Ce qu'il faut savoir sur les déterminants

On désigne par nn et pp deux nombres entiers naturels non nuls.
On désigne par K\mathbb{K} l'ensemble C\mathbb{C} ou R\mathbb{R}.
On désigne par EE un espace vectoriel de dimension nn de base B={e1,...,en}\mathcal{B} = \{e_1 , ... , e_n \}.
IDeˊfinitionsetproprieˊteˊsdesdeˊterminants{\color{red}{\bf{I \,\, - \,\, Définitions \,\, et \,\, propriétés \,\, des \,\, déterminants }}}
1Formesplineˊairealterneˊe{\color{blue}{\bf{1 \,\, - \,\, Formes \,\, {\it{p-}}linéaire \,\, alternée }}}
Deˊfinitions{\color{green}{\bf{Définitions}}}
Une forme pp-linéaire est une application de EpE^p dans K\mathbb{K} telle que pour tout ii de {1,...,p}\{1 , ... , p\} et tout (ak)1kp(a_k)_{1 \leqslant k \leqslant p} de EpE^p l'application
EKxf(a1,...,ai1,x,ai+1,...,ap)\begin{array}{rcl} E & \longrightarrow & K \\ x & \longmapsto & f(a_1 , ... , a_{i-1} , x , a_{i+1} , ... , a_p) \end{array}
soit une forme linéaire.
Une forme pp-linéaire ff est alternée si et seulement si elle est nulle pour tout élément de EpE^p ayant deux composantes égales.
Theˊoreˋme:\bullet \,\, Théorème \, : L'ensemble des formes nn-linéaires alternées sur EE forme un espace vectoriel de dimension 11.
2Deˊfinitiondesdeˊterminants{\color{blue}{\bf{2 \,\, - \,\, Définition \,\, des \,\, déterminants }}}
\looparrowright \,\, Déterminant de nn éléments, notés x1,...,xnx_1 , ... , x_n, de EE :
Le déterminant detB(x1,...,xn)\det_\mathcal{B}(x_1 , ... , x_n) est l'image de (x1,...,xn)(x_1 , ... , x_n) par l'unique forme nn-linéaire alternée, detB\det_\mathcal{B}, de EnE^n dans K\mathbb{K} telle que detB(e1,...,en)=1\det_\mathcal{B}(e_1 , ... , e_n) = 1
\looparrowright \,\, Déterminant d'une matrice AMn(K)A \in \mathcal{M}_n(\mathbb{K}) que nous noterons detA\det A :
Le terme detA\det A est le déterminant dans la base canonique des vecteurs colonnes de AA.
Si i{1,...,n}\forall i \in \{1, ... , n\}, xi=j=1nai,jejx_i = \sum_{j=1}^{n} a_{i,j} \, e_j alors on a les notations suivantes detB(x1,...,xn)=det(x1,...,xn)=det(ai,j)=ai,j\det_\mathcal{B}(x_1 , ... , x_n) = \det(x_1 , ... , x_n) = \det(a_{i,j}) = |\, a_{i,j} \,|.
On dit que nn est l'ordre du déterminant.
Si ff est une transformation élémentaire de AA alors f(detA)=detf(A)f\left( \det A \right) = \det f(A).
3Proprieˊteˊs{\color{blue}{\bf{3 \,\, - \,\, Propriétés }}}
On désigne par SnS_n le nn-ième groupe symétrique et par ϵ(σ)\epsilon(\sigma) une signaturesignature de la permutation σ\sigma. Dans ce cas on a le théorème suivant :
Theˊoreˋme:det(ai,j)=σSnϵ(σ)×a1,σ(1)×...×an,σ(n)=σSnϵ(σ)×aσ(1),1×...×aσ(n),n\bullet \,\, Théorème \, : \,\, \det(a_{i,j}) = \sum_{\sigma \in S_n} \epsilon(\sigma) \times a_{1,\sigma(1)} \times ... \times a_{n,\sigma(n)} = \sum_{\sigma \in S_n} \epsilon(\sigma) \times a_{\sigma(1),1} \times ... \times a_{\sigma(n),n}
Puis on a :
Theˊoreˋme:\bullet \,\, Théorème \, : Soit A=(ai,j)Mn(K)A = (a_{i,j}) \in \mathcal{M}_n(\mathbb{K}). On a :
- si une colonne de AA est entièrement nulle alors detA=0\det A = 0
- si une ligne de AA est entièrement nulle alors detA=0\det A = 0
- si deux colonnes de AA sont égales alors detA=0\det A = 0
- si deux lignes de AA sont égales alors detA=0\det A = 0
- si on échange deux colonnes de AA alors detA\det A est multiplié par 1-1 ;
- si on échange deux lignes de AA alors detA\det A est multiplié par 1-1 ;
- si ajoute à une colonne de AA une combinaison linéaire des autres colonnes alors detA\det A est inchangé ;
- si ajoute à une ligne de AA une combinaison linéaire des autres lignes alors detA\det A est inchangé ;
- le detA\det A est linéaire par rapport à chaque colonne de la matrice AA ;
- le detA\det A est linéaire par rapport à chaque ligne de la matrice AA.
