mathématiques MPSI · Chapitre 13 · Exercice de TD
Problème — Tout hyperplan de contient une matrice inversible
Matrices et applications linéaires · E. Trace · niveau 3 (difficile)
Énoncé
Soit .
1) Soit une forme linéaire sur . Montrer qu'il existe une unique matrice telle que pour toute .
2) Soit l'endomorphisme de défini sur la base canonique par pour et , et sa matrice dans la base canonique. Montrer que est inversible et que tous ses coefficients diagonaux sont nuls.
3) Soit un hyperplan de , avec , de rang . Écrire avec , et montrer que pour toute , .
4) On pose . Montrer que est inversible et que . Conclure.
5) Que se passe-t-il pour ? En utilisant l'exercice 3, montrer que , et en déduire que n'est contenu dans aucun hyperplan.
6) Montrer que contient une matrice de rang pour tout . Énoncer le théorème obtenu.
Corrigé
1) Toute forme linéaire est une trace. Existence. Posons — attention à l'ordre des indices — et . Pour , par linéarité, D'autre part , qui est la même double somme, à l'échange des noms et près. Donc pour toute . Unicité. Si pour toute , alors vérifie pour toute . Prenons : la matrice a pour coefficient la somme , donc sa trace vaut . Ainsi pour tous : , et . Aucune dualité n'a été utilisée : la linéarité et la base suffisent, comme à l'exercice 9.
2) La matrice du cycle. envoie la base sur , qui est la même base dans un autre ordre : l'image d'une base est une base, donc est un automorphisme (chapitre 12), et sa matrice est inversible. (On peut aussi remarquer , donc et .) Le coefficient diagonal est la -ième coordonnée de ; or pour , dont la -ième coordonnée est car , et , dont la -ième coordonnée est car . Tous les coefficients diagonaux de sont nuls : est une matrice inversible de trace nulle, et plus encore, de diagonale nulle. Pour , .
3) Le transport par . est un hyperplan : le noyau d'une forme linéaire non nulle , qui s'écrit par le 1), avec (sinon ). Le rang de est donc au moins , et la classification par le rang donne avec . Alors, pour toute , par la commutation de la trace appliquée à et :
4) L'inversible dans . est un produit de trois matrices inversibles : elle est inversible. Et par le 3), Calculons : , qui vaut si et si . Donc : , c'est-à-dire . Tout hyperplan de contient une matrice inversible.
Le point délicat. Trois outils se relaient. La trace commute, ce qui fait glisser de gauche à droite. La forme normale ne garde que les premiers coefficients diagonaux. Et le cycle a tous ses coefficients diagonaux nuls, quel que soit — c'est pour cela qu'il fallait la diagonale nulle et pas seulement la trace nulle. Le transport ramène ensuite dans l'hyperplan.
5) Le cas , et hors de tout hyperplan. Pour , , dont le seul hyperplan est , qui ne contient aucun inversible : le théorème est faux, et l'on voit où : le « cycle » sur un seul vecteur est l'identité, de diagonale .
Pour : d'après l'exercice 3, toute matrice de est somme de deux matrices inversibles, donc appartient à ; ainsi . Si l'on avait pour un hyperplan , alors, étant un sous-espace, , c'est-à-dire , contredisant . Donc n'est contenu dans aucun hyperplan : chaque hyperplan contient des inversibles (question 4) et en laisse dehors (question 5). Autrement dit, une forme linéaire nulle sur toutes les matrices inversibles est nulle.
6) Des matrices de tout rang. Pour : la matrice nulle est dans . Pour : c'est le 4). Pour : posons — des en positions , ce qui a un sens puisque . Ses colonnes sont , libres, et les autres sont nulles : . Sa diagonale est nulle. Posons : (multiplication par des inversibles), et par le 3), . Donc . Le même mécanisme qu'au 4) — une matrice à diagonale nulle, transportée — fournit dans une matrice de chaque rang.
Le théorème obtenu. Pour , tout hyperplan de contient une matrice inversible, et plus généralement une matrice de chaque rang ; et , qui engendre , n'est contenu dans aucun hyperplan.
Ce que le problème installe. Trois idées qui dépassent ce chapitre. Une forme linéaire sur est toujours : la trace paramètre toutes les formes linéaires, et la matrice se lit sur la base . La forme normale transporte une question de « diagonale » sur toute matrice de rang . Et les matrices inversibles sont partout : aucune équation linéaire ne peut les éviter, ce qui, en seconde année, se dira « est dense dans » — ici, on l'a établi par l'algèbre seule.
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