mathématiques MPSI · Chapitre 14 · Application directe du cours
Soit E de dimension 2, de base e, et f une forme bilinéaire alternée…
Groupe symétrique et déterminants · B. Calculs de déterminants · niveau 2
Énoncé
Soit de dimension , de base , et une forme bilinéaire alternée sur . Montrer qu'il existe tel que , et exprimer .
Corrigé
Stratégie : décomposer sur la base et développer par bilinéarité. Les quatre termes obtenus se réduisent à deux, parce que le caractère alterné tue les termes « diagonaux ». C'est un calcul de trois lignes — mais c'est le théorème qui fonde tout le chapitre.
a) Alterné antisymétrique. Par hypothèse pour tout . Appliquons-le à et développons par bilinéarité :
b) Le développement. Écrivons et . La bilinéarité donne quatre termes :
c) On reconnaît le déterminant. Par définition, . Donc et réciproquement tout est bien bilinéaire alternée. L'espace des formes bilinéaires alternées sur un plan est donc une droite vectorielle, dont est une base.
⚠️ Ce qui est hypothèse et ce qui est conséquence. L'hypothèse est alternée () ; l'antisymétrie en découle. L'inverse n'est vrai qu'en caractéristique : si l'on partait de l'antisymétrie seule, sur un corps où on aurait , aucune information, et les termes ne s'annuleraient plus — tout le calcul du b) s'écroulerait. C'est pourquoi le cours pose alternée comme définition.
Contrôle. Trois essais :
- : elle est bilinéaire alternée, et ✓.
- : bilinéaire, , et ✓.
- : bilinéaire, mais — pas alternée, et de fait elle n'est proportionnelle à aucun déterminant ✓. L'hypothèse n'est pas gratuite.
Ce que l'exercice installe. C'est le théorème d'unicité dont tout le chapitre découle. En dimension , l'espace des formes -linéaires alternées est encore une droite ; le déterminant dans une base est l'unique élément valant sur . De cette unidimensionnalité descendent, sans nouveau calcul : l'invariance par transvection, le facteur quand on permute les vecteurs, la formule — et jusqu'au Vandermonde. Quand on ne sait plus pourquoi une propriété du déterminant est vraie, c'est presque toujours ici qu'il faut redescendre.
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