Groupe symétrique, déterminants — Mines-Ponts

Exercices corrigés des Mines-Ponts sur le thème « groupe symétrique, déterminants », regroupés par filière.

MP–MPI


Exercice 1. (★★★) commutation ; multiplicativité ; conjugaison
Si {A,B} sont réelles et commutent, montrer {\det(A^2+B^2)\geq0}.

Donner un exemple avec {A,B} inversibles, commutantes, et déterminant nul, puis un exemple sans commutation où le déterminant est négatif.

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Exercice 2. (★★) déterminant d’un endomorphisme ; trace ; matrices par blocs
Calculer la trace et le déterminant de la transposition sur {M_n(K)}.
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Exercice 3. (★★★) commutation ; déterminants par blocs ; identités polynomiales
Pour {A,B,C,D\in M_n(K)} avec {AC=CA}, montrer {\det\begin{pmatrix}A&B\\[4pt]C&D\end{pmatrix}=\det(AD-CB)}.
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Exercice 4. (★★) déterminant de Vandermonde ; coefficient dominant ; relations de récurrence
Montrer l’existence et l’unicité de {T_m\in\mathbb{R}_m[X]} tel que {T_m(\cos x)=\cos(mx)}.

Calculer {\det(\cos((k-1)a_\ell))_{1\leq k,\ell\leq n}}.

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Exercice 5. (★★★★) déterminant de Vandermonde ; théorème de Rolle ; continuité
Pour {b_1\lt \cdots\lt b_p} réels et des {a_i} non tous nuls, montrer que {\sum\limits_i a_ie^{b_ix}} possède au plus {p-1} zéros réels distincts.

Pour {\alpha_1\lt \cdots\lt \alpha_n} et {\beta_1\lt \cdots\lt \beta_n}, montrer {\det(e^{\alpha_i\beta_j})>0}.

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Exercice 6. (★★) éléments propres ; déterminant ; polynômes annulateurs
Pour {A\in M_n(\mathbb{R})} vérifiant {A^3=A+I}, déterminer le signe de {\det A}.
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Exercice 7. (★★) commutation ; déterminants ; nilpotence
Pour {A\in M_n(\mathbb{C})} nilpotente, montrer {A^n=0} et calculer {\det(I+A)}.

Si {AM=MA}, montrer {\det(A+M)=\det M}.

Le résultat demeure-t-il sans commutation ?

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Exercice 8. (★★) opérations sur les colonnes ; multiplicativité
Si les colonnes de {A\in\mathcal M_n(\mathbb{K})} sont {C_j} et celles de {B} sont {C'_j=\sum\limits_{i\ne j}C_i}, calculer {\det B}.
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Exercice 9. (★★★★) déterminant de Vandermonde ; théorème de Rolle ; continuité
1) Pour {b_1\lt \cdots\lt b_p} et des réels {a_i} non tous nuls, montrer que {\sum\limits_i a_ie^{b_ix}} s’annule au plus {p-1} fois sur {\mathbb{R}}.

2) Si {\alpha_1\lt \cdots\lt \alpha_n} et {\beta_1\lt \cdots\lt \beta_n}, montrer {\det(e^{\alpha_i\beta_j})>0}.

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Exercice 10. (★★★) relations coefficients-racines ; rang ; calcul de déterminants
Si {x_1,x_2,x_3} sont les racines de {X^3+pX+q}, poser {N_j=x_1^j+x_2^j+x_3^j}.

Calculer {\det(N_{i+j-2})_{1\le i,j\le n}}.

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Exercice 11. (★★★) multiplicativité ; diviseurs ; indicatrice d’Euler
Calculer {\det(\gcd(i,j))_{1\le i,j\le n}}. On rappelle {N=\sum\limits_{d\mid N}\varphi(d)}.
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Exercice 12. (★★) comatrice ; rang ; éléments propres
Pour la comatrice {\operatorname{Com}(A)} :
1) déterminer son rang selon celui de {A} ;

2) calculer {\operatorname{Com}(\operatorname{Com}(A))} si {A} est inversible ;

3) si {AX=\lambda X}, {X\ne0}, {\lambda\ne0}, montrer que {X} est propre pour {\operatorname{Com}(A)^T}.

