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 , , .
- Si : les trois pivots sont non nuls, donc . La matrice est carrée de rang maximal : elle est inversible, et le théorème du rang donne .
- Si : la matrice échelonnée devient , avec un seul pivot, donc . Et de fait, pour , les trois lignes de sont identiques, toutes égales à . Le théorème du rang donne : le noyau est le plan d'équation .
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.
Les autres exercices de ce chapitre Le cours du chapitre
Un blocage sur cet exercice ? Le tuteur d'Adloun guide par questions, sans donner la réponse.