mathématiques (PT) · Chapitre 8 · Exercice de TD
La trace est la dérivée du déterminant au voisinage de l'identité
Fonctions Vectorielles, Arcs Paramétrés et Géométrie Différentielle · A. Dérivabilité et opérations · niveau 2
Énoncé
Montrer que est dérivable en , de dérivée (-linéarité du déterminant par colonnes : une seule colonne dérivée à la fois, en les autres valent — lien : c'est le coefficient sous-dominant de , chapitre 2).
Corrigé
Ce que l'on montre. Pour , la fonction est dérivable en et .
Ce qu'on s'autorise. La linéarité du déterminant par rapport à chaque colonne prise séparément ; le fait qu'ajouter à une colonne une combinaison des autres ne change pas le déterminant ; le développement par rapport à une colonne ; le déterminant d'une matrice diagonale.
Stratégie. On ne calcule aucune limite de taux d'accroissement. On montre que est une fonction polynomiale de , puis on identifie son coefficient de degré : un polynôme est dérivable, et sa dérivée en est ce coefficient.
Étape 1 — est polynomiale. Chaque coefficient de est une fonction affine de . Le développement par rapport à une colonne exprime un déterminant d'ordre comme somme de produits d'un coefficient par un déterminant d'ordre : une récurrence immédiate sur montre alors que est polynomiale, de degré au plus . En particulier est dérivable sur et s'écrit pour un certain polynôme . Il ne reste qu'à identifier les deux premiers coefficients.
Étape 2 — développer colonne par colonne. Notons les colonnes de et la base canonique : la -ième colonne de est . En utilisant la linéarité par rapport à la première colonne, puis à la deuxième, et ainsi de suite, on obtient une somme de déterminants, indexés par la partie des colonnes où l'on a retenu : Tous les termes tels que sont divisibles par : ils ne contribuent ni au terme constant, ni au terme en .
Étape 3 — les deux premiers coefficients. Le terme vaut , d'où . Pour , notons la matrice égale à sauf sa -ième colonne, remplacée par . Retranchons à cette colonne la combinaison des autres colonnes de : le déterminant est inchangé, et la -ième colonne devient . La matrice obtenue est diagonale, de diagonale , donc . Le coefficient de vaut donc :
Le point délicat. La linéarité du déterminant est colonne par colonne, jamais globale : . C'est justement parce qu'on ne peut pas séparer d'un seul coup que la trace apparaît — comme somme des façons de ne « dériver » qu'une colonne à la fois, les autres étant prises en , c'est-à-dire égales à .
Contrôle. Pour : Le coefficient de vaut bien ; celui de vaut , conformément à la forme générale en dimension .
Acquis — la trace lue sur le polynôme caractéristique. Avec la convention , on a pour Le coefficient sous-dominant de est , et l'on voit pourquoi : la trace est la partie linéaire du déterminant au voisinage de l'identité. C'est la raison pour laquelle elle surgit chaque fois qu'un déterminant est dérivé.
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