Algèbre linéaire pour GM Jeudi 07 novembre 2013
Prof. A. Abdulle EPFL
Série 7 (Corrigé)
Exercice 1
Calculer les produits suivants en utilisant la multiplication par bloc :
a)
0 1 3
1 0 4
0 1 1
1 0
0 1
1 1
b)
012
112!
1 2
3 4
0 1
c)
0 1 2
1 1 2 !
1 2
3 4
0 1
Sol.:
a)
On a A1A2
A3A4! B1
B2!= A1B1+A2B2
A3B1+A4B2!,donc
3 4
5 4
1 2
.
b)
On a A1A2A3
B1
B2
B3
=A1B1+A2B2+A3B3,donc 3 6
4 8 !.
c)
On a A1
A2!B1B2= A1B1A1B2
A2B1A2B2!,donc 3 6
4 8 !.
1
Exercice 2
a) Montrer qu’une matrice partitionnée triangulaire inférieure
A= A11 0
A21 A22!,
avec A11 matrice de taille n×net A22 matrice de taille m×m, est inversible si et
seulement si A11 et A22 sont inversibles.
b) Montrer que les matrices partitionnées
U= I0
X I!et V= I Y
0I!,
Iest la matrice identité n×n, sont toujours inversibles. Donner l’inverse.
Sol.:
a) En utilisant une des charactérisations des matrices inversibles nous déduisons (re-
spectant la forme triangulaire de A)
la matrice Ade taille (n+m)×(n+m)est inversible
la matrice Aanpositions pivots dans les npremières lignes
et mpositions pivots dans les mdernières lignes
la matrice Aanpositions pivots dans le bloc A11
et mpositions pivots dans les mdernières lignes
la matrice Aanpositions pivots situées dans le bloc A11
et mpositions pivots situées dans le bloc A22
A11 de taille n×n, A22 de taille m×msont inversibles
b) Première partie: Uest une matrice partitionnée triangulaire inférieure que l’on a
étudiée dans la partie a) de cet exercice. Comme A11 =A22 =I, la matrice identité
de taille n×n, on déduit directement que Uest inversible (comme la matrice identité
est inversible). Calculons encore l’inverse
I0
X I! B1B2
B3B4!= B1B2
XB1+B3XB2+B4!!
= I0
0I!,
donc on déduit successivement que B1=I,B2= 0,B3=Xet B4=I. Finalement,
on obtient I0
X I!1
= I0
X I!.
Deuxième partie: Nous observons que VTa la forme de la matrice Uétudiée dans la
partie précedente de cet exercice donc
(V1)T= (VT)1= I0
YTI!1
= I0
YTI!.
Nous concluons que
V1= IY
0I!.
2
Exercice 3
Soient A11 et A22 des matrices carrées.
a) On suppose que A11 est inversible. Déterminer X, Y et Ssatisfaisant
A= A11 A12
A21 A22!= I0
X I! A11 0
0S! I Y
0I!,
où le produit matriciel de droite est compatible avec la multiplication par bloc.
b) On suppose que A11 et Asont inversibles. Montrer que Sest inversible.
Remarque : La matrice Sest appelée le complément de Schur.
Sol.:
a) Admettons que A11 est une matrice de taille n×net A22 de taille m×m. Donc, la
matrice Aest de taille (m+n)×(m+n),A21 de taille m×net A12 de taille n×m.
On calcule que
I0
X I! A11 0
0S! I Y
0I!= I0
X I! A11 A11Y
0S!= A11 A11Y
XA11 XA11Y+S!.
Successivement, on peut déduire que Yest de taille n×m,Xde taille m×net Sde
taille m×m. De plus, on remarque que
Y=A1
11 A12, X =A21A1
11 , S =A22 A21A1
11 A12.
b) D’abord, comme A11 est inversible, la décomposition de la partie a) est bien définie.
En utilisant, l’exercice précédent on obtient
I0
X I!A IY
0I!= A11 0
0S!,
où la partie gauche de l’équation est un produit de matrices inversibles, donc la par-
tie droite de l’équation est également inversible. Par l’exercice 2, il est pour cela
cessaire que la matrice Ssoit inversible.