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Exercice 13. (★★) commutation ; déterminants ; nilpotence
Pour {A} nilpotente complexe, calculer {\det(I+A)} puis {\det(A+M)} si {AM=MA}, en commençant par {M} inversible.

La formule reste-t-elle vraie sans commutation ?

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Exercice 14. (★★) Déterminant et orthogonalité ; Normes usuelles ; Inversibilité
Montrer {|\det A|\le\prod\limits_i\sum\limits_j|a_{ij}|} pour {A} réelle. Si {\det A\ne0}, caractériser l’égalité.
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Exercice 15. (★★★★) Séries entières ; Déterminant de Vandermonde ; Bases de polynômes
Pour {P\in\mathbb{R}[X]} de degré {p\ge1} :
1) donner le rayon de {\sum\limits_{n\ge0}P(n)x^n} et montrer que sa somme est rationnelle ;

2) montrer {\det(P(i+j))_{1\le i,j\le p+1}=0} ;

3) montrer {\det(P(i+j))_{1\le i,j\le p}\ne0}.

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Exercice 16. (★★★) loi uniforme ; cycles ; combinaisons
Dans {S_n} uniforme, calculer la probabilité {\pi_n} qu’une permutation possède un cycle de longueur strictement supérieure à {n/2}. En déterminer un équivalent.
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Exercice 17. (★★) permutations ; transpositions ; inégalités
Pour deux familles réelles {(a_i),(b_i)}, déterminer les extrema sur {S_n} de {\sum\limits_{i=1}^na_ib_{\sigma(i)}}.
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Exercice 18. (★★★) racines et multiplicités ; théorème de Rolle ; inversibilité
Pour un polynôme réel non constant {P}, notons {r_+(P)} son nombre de racines strictement positives et {N(P)} son nombre de coefficients non nuls.
1) Étudier les cas {N(P)=1,2}.

2) Montrer {r_+(P)\le r_+(P')+1}.

3) Si {P(0)=0}, montrer {r_+(P)\le r_+(P')}.

4) Montrer {r_+(P)\le N(P)-1}.

5) Si {0\lt x_1\lt \cdots\lt x_n} et {0\le p_1\lt \cdots\lt p_n} entiers, montrer {\det(x_i^{p_j})>0}.

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Exercice 19. (★★★★) Multilinéarité ; Inversibilité ; Racines et multiplicités
Pour {A\in M_n(\mathbb{R})}, montrer qu’il existe une matrice diagonale {D} à diagonale dans {\left\{-1,1\right\}^n} telle que {A+D} soit inversible.
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Exercice 20. (★★) déterminant de Vandermonde ; inversibilité ; interpolation de Lagrange
Soient {x_1\lt \cdots\lt x_n} réels et {V=(x_i^{j-1})}.

Calculer son déterminant, montrer son inversibilité et donner son inverse.

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Exercice 21. (★★★★) cardinal ; formule du binôme ; matrices triangulaires
Soit {E} de cardinal {n\ge2}, et indexons ses parties non vides {E_1,\ldots,E_N}, {N=2^n-1}.

Pour {A_{ij}=\mathbf1_{E_i\cap E_j\ne\varnothing}}, calculer {\det A}.

