La trace est la seule forme linéaire qui ignore l'ordre des facteurs
Exercice de TD · niveau 3 (difficile) · mathématiques MPSI, chapitre 13 — Matrices et applications linéaires · E. Trace
Énoncé
Soit une forme linéaire sur vérifiant pour toutes matrices . Montrer que est proportionnelle à la trace.
Corrigé
La stratégie. Une forme linéaire est déterminée par ses valeurs sur une base. La base des matrices élémentaires est la bonne, parce que leurs produits sont d'une simplicité totale : . L'hypothèse est une contrainte ; on la fait travailler sur des couples bien choisis.
1) Les coefficients hors diagonale sont nuls. Soient , et . Alors , et puisque . L'hypothèse donne .
Le point délicat. C'est ici, et seulement ici, que sert : pour , on aurait des deux côtés, et l'égalité serait une tautologie. La contrainte ne mord que sur les indices distincts — et c'est exactement ce qu'il faut.
2) Les coefficients diagonaux sont tous égaux. Soient et . Alors et , d'où pour tout . Notons cette valeur commune.
3) Conclusion par linéarité. Toute s'écrit , donc Donc , avec . La réciproque est immédiate : est linéaire et vérifie . Les formes linéaires insensibles à l'ordre des facteurs forment exactement la droite .
Contrôle en dimension . , , donc . Sur et : et , deux matrices différentes de même trace .
Ce que l'exercice installe. La trace n'est pas une formule parmi d'autres : c'est, à un facteur près, la seule forme linéaire qui ne voie pas l'ordre des facteurs. Tout le reste en découle — l'invariance par similitude, l'impossibilité de , et pour un projecteur. Et la méthode — tester sur la base dont les produits sont connus — est celle de la première question du problème.
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