Sujet 33 - Exercice 2

40 min
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Soit nn un nombre entier naturel supérieur ou égal à deux.
On désigne par AA la matrice suivante : A=(011⋯1101⋯1⋮⋱⋱⋱⋮⋮⋱⋱⋱1111⋯0)∈Mn(R)A = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 1 &\cdots & 1 \\ 1 & 0 & 1 & \cdots & 1 \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & \vdots \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & 1 \\ 1 & 1 & 1 &\cdots & 0 \end{pmatrix} \in \mathcal{M}_n(\mathbb{R})
Cette matrice possède ses éléments qui font tous 11, sauf sur sa diagonale principale ou ils font tous 00.
Si on note par ai,ja_{i,j}, avec 1⩽i⩽n1 \leqslant i \leqslant n et 1⩽j⩽n1 \leqslant j \leqslant n, les éléments de la matrice AA, alors ai,j=1−δi,ja_{i,j} = 1 - \delta_{i,j}.
Le symbole δi,j\delta_{i,j} s'appelle le symbole de KroneckerKronecker et il vaut 11 si i=ji=j et 00 si i≠ji \neq j.
On admet, par hypothèse, que la matrice AA est inversible.
Question 1

Déterminer l'expression de A−1A^{-1}.

Correction
Notons par In\mathbb{I}_n la matrice carrée de taille (n ; n)(n\,;\,n) qui a tous ces éléments égal à 11.
Dans ce cas, on a :
A=In−InA = \mathbb{I}_n - I_n
De fait, on a :
A2=A×A=(In−In)×(In−In)=In2−InIn−InIn+In2=In2−In−In+In2=In2−2In+In2A^2 = A \times A = (\mathbb{I}_n - I_n) \times (\mathbb{I}_n - I_n) = \mathbb{I}_n^2 - \mathbb{I}_n I_n - I_n \mathbb{I}_n + I_n^2 = \mathbb{I}_n^2 - \mathbb{I}_n - \mathbb{I}_n + I_n^2 = \mathbb{I}_n^2 - 2 \mathbb{I}_n + I_n^2
Soit :
A2=A×A=In2−2In+InA^2 = A \times A = \mathbb{I}_n^2 - 2 \mathbb{I}_n + I_n
De plus, on a :
In2=In×In=(11⋯111⋯1⋮⋮⋱⋮11⋯1)×(11⋯111⋯1⋮⋮⋱⋮11⋯1)=(nn⋯nnn⋯n⋮⋮⋱⋮n1⋯n)=n(11⋯111⋯1⋮⋮⋱⋮11⋯1)\mathbb{I}_n^2 = \mathbb{I}_n \times \mathbb{I}_n = \begin{pmatrix} 1 & 1 &\cdots & 1 \\ 1 & 1 &\cdots & 1 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 1 & 1 & \cdots & 1 \end{pmatrix} \times \begin{pmatrix} 1 & 1 &\cdots & 1 \\ 1 & 1 &\cdots & 1 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 1 & 1 & \cdots & 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} n & n &\cdots & n \\ n & n &\cdots & n \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ n & 1 & \cdots & n \end{pmatrix} = n \begin{pmatrix} 1 & 1 &\cdots & 1 \\ 1 & 1 &\cdots & 1 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 1 & 1 & \cdots & 1 \end{pmatrix}
Donc :
In2=nIn\mathbb{I}_n^2 = n\mathbb{I}_n
Ainsi (avec In=A+In\mathbb{I}_n = A + I_n) :
A2=A×A=nIn−2In+In=(n−2)In+In=(n−2)(A+In)+In=(n−2)A+(n−2)In+InA^2 = A \times A = n\mathbb{I}_n - 2 \mathbb{I}_n + I_n = (n-2)\mathbb{I}_n + I_n = (n-2)(A + I_n) + I_n = (n-2)A + (n-2)I_n + I_n
Donc :
A2=(n−2)A+(n−1)In   ⟺   A2−(n−2)A=(n−1)In   ⟺   A2−(n−2)AIn=(n−1)InA^2 = (n-2)A + (n-1)I_n \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, A^2 - (n-2)A = (n-1)I_n \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, A^2 - (n-2)AI_n = (n-1)I_n
Donc, on obtient :
A(A−(n−2)In)=(n−1)In   ⟺   A×(A−(n−2)In)=(n−1)In A \big( A - (n-2)I_n \big) = (n-1)I_n \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, A \times \big( A - (n-2)I_n \big) = (n-1)I_n
Soit :
A×1n−1(A−(n−2)In)=InA \times \dfrac{1}{n-1} \big( A - (n-2)I_n \big) = I_n
Mais, par hypothèse, on sait que la matrice AA est inversible, donc on a A×A−1=InA \times A^{-1} = I_n. Donc, par identification, on obtient immédiatement :
A−1=1n−1(A−(n−2)In)   ⟺   A−1=1n−1(A+(2−n)In)A^{-1} = \dfrac{1}{n-1} \big( A - (n-2)I_n \big) \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, A^{-1} = \dfrac{1}{n-1} \big( A + (2-n)I_n \big)
On a alors :
A−1=1n−1((011⋯1101⋯1⋮⋱⋱⋱⋮⋮⋱⋱⋱1111⋯0)+(2−n)(100⋯0010⋯0⋮⋱⋱⋱⋮⋮⋱⋱⋱0000⋯1))A^{-1} = \dfrac{1}{n-1} \left( \begin{pmatrix} 0 & 1 & 1 &\cdots & 1 \\ 1 & 0 & 1 & \cdots & 1 \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & \vdots \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & 1 \\ 1 & 1 & 1 &\cdots & 0 \end{pmatrix} + (2-n) \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 &\cdots & 0 \\ 0 & 1 & 0 & \cdots & 0 \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & \vdots \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & 0 \\ 0 & 0 & 0 & \cdots & 1 \end{pmatrix} \right)
Soit :
A−1=1n−1((011⋯1101⋯1⋮⋱⋱⋱⋮⋮⋱⋱⋱1111⋯0)+(2−n00⋯002−n0⋯0⋮⋱⋱⋱⋮⋮⋱⋱⋱0000⋯2−n))A^{-1} = \dfrac{1}{n-1} \left( \begin{pmatrix} 0 & 1 & 1 &\cdots & 1 \\ 1 & 0 & 1 & \cdots & 1 \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & \vdots \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & 1 \\ 1 & 1 & 1 &\cdots & 0 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 2-n & 0 & 0 &\cdots & 0 \\ 0 & 2-n & 0 & \cdots & 0 \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & \vdots \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & 0 \\ 0 & 0 & 0 & \cdots & 2-n \end{pmatrix} \right)
Finalement, on trouve que l'expression de la matrice inverse A−1A^{-1} est donnée par :
A−1=1n−1(2−n11⋯112−n1⋯1⋮⋱⋱⋱⋮⋮⋱⋱⋱1111⋯2−n)A^{-1} = \dfrac{1}{n-1} \begin{pmatrix} 2-n & 1 & 1 &\cdots & 1 \\ 1 & 2-n & 1 & \cdots & 1 \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & \vdots \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & 1 \\ 1 & 1 & 1 &\cdots & 2-n \end{pmatrix}
On constate que la seule valeur de nn qui rend la matrice AA non inversible est n=1n=1. Cependant, par hypothèse n⩾2n \geqslant 2. Donc AA est toujours inversible.

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