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Exercice 22. (★★★) familles libres ; formes linéaires ; inversibilité
Montrer que des fonctions {f_1,\ldots,f_n:\mathbb{R}\to\mathbb{R}} sont libres si et seulement s’il existe {x_1,\ldots,x_n} tels que {\det(f_i(x_j))\ne0}.
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Exercice 23. (★★★) relations coefficients-racines ; racines et multiplicités ; extremums
Soit {P_n=X^n-X+1}, {n\ge1}.
1) Montrer qu’il a au plus une racine réelle ; donner les racines de {P'_n} ; montrer que ses racines sont simples.
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2) Pour les racines {r_1,r_2,r_3} de {P_3}, calculer le déterminant de la matrice de diagonale {(1+r_i)} et de coefficients hors diagonale {1}.
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Exercice 24. (★★★) comatrice ; similitude ; racines et multiplicités
Si deux matrices {A,B} sur un sous-corps de {\mathbb{C}} sont semblables, montrer que {\operatorname{Com}(A)} et {\operatorname{Com}(B)} le sont aussi.
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Exercice 25. (★★) multiplicativité ; conjugaison ; module
Pour {A\in M_n(\mathbb{R})} et {t\ge0}, montrer {\det(A^2+tI_n)\ge0}.
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Exercice 26. (★★★) déterminant de Vandermonde ; dérivation de polynômes ; bases
Soit {P\in K[X]} de degré {n}, et {\alpha_0,\ldots,\alpha_n} distincts.
1) Calculer {\det(P^{(i)}(\alpha_j))_{0\le i,j\le n}}.

2) Montrer que les {P(X+\alpha_j)} forment une base de {K_n[X]}.

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Exercice 27. (★★★★) signature ; développement du déterminant ; bijections
Soit {E=\left\{1,\ldots,n\right\}}, {n\ge2}, et {F=\mathcal P(E)\setminus\left\{\varnothing,E\right\}}, de cardinal {m=2^n-2}.
1) Montrer qu’une unique bijection {g:F\to F} vérifie {g(\alpha)\cap\alpha=\varnothing}.
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2) Pour {A_{ij}=-1} si {\alpha_i\cap\alpha_j=\varnothing}, {0} sinon, calculer {\det A}.
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Exercice 28. (★★★★) PGCD ; éléments inversibles ; Structures Algébriques
Soit {I} l’ensemble des matrices inversibles dans l’anneau {M_n(\mathbb{Z})}.
1) Préciser sa structure.
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2) Montrer {A\in I\iff\det A\in\left\{-1,1\right\}}.
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3) Si {\alpha(X)} est le pgcd des coefficients d’une colonne entière, montrer {A\in I\iff\alpha(AX)=\alpha(X)} pour toute colonne entière {X}.
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Exercice 29. (★★★) polynôme caractéristique ; déterminants par blocs ; rang
1) Pour {M\in M_{n,p}(K)}, {N\in M_{p,n}(K)}, relier les polynômes caractéristiques de {MN} et {NM}.
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2) Si {A} est inversible et {B=(1+a_{ij})}, noter {S} la somme de tous les coefficients de {A^{-1}}.

Relier {\det A}, {\det B} et {S}.

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Exercice 30. (★★★★) valeurs intermédiaires ; multilinéarité ; polynôme caractéristique
Soit {A\in M_n(\mathbb{R})} avec {a_{ij}=j} pour {i\ne j}, et {a_{ii}=0}.
1) Calculer {\det(A+kI)} pour {1\le k\le n}.
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2) Montrer que {A} possède {n} valeurs propres distinctes et que chacune vérifie {\sum\limits_{k=1}^nk/(\lambda+k)=1}.
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3) Déterminer leur somme et leur produit.
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Exercice 31. (★★★) points critiques ; différentielle ; comatrice
1) Calculer la différentielle du déterminant en {I_n}. Le déterminant y atteint-il un extremum local ?

2) Déterminer les points critiques et les extrema locaux du déterminant sur {M_n(\mathbb{R})}.