Theˊoreˋme:\bullet \,\, Théorème \, : Soit AA et BB deux matrices de l'ensemble Mn(K)\mathcal{M}_n(\mathbb{K}). On désigne par α\alpha un élément de K\mathbb{K}. On a :
- detIn=1\det I_n = 1 ;
- le déterminant d'une matrice triangulaire est égal au produits des éléments présents sur aa diagonale principale ;
- le det(AB)=detA×detB=det(BA)\det (AB) = \det A \times \det B = \det(BA)
- det(αA)=αn×detA\det (\alpha A) = \alpha^n \times \det A
- det(tA)=detA\det (^tA) = \det A
- dire que detA0\det A \neq 0 est équivalent aux propositions suivantes :
\,\,\,\,\, \hookrightarrow \,\, la matrice AA est inversible dans Mn(K)\mathcal{M}_n(\mathbb{K}) ;
\,\,\,\,\, \hookrightarrow \,\, les vecteurs colonnes de la matrice AA sont linéairement indépendants ;
\,\,\,\,\, \hookrightarrow \,\, les vecteurs lignes de la matrice AA sont linéairement indépendants ;
\,\,\,\,\, \hookrightarrow \,\, det(A1)=1detA\det (A^{-1}) = \dfrac{1}{\det A}
\,\,\,\,\, \hookrightarrow \,\, det(A1BA)=detB\det (A^{-1}BA) = \det B
- si uu est un endomorphisme de EE alors detu\det u est le déterminant d'une matrice de uu par rapport à une base de EE. Si UMn(K)U \in \mathcal{M}_n(\mathbb{K}) est la matrice représentative de uu, dans la base B\mathcal{B}, alors detu=detU\det u = \det U.
IIDeˊveloppementdundeˊterminantInversedunematrice{\color{red}{\bf{II \,\, - \,\, Développement \,\, d'un \,\, déterminant - Inverse \,\, d'une \,\, matrice}}}
1Deˊfinitions{\color{blue}{\bf{1 \,\, - \,\, Définitions }}}
On désigne par ii et jj deux nombres entiers naturels compris entre 11 et nn.
- Le mineur de l'élément ai,ja_{i,j} de la matrice AA est le déterminant de la matrice AijA_{ij} obtenue à partir de la matrice AA en supprimant la ligne ii et la colonne jj ;
- Le cofacteur de l'élément ai,ja_{i,j} est cij=(1)i+jdetAijc_{ij} = (-1)^{i+j}\det A_{ij} ;
- La comatrice de AA est notée com(A)\mathrm{com}(A) est la matrice des cofacteurs.
Theˊoreˋme:\bullet \,\, Théorème \, : On a :
- detA=i=1n(1)i+jai,jdetAij=j=1n(1)i+jai,jdetAij\det A = \sum_{i=1}^{n}(-1)^{i+j}a_{i,j} \det A_{ij} = \sum_{j=1}^{n}(-1)^{i+j}a_{i,j} \det A_{ij} ;
- A×tcom(A)=tcom(A)×A=In×detAA \times \, ^t \mathrm{com}(A) = \, ^t \mathrm{com}(A) \times A = I_n \times \det A ;
- si detA0\det A \neq 0 alors A1=1detAtcom(A)A^{-1} = \dfrac{1}{\det A} \, ^t \mathrm{com}(A) ;
2Casparticulier{\color{blue}{\bf{2 \,\, - \,\, Cas \,\, particulier }}}
Si A=(abcd)M2(K)A = \begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix} \in \mathcal{M}_2(\mathbb{K}) alors detA=adbc\det A = ad - bc
Si A=(abcdefghi)M3(K)A = \begin{pmatrix} a & b & c \\ d & e & f \\ g & h & i \end{pmatrix} \in \mathcal{M}_3(\mathbb{K}) alors detA=aei+bfg+cdhgechfaidb\det A = aei + bfg + cdh - gec - hfa - idb. C'est la règle de Pierre Sarrus.