Exercice 4
i) Calculer le déterminant suivant :
6 0 5 0
0 0 0 1
3 2 1 0
4 3 2 1
.
ii) Calculer les déterminants suivants :
a b a
b a b
a+b a +b a +b
,
a b 0
a a +b c
a b a
.
3
iii) Calculer le déterminant des matrices suivantes. Comment le déterminant dépend t-il
de l’angle ϕ? Pourquoi ?
A= cos ϕsin ϕ
sin ϕcos ϕ!
iv) Soit A=
4301
2140
4 18 17 23
49 1 72 10
et B=
0 1 18 0
2 0 1 0
1 0 1
20
3 4 1 18
. Calculer det (AB).
Sol.:
i) 11. Il est plus simple de développer par rapport à la deuxième ligne.
ii) Premier déterminant: 0 car la troisième ligne est la somme des deux premières, second
déterminant: a3.
iii) det (A) = cos2ϕ+ sin2ϕ= 1, est indépendant de l’angle ϕ. Toutes les matrices de
rotation vérifient la propriété det A= 1 (voir aussi l’exercice 5)c)).
iv) det (B) = 0, donc det (AB) = det (A) det (B)=0.
Exercice 5
Calculer le déterminant des matrices élémentaire suivantes. Indiquer à quelles opérations
élémentaires chaque matrice correspond.
A=
1 0 0 0
0 1 0 0
0 0 1 0
0 0 α1
, B =
0 1 0 0
1 0 0 0
0 0 1 0
0 0 0 1
, C =
α0 0 0
0 1 0 0
0 0 1 0
0 0 0 1
.
Sol.:
|A|= 1,Aajoute à la quatrième ligne la troisième ligne multipliée par α,|B|=1,B
échange les lignes 1et 2,|C|=α,Cmultiplie la première ligne par α.
Exercice 6
Soit Aune matrice n×n. Montrer que si deux lignes de Asont identiques, alors det (A)=0.
Que peut-on dire si deux colonnes sont identiques?
Sol.: Deux lignes de Asont identiques ssi deux colonnes de ATsont identiques. Si deux
colonnes de ATsont les même, alors les colonnes sont linéairement dépendantes, ainsi AT
est non inversible, c-à-d det AT= det (A) = 0. On peut donc conclure dans tous les cas
det (A)=0.
Méthode 2: Échanger deux lignes (ou colonnes) de Amultiplie le déterminant de Apar 1.
En échangeant deux lignes identiques (ou colonnes) de A, la matrice Ane change pas. On
a donc: det (A) = det (A). Ainsi det (A)=0.
4
Exercice 7
Soit
A=
a11 a12 a13 a14
a21 a22 a23 a24
a31 a32 a33 a34
a41 a42 a43 a44
.
a) Calculer les cofacteurs C13, C31, C41, C24.
b) Développer le déterminant en cofacteurs par rapport à la troisième ligne.
Sol.:
a)
C13 =+1·det A13
=+1·(a24a32a41 +a22a34a41 +a24a31a42 a21a34a42 a22a31a44 +a21a32a44).
C31 =+1·det A31
=+1·(a14a23a42 +a13a24a42 +a14a22a43 a12a24a43 a13a22a44 +a12a23a44).
C41 =1·det A41
=1·(a14a23a32 +a13a24a32 +a14a22a33 a12a24a33 a13a22a34 +a12a23a34).
C24 =+1·det A24
=+1·(a13a32a41 +a12a33a41 +a13a31a42 a11a33a42 a12a31a43 +a11a32a43).
b)
det (A) =a31C31 +a32C32 +a33C33 +a34C34
= + a31 det A31 a32 det A32 +a33 det A33 a34 det A34.
Exercice 8
Montrer:
a) Si Aest une matrice inversible, alors det (A1) = 1
det A.
b) Si Aet Qsont des matrices inversibles de taille n×nalors det (QAQ1) = det A.
c) Si Uest une matrice carrée telle que UTU=Ialors det U=±1.
d) Si Aest une matrice carrée telle que det (A3) = 0 alors Aest non inversible.
Sol.:
a) Soit Ila matrice identité de taille n×n. Alors 1 = det I= det (A1A) = (det A1)·
(det A). Ainsi det A1=1
det A.
b) C’est une conséquence de a):
det QAQ1= (det Q)·(det A)·det Q1= (det Q)·(det A)·1
det Q= det A.
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