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Exercice 32. (★★★) ordre d’un élément ; Structures Algébriques ; décomposition en cycles disjoints
On note {\mathfrak S_n} le groupe des permutations de {\left\{1,\ldots,n\right\}} et {M_n} le maximum des ordres de ses éléments.
1) Montrer que {n\le M_n\le n!}.
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2) Si {n\ge4}, montrer que {M_n\le\max_{2\le k\le n-1}(kM_{n-k})}.
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3) Montrer que {M_n=O(3^{n/3})}.
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Exercice 33. (★★) rang ; déterminant de Vandermonde ; racines de l’unité
Soient {z\in\mathbb{C}^\star} et {M=(z^{ij})_{1\le i,j\le n}}.
1) Donner une condition nécessaire et suffisante sur {z} pour que {M} soit inversible.
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2) Calculer son rang en fonction de {z}.
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Exercice 34. (★★★) inversibilité ; déterminant de Vandermonde ; multiplicativité
Soit {(a_1,\ldots,a_n)\in\mathbb{K}^n}, avec {a_{n+1}=a_1}. On définit {M=(m_{ij})} par {m_{ij}=a_j^i+a_{j+1}^i}, pour {1\le i,j\le n}.
1) Calculer {\det M}.
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2) Étudier son inversibilité.
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Exercice 35. (★★) Structures Algébriques ; éléments inversibles ; racines et multiplicités
1) Que peut-on dire du déterminant d’une matrice de {\mathrm{GL}_n(\mathbb{Z})}, groupe des inversibles de l’anneau {\mathcal M_n(\mathbb{Z})} ?
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2) Soient {B,C\in\mathcal M_n(\mathbb{R})} tels que {B+kC\in\mathrm{GL}_n(\mathbb{Z})} pour {k=0,\ldots,2n}.

Calculer {|\det B|} et {\det C}.

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Exercice 36. (★★) multiplicativité ; conjugaison ; module
Montrer que, pour tout {t\ge0} et toute {A\in\mathcal M_n(\mathbb{R})}, {\det(A^2+tI_n)\ge0}.
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Exercice 37. (★★★) déterminant de Vandermonde ; bases de polynômes ; coefficients binomiaux
1) Soient {P_0,\ldots,P_{n-1}\in\mathbb{C}[X]}, avec {\deg P_k=k}, et {z_0,\ldots,z_{n-1}\in\mathbb{C}}.

Calculer {\det(P_{i-1}(z_{j-1}))_{1\le i,j\le n}}.

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2) Si {x_0,\ldots,x_n\in\mathbb{Z}}, montrer que {\prod\limits_{0\le i\lt j\le n}(x_j-x_i)/(j-i)\in\mathbb{Z}}.
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Exercice 38. (★★★★) théorème de Rolle ; inversibilité ; valeurs intermédiaires
Soient {a_1\lt \cdots\lt a_n} et {b_1\lt \cdots\lt b_n} réels, et {M=(e^{a_ib_j})_{1\le i,j\le n}}.
1) Montrer que {\det M>0} pour {n=2}.
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2) Calculer {\det M} lorsque {b_k=k-1} pour tout {k}.
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3) Montrer que {M} est inversible, puis que {\det M>0}.
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Exercice 39. (★★★) calcul matriciel ; multiplicativité ; conjugaison
Soient {A_1,\ldots,A_n\in\mathcal M_n(\mathbb{R})} tels que {\sum\limits_{i\ne j}(A_iA_j+A_jA_i)=0}.

Montrer que {\det\left(\sum_{k=1}^n(A_k+I_n)^2-(n-2)I_n\right)\ge0.}

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Exercice 40. (★★★) similitude ; comatrice ; racines et multiplicités
Soient {\mathbb{K}} un sous-corps de {\mathbb{C}} et {A,B\in\mathcal M_n(\mathbb{K})} semblables.

Montrer que {\operatorname{Com}A} et {\operatorname{Com}B} sont semblables.

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Exercice 41. (★★★★) rang ; comatrice ; inversibilité
Soient {n\ge2} et {\mathbb{K}=\mathbb{R}} ou {\mathbb{C}}.
1) Calculer {\operatorname{Com}(J_r)}, où {J_r=\operatorname{diag}(I_r,0)}, {0\le r\le n}.
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2) Montrer que {\operatorname{Com}(AB)=\operatorname{Com}(A)\operatorname{Com}(B)}.
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3) Exprimer le rang de {\operatorname{Com}(A)} en fonction de celui de {A}.
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4) Étudier l’injectivité de {\gamma:A\mapsto\operatorname{Com}(A)} et déterminer son image.
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Exercice 42. (★★) comatrice ; sous-espaces stables ; sous-algèbres
Soit {\mathcal D} l’ensemble des {M\in\mathcal M_n(\mathbb{C})} telles que {m_{ij}=0} lorsque {i-j} est impair.
1) Montrer que {\mathcal D} est une sous-algèbre.
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2) Pour {M} inversible, montrer que {M\in\mathcal D} équivaut à {\operatorname{Com}(M)\in\mathcal D}.
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3) Cette équivalence reste-t-elle vraie sans l’inversibilité ?
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Exercice 43. (★★) comatrice ; multiplicativité ; racines et multiplicités
Soit {M\in\mathcal M_n(\mathbb{C})}.