IIIApplicationaurangetauxsysteˋmesdeˊquationslineˊaires{\color{red}{\bf{III \,\, - \,\, Application \,\, au \,\, rang \,\, et \,\, aux \,\, systèmes \,\, d'équations \,\, linéaires}}}
Soit AA une matrices de l'ensemble Mn(K)\mathcal{M}_n(\mathbb{K}) et B=t(b1...bp)Mp,1(K)B = \, ^t(b_1 ... b_p) \in \mathcal{M}_{p,1}(\mathbb{K}).
On désigne par (S)(\mathcal{S}) un système de pp équations linéaires à nn inconnues x1,...,xnx_1 , ... , x_n. On a :
(S):AX=B(\mathcal{S}) : \,\, AX = B
avec X=t(x1...xn)Mn,1(K)X = \, ^t(x_1 ... x_n) \in \mathcal{M}_{n,1}(\mathbb{K})
Theˊoreˋme:\bullet \,\, Théorème \, : Le rang de la matrice AA est égal au plus grand ordre des sous matrices carrées de AA de déterminant non nul.
1SysteˋmedeCramer{\color{blue}{\bf{1 \,\, - \,\, Système \,\, de \,\, Cramer }}}
Deˊfinition{\color{green}{\bf{Définition}}}
Le système (S)(\mathcal{S}) est de CramerCramer si et seulement si n=pn=p et le rang de (S(\mathcal{S} est nn.
Theˊoreˋme:\bullet \,\, Théorème \, : On note par AjA_j la matrice obtenue à partir de AA en remplaçant le colonne numéro jj par le second membre du système (S)(\mathcal{S}), à savoir BB.
Tout système de CramerCramer admet une solution unique : j{1,...,n},xj=detAjdetA\forall j \in \{ 1, ... , n \}, \,\, x_j = \dfrac{\det A_j}{\det A}.
2Casgeˊneˊral{\color{blue}{\bf{2 \,\, - \,\, Cas \,\, général }}}
Soit rr le rang de la matrice AA, tel que rnr \leqslant n et rpr \leqslant p, et supposons que les équations soient écrites de telle sorte que :
det(ai,j)1ir;1jr0\det(a_{i,j})_{1 \leqslant i \leqslant r \,;\, 1 \leqslant j \leqslant r} \neq 0
Deˊfinitions{\color{green}{\bf{Définitions}}}
- On appelle x1,...,xrx_1 , ... , x_r les inconnues principales ;
- On appelle les rr premières équations les " équations principales " ;
- Un déterminant est caracteˊristiquecaractéristique si et seulement si il est de la forme suivante (r<kp)(r < k \leqslant p) :
a11a1rb1ar1arrbrak1akrbk\begin{vmatrix} a_{11} & \cdots & \cdots & a_{1r} & b_1 \\ \vdots & & & \vdots & \vdots \\ a_{r1} & \cdots & \cdots & a_{rr} & b_r \\ a_{k1} & \cdots & \cdots & a_{kr} & b_k \end{vmatrix}
TheˊoreˋmedeFonteneˊRoucheˊ:\bullet \,\, Théorème \,\, de \,\, Fontené-Rouché\, :
Notons (S)(\mathcal{S}') le système suivant :
j=1raijxj=bij=r+1naijxj\sum_{j=1}^{r} a_{ij} \, x_j = b_i - \sum_{j=r+1}^{n} a_{ij} \, x_j
avec iNi \in \mathbb{N} et 1ip1 \leqslant i \leqslant p.
Dans ce cas :
- si r=pr=p alors le système (S)(\mathcal{S}) à des solutions qui dépendent de nrn-r paramètres réels (les inconnues non principales). Les solutions sont obtenues en résolvant le système de CramerCramer (S)(\mathcal{S}').
- si r<pr<p et si l'un des déterminants caracteˊristiquescaractéristiques est non nul alors le système (S)(\mathcal{S}) est impossible. On dit aussi que le système (S)(\mathcal{S}) est incompatible.*
- si r<pr<p et si tous les déterminants caracteˊristiquescaractéristiques sont nuls alors le système (S)(\mathcal{S}) est équivalent au système des rr " équations principales ". On dit aussi que le système (S)(\mathcal{S}) est compatible.