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Un rang qui dépend d'un paramètre

Application directe du cours · niveau 2 · mathématiques (PTSI), chapitre 12 — Matrices · B. Noyau, image, rang

Énoncé

Déterminer, selon le paramètre , le rang de , puis la dimension de son noyau.

Corrigé

Stratégie : échelonner d'abord, discuter ensuite. Les opérations élémentaires sur les lignes conservent le rang ; on les mène tant qu'elles ne demandent aucune hypothèse sur , et l'on ne discute qu'au moment où un pivot risque de s'annuler.

L'échelonnement. Retranchons la première ligne aux deux autres :

⚠️ Le point délicat : ces deux opérations sont licites sans aucune discussion. Ajouter à une ligne un multiple d'une autre ne demande jamais rien. La faute classique serait de vouloir « diviser par » pour normaliser le pivot : cette division-là, elle, exigerait , et c'est ainsi qu'on perd un cas en chemin. On échelonne sans diviser, et l'on discute à la fin.

La discussion. La matrice obtenue est triangulaire supérieure, de coefficients diagonaux , , .

Ce qui est remarquable ici. Le rang ne descend pas de à , mais de à d'un seul coup : les deux pivots qui s'évanouissent valent tous deux , donc ils disparaissent ensemble. Une valeur de paramètre peut faire chuter le rang de plusieurs unités à la fois — il ne faut jamais supposer qu'il ne perd qu'une marche.

Contrôle numérique. Le rang calculé pour , , , , , et vaut à chaque fois ; pour il vaut , et la dimension du noyau vaut alors . ✔

Ce que l'exercice installe. Une discussion de rang se mène sur la forme échelonnée, et le paramètre ne s'invite qu'au moment où un pivot peut s'annuler. La règle d'or : ne jamais diviser par une expression contenant le paramètre sans avoir écarté son annulation.

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