Déterminer la comatrice de la comatrice de {M}.

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Exercice 44. (★★) éléments propres ; conjugaison ; déterminant d’un endomorphisme
Soit {A\in\mathcal A_n(\mathbb{R})}.

Montrer que {\det(I_n+A)\ge1}.

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Exercice 45. (★★★) déterminants par blocs ; endomorphismes définis positifs ; formes quadratiques
Soit {A\in\mathcal S_n(\mathbb{R})}, et {A_i} sa sous-matrice des {i} premières lignes et colonnes.

Montrer que {A\in\mathcal S_n^{++}(\mathbb{R})} équivaut à {\det A_i>0} pour tous {1\le i\le n}.

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Exercice 46. (★★★) endomorphismes définis positifs ; opérations sur les lignes ; inversibilité
Soient {\alpha\in\mathbb{R}}, {n\ge1} et {S=(\alpha^{|i-j|})_{1\le i,j\le n}}.
1) Calculer {\det S}.
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2) À quelle condition {S\in\mathcal S_n^{++}(\mathbb{R})} ?
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Exercice 47. (★★★) différentielle du déterminant ; rang ; extremums locaux
1) Calculer la différentielle du déterminant en {I_n}.
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2) Montrer de deux façons qu’il n’y a pas d’extremum local en {I_n}.
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3) Que dire d’un éventuel extremum local du déterminant ?
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4) Pour {1\le r\le n-1}, donner une matrice simple de rang {r} et étudier le déterminant près d’elle.
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Exercice 48. (★★★) vecteurs tangents ; exponentielle de matrice ; différentielle du déterminant
Montrer que l’ensemble des vecteurs tangents à {\mathrm{SL}_n(\mathbb{R})} en {I_n} est l’hyperplan des matrices de trace nulle.
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PSI


Exercice 1. (★★★) éléments simples ; multilinéarité ; interpolation
Soient {a_1,\ldots,a_n} complexes distincts et {A} de coefficients {A_{ii}=0}, {A_{ij}=a_j} si {i\ne j}.

Poser {P(x)=\det(A+xI)}.

1) Montrer que {P} est unitaire de degré {n}.

2) Calculer {P(a_i)}.

3) Trouver {P}.

4) Décomposer {P(X)/\prod\limits_j(X-a_j)} en éléments simples.

5) Calculer {\det(A+I)}.

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Exercice 2. (★★) équivalence des matrices ; rang ; inversibilité
Soient {n\ge2} et {A\in M_n(\mathbb{R})} tels que {\det(A+M)=\det A+\det M} pour toute {M}.

Montrer que {A} n’est pas inversible, puis que {A=0}. Indication : écrire {A=PJ_rQ^{-1}}.

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Exercice 3. (★★★) commutation ; nilpotence ; identité polynomiale
Soient {A,B\in M_n(\mathbb{R})} avec {AB=BA} et {B^p=0} pour un entier {p\ge1}.

Montrer que {\det(A+B)=\det A}.

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Exercice 4. (★★★) matrices définies positives ; déterminants par blocs ; théorème spectral
1) Pour {A\in S_n(\mathbb{R})}, caractériser {A\in S_n^{++}(\mathbb{R})}.

2) Si {A=\begin{pmatrix}B&C\\[4pt]C^T&D\end{pmatrix}} est définie positive, montrer {\det B>0} et {\det A\le\det B\det D}.

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Exercice 5. (★★★★) continuité du déterminant ; matrices positives ; théorème spectral
Soient {U,V\in S_n^+(\mathbb{R})}.

