sii>2,Pi=X(X1):::(X(i2))(i1)!.Puisque, pouri2[[1;n]], deg(Pi) =i1, on sait que la famille(Pi)16i6nest une base deQn1[X]. De plus, pour
i>2,PiXi1(i1)!est de degréi2 et est donc combinaison linéaire deP1,P2,...,Pi2ou encore, pour 26i6n,
la ligne numéroidu déterminant det C i1xj16i;j6nest somme de la ligne
xi1j(i1)!16j6net d"une combinaison
linéaire des lignes qui la précède. En partant de la dernière ligne et en remontant jusqu"à la deuxième, on
retranche la combinaison linéaire correspondante des lignes précedentes sans changer la valeur du déterminant.
On obtient par linéarité par rapport à chaque ligne det C i1xj16i;j6n=1Õ
ni=1(i1)!Van(x1;:::;xn) =Õ16iFinalement,
16i jxiji=det C i1xj 16i;j6n2N.Correction del"exer cice10 NLe coefficient lignej, colonnek,(j;k)2[[1;n]]2, de la matriceAvautakjavec la convention : si(n1)6
u61,au=an+u. Le coefficient lignej, colonnek,(j;k)2[[1;n]]2, de la matriceAWvaut 7 n u=1a ujw(u1)(k1)=njå v=(j1)a vw(v+j1)(k1)=1å v=(j1)a vw(v+j1)(k1)+njå v=0a vw(v+j1)(k1) 1å v=(j1)a v+nw(v+n+j1)(k1)+njå u=0a uw(u+j1)(k1)(carav+n=avetwn=1) n1å u=nj+1a uw(u+j1)(k1)+njå u=0a uw(u+j1)(k1)=n1å u=0a uw(u+j1)(k1) =w(j1)(k1)n1å u=0a uwu(k1): Pourk2[[1;n]], posonsSk=ån1u=0auwu(k1). Le coefficient lignej, colonnekdeAWvaut doncw(j1)(k1)Sk. Par passage au détereminant, on en déduit que : det(AW) =detw(j1)(k1)Sk 16j;k6n= (Õnk=1Sk)det(w(j1)(k1))16j;k6n
(Skest en facteur de la colonnek) ou encore(detA)(detW) = (Õnk=1Sk)(detW). Enfin,West la matrice de VANDERMONDEdes racinesn-èmes de l"unité et est donc inversible puisque celles-ci sont deux à deux
distinctes. Par suite detW6=0 et après simplification on obtient detA=Õnk=1SkoùSk=ån1u=0auwu(k1).Par exemple, a b c c a b b c a =S1S2S3= (a+b+c)(a+jb+j2c)(a+j2b+jc)oùj=e2ip=3. Un calcul bien plus simple sera fourni dans la planche Réduction .Correction del"exer cice11 N1.d=ås2Sne(s)as(1);1:::as(n);nest dérivable surRen tant que combinaison linéaire de produits de
fonctions dérivables surRet de plus d 0=å
s2Sne(s)(as(1);1:::as(n);n)0=å s2Sne(s)nå i=1a s(1);1:::a0s(i);i:::as(n);n=nå i=1å s2Sne(s)as(1);1:::a0s(i);i:::as(n);n nå i=1det(C1;:::;C0i;:::;Cn) (oùC1;:::;Cnsont les colonnes de la matrice): 2.1 ère solution.D"après ce qui précède, la fonctiondnest dérivable surRet pourn>2 etxréel, on a
8 d 0n(x) =nå
i=1 x+1 1:::1 0 1::: :::1 1 .........1... ...x+1 0... ... 1 1 1 ... 0x+1... ... 1......... ..................1 1::: :::1 0 1:::1x+1
(la colonne particulière est la colonnei) nå i=1d n1(x)(en développant lei-ème déterminant par rapport à sai-ème colonne) =ndn1(x): En résumé,8n>2,8x2R,dn(x) =ndn1(x). D"autre part8x2R,d1(x) =x+1 et8n>2,dn(0) =0 (déterminant ayant deux colonnes identiques). Montrons alors par récurrence que8n>1,8x2R,dn(x) =xn+nxn1. • C"est vrai pourn=1. • Soitn>1. Supposons que8n>1,8x2R,dn(x) =xn+nxn1. Alors, pourx2R, d n+1(x) =dn+1(0)+Rxquotesdbs_dbs22.pdfusesText_28
16i;j6n2N.Correction del"exer cice10 NLe coefficient lignej, colonnek,(j;k)2[[1;n]]2, de la matriceAvautakjavec la convention : si(n1)6
u61,au=an+u. Le coefficient lignej, colonnek,(j;k)2[[1;n]]2, de la matriceAWvaut 7 n u=1a ujw(u1)(k1)=njå v=(j1)a vw(v+j1)(k1)=1å v=(j1)a vw(v+j1)(k1)+njå v=0a vw(v+j1)(k1) 1å v=(j1)a v+nw(v+n+j1)(k1)+njå u=0a uw(u+j1)(k1)(carav+n=avetwn=1) n1å u=nj+1a uw(u+j1)(k1)+njå u=0a uw(u+j1)(k1)=n1å u=0a uw(u+j1)(k1) =w(j1)(k1)n1å u=0a uwu(k1): Pourk2[[1;n]], posonsSk=ån1u=0auwu(k1). Le coefficient lignej, colonnekdeAWvaut doncw(j1)(k1)Sk. Par passage au détereminant, on en déduit que : det(AW) =detw(j1)(k1)Sk16j;k6n= (Õnk=1Sk)det(w(j1)(k1))16j;k6n
(Skest en facteur de la colonnek) ou encore(detA)(detW) = (Õnk=1Sk)(detW). Enfin,West la matricede VANDERMONDEdes racinesn-èmes de l"unité et est donc inversible puisque celles-ci sont deux à deux
distinctes. Par suite detW6=0 et après simplification on obtient detA=Õnk=1SkoùSk=ån1u=0auwu(k1).Par exemple, a b c c a b b c a =S1S2S3= (a+b+c)(a+jb+j2c)(a+j2b+jc)oùj=e2ip=3.Un calcul bien plus simple sera fourni dans la planche Réduction .Correction del"exer cice11 N1.d=ås2Sne(s)as(1);1:::as(n);nest dérivable surRen tant que combinaison linéaire de produits de
fonctions dérivables surRet de plus d