mathématiques MPSI · Chapitre 14 · Exercice de TD
Un déterminant tridiagonal et une récurrence linéaire
Groupe symétrique et déterminants · B. Calculs de déterminants · niveau 3 (difficile)
Énoncé
Pour et , soit le déterminant de la matrice carrée d'ordre dont les coefficients diagonaux valent , les coefficients d'indices et valent , et tous les autres . On pose .
a) Calculer , et .
b) En développant selon la première ligne, puis le mineur obtenu selon sa première colonne, établir pour .
c) Soit et . Résoudre la récurrence et montrer que .
d) Montrer que est une fonction polynomiale de degré en , et déterminer ses racines.
e) En déduire l'ensemble des réels pour lesquels la matrice n'est pas inversible.
Corrigé
La stratégie. Deux développements successifs ramènent un déterminant d'ordre à ceux d'ordre et : le déterminant devient une suite récurrente linéaire d'ordre , qu'on sait résoudre depuis le chapitre sur les suites. Les racines complexes de l'équation caractéristique feront apparaître des cosinus.
a) Les premières valeurs. . Puis . Enfin, en développant selon la première ligne,
b) La récurrence. Soit . La première ligne de la matrice est . Développons selon elle : où est la matrice privée de sa première ligne et de sa première colonne — c'est la matrice tridiagonale d'ordre , de déterminant — et est la matrice privée de sa première ligne et de sa deuxième colonne. Regardons : sa première ligne est la deuxième ligne de la matrice initiale, , privée de son deuxième coefficient, soit ; et sa première colonne est , car dans la première colonne de la matrice initiale, seuls les coefficients des lignes et sont non nuls, et la ligne a été supprimée. Développons selon sa première colonne : un seul terme, fois le déterminant de la matrice obtenue en supprimant encore la première ligne et la première colonne, qui est la matrice tridiagonale d'ordre (pour , c'est la matrice vide, de déterminant ). Donc , et Contrôle : et , conformes au a).
c) Résolution pour . La suite vérifie , récurrence linéaire d'ordre à coefficients constants, d'équation caractéristique puisque . Les racines sont , distinctes. D'après le cours sur les suites, il existe deux réels tels que, pour tout , Les conditions initiales fixent et : donne ; donne , soit (licite car ). Donc par la formule d'addition du sinus. Contrôle : pour , ; pour , .
d) Le polynôme et ses racines. Par récurrence sur , est une fonction polynomiale de , unitaire de degré : c'est vrai pour et , et si est unitaire de degré et de degré , alors est unitaire de degré .
Cherchons ses racines dans , en écrivant avec — ce qui décrit tout une fois et une seule, le cosinus étant une bijection décroissante de sur . D'après le c), si et seulement si , c'est-à-dire avec entier. Comme , on a : les valeurs possibles sont pour . Les réels sont deux à deux distincts (le cosinus est injectif sur ) et sont des racines de . Un polynôme de degré ayant racines distinctes, ce sont toutes ses racines, et Contrôle : pour , et , et . Pour , les racines sont , et , et .
e) Inversibilité. La matrice est inversible si et seulement si . Elle n'est pas inversible exactement pour les valeurs , , toutes situées dans . En particulier, pour , la matrice est toujours inversible. (Ces réels sont, en langage de deuxième année, les valeurs propres de la matrice tridiagonale à diagonale nulle changées de signe ; ici on n'a parlé que d'inversibilité, et cela a suffi.)
Le point délicat. Le second développement : il faut voir que la matrice a une première colonne presque vide, et que ce qui reste après un second développement est de nouveau une matrice de la même famille, d'ordre . C'est cette stabilité de la famille qui autorise la récurrence ; sans elle, on aurait des mineurs sans nom et rien ne se refermerait.
Ce que l'exercice installe. Un déterminant « structuré » — bande, bordé, à motif répété — se calcule rarement de front : on cherche une relation de récurrence par développement, et l'on résout. Ici la récurrence est d'ordre , ses racines caractéristiques sont sur le cercle unité, et la formule rassemble deux chapitres d'analyse — suites récurrentes et trigonométrie — au service d'un chapitre d'algèbre. Les polynômes obtenus sont ceux de Tchebychev de seconde espèce, et les reviendront comme fréquences propres d'une chaîne de ressorts.
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