Montrer que {\det(U+V)\geq\det U+\det V}.

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PC


Exercice 1. (★★) Déterminants par blocs ; Inversibilité ; Transposition
Une matrice antisymétrique réelle non nulle peut-elle être inversible en dimension impaire ?

Et en dimension paire ?

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Exercice 2. (★★★) Relations coefficients-racines ; Racines et multiplicités ; Multilinéarité
Montrer que {P=X^3-X+1} possède trois racines complexes distinctes {z_1,z_2,z_3}.

Calculer le déterminant de la matrice de diagonale {1+z_i} et de coefficients hors diagonale égaux à {1}.

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Exercice 3. (★★★) Degré ; Racines ; Coefficients
Pour {A,B\in M_n(\mathbb{Z})}, supposer {\det(A+kB)=\pm1} pour {0\leq k\leq2n}.

Que dire de {\det A,\det B} ?

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Exercice 4. (★★★★) Déterminant de Vandermonde ; Dimension ; Formule du binôme
Pour {n\geq2}, {0\leq k\lt n} et {x\in\mathbb{R}}, calculer le déterminant de la matrice dont le premier coefficient de la ligne {i} est {(x+i)^k} et les autres {(i+j-1)^k}, {2\leq j\leq n}.
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Exercice 5. (★★★) Conjugaison ; Similitude ; Calcul polynomial
Montrer {\det\overline A=\overline{\det A}} pour {A} complexe, puis {\det(I+A\overline A)\in\mathbb{R}}.
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Exercice 6. (★★★★) Conjugaison ; Calcul polynomial ; Racines
Pour {A} réelle, montrer {\det(A^2+tI)\geq0} si {t\geq0}.

Montrer que {A^2+B^2=-I} est impossible en dimension impaire, mais possible en dimension paire.

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Exercice 7. (★★) Matrices positives ; Rang ; Déterminants
1) Pour {M\in M_{n,p}(\mathbb{R})}, montrer {\det(MM^T)\geq0}, et {\det(MM^T)=0} si {p\lt n}.

2) Pour des parties {A_1,\ldots,A_n} d’un ensemble fini {X}, montrer que la matrice {(|A_i\cap A_j|)} a un déterminant positif.

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Exercice 8. (★★★★) opérations sur les lignes ; opérations sur les colonnes
Soient {F_0=0}, {F_1=1}, {F_{k+2}=F_{k+1}+F_k}.

Calculer {\det(F_{|j-i|})_{1\leq i,j\leq n}}.

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Exercice 9. (★★★) développement d'un déterminant ; opérations sur les lignes ; identité polynomiale
Pour {n\geq2} et {a,x,y,z\in\mathbb{R}}, calculer le déterminant de {\begin{pmatrix}a&x\mathbf1^T\\[4pt]y\mathbf1&zI_{n-1}\end{pmatrix}}, où {\mathbf1} est le vecteur de {n-1} coefficients égaux à un.
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Exercice 10. (★★★) identité polynomiale ; produit de déterminants ; matrices par blocs
Soient {A,B,C,D\in M_4(\mathbb{R})} avec {AC=CA}. Montrer {\det\begin{pmatrix}A&B\\[4pt]C&D\end{pmatrix}=\det(AD-CB)}. Commencer par {A} inversible.
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Exercice 11. (★★★) multilinéarité ; rang ; degré et valuation
Pour {A,B\in M_n(\mathbb{C})}, poser {P(t)=\det(tA+B)}.

Montrer {\deg P\leq\operatorname{rg}A} et, si {P\ne0}, {\operatorname{val}P\geq n-\operatorname{rg}B}.

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Exercice 12. (★★★★) nombre de racines ; produit de déterminants ; conjugaison complexe
1) Pour {A} réelle et {t\geq0}, montrer {\det(A^2-tI)\geq0}.

2) Pour {n} impair, montrer que {-I_n} n’est pas somme de deux carrés de matrices réelles.

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Exercice 13. (★★★) valeurs propres ; déterminants tridiagonaux ; polynôme caractéristique
Soit {A\in M_n(\mathbb{R})} ayant des uns juste au-dessus et au-dessous de la diagonale, et des zéros ailleurs.

Calculer {\det(A-2\cos(a)I)} et en déduire ses valeurs propres.

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Exercice 14. (★★★) formes linéaires ; Espaces vectoriels et applications linéaires ; surjectivité
Soient {E} de dimension {p} et {f_1,\ldots,f_p} des formes linéaires.

Prouver l’équivalence : i) {(f_i)} est libre ;

ii) {u:x\mapsto(f_1(x),\ldots,f_p(x))} est surjective ;

iii) il existe {x_1,\ldots,x_p} tels que {\det(f_i(x_j))\ne0}.

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Exercice 15. (★★★★) produit de déterminants ; endomorphismes positifs et définis positifs ; inégalités de convexité
Soient {n\ge2}, {A\in S_n^{++}(\mathbb{R})} et {B\in S_n^+(\mathbb{R})}.
a) Trouver {C} tel que {C^2=A^{-1}}.

b) Pour {D=CBC}, montrer {\det(I+D)^{1/n}\ge1+\det(D)^{1/n}}.

c) En déduire {\det(A+B)^{1/n}\ge\det(A)^{1/n}+\det(B)^{1/n}}.

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Exercice 16. (★★★) noyau et image ; inversibilité ; racines et multiplicités
Soient {x_1,x_2\in\mathbb{C}}.

Montrer que {\det\begin{pmatrix} 1&0&1&0&0\\[4pt]x_1&1&x_2&1&0\\[4pt] x_1^2&2x_1&x_2^2&2x_2&2\\[4pt] x_1^3&3x_1^2&x_2^3&3x_2^2&6x_2\\[4pt] x_1^4&4x_1^3&x_2^4&4x_2^3&12x_2^2 \end{pmatrix}=0}si et seulement si {x_1=x_2}.

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Exercice 17. (★★★) déterminant d’une famille, d’un endomorphisme ou d’une matrice ; calcul matriciel
Soient {(a_1,\ldots,a_n,b_0,\ldots,b_n)\in\mathbb{K}^{2n}}.

Calculer le déterminant {\Delta_n} de la matrice dont les coefficients diagonaux sont {a_i+b_i} et dont les coefficients hors diagonale de la ligne {i} valent {b_i}.

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Exercice 18. (★★★★) déterminant d’une famille, d’un endomorphisme ou d’une matrice ; diagonalisation ; racines de l’unité
Calculer le déterminant de la matrice d’ordre {n} dont la première ligne est {(1,2,\ldots,n)} et dont chaque ligne suivante est obtenue par décalage circulaire d’un cran vers la gauche.
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Exercice 19. (★★★) racines et multiplicités ; changements de bases ; coefficients binomiaux
1) Calculer le déterminant de Vandermonde {V(x_1,\ldots,x_n)=\det(x_i^{j-1})_{1\leq i,j\leq n}}.
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2) Montrer que, pour {m_1,\ldots,m_n\in\mathbb{Z}}, {\prod\limits_{k=1}^{n-1}k!} divise {\prod\limits_{1\leq j\lt i\leq n}(m_j-m_i)}. Indication : considérer le déterminant construit avec les polynômes factoriels {1,X,X(X-1),\ldots}.
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Exercice 20. (★★★) déterminant d’une famille, d’un endomorphisme ou d’une matrice ; degré
Soient {A,B\in M_3(\mathbb{R})} telles que {\det A=\det B=\det(A+B)=\det(A-B)=0}.

Montrer que {\det(xA+yB)=0} pour tous réels {x,y}.

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Exercice 21. (★★★) degré ; racines et multiplicités
Soient {A,B\in M_n(\mathbb{Z})} tels que {\det(A+kB)\in\left\{-1,1\right\}} pour tout {k\in\left\{0,\ldots,2n\right\}}.

Déterminer {\det A,\det B}.

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Author: Jean-Michel Ferrard

Professeur de mathématiques en classe préparatoire aux grandes écoles.