La comatrice conserve la multiplication

La comatrice com(M) d’une matrice carré M d’ordre n est la matrice des cofacteurs, c’est-à-dire sa composante en (l,k) est \(\small{(-1)^{l+k}}\) fois le déterminant de la matrice qui s’obtient lorsqu’on ôte à M sa l-ème ligne et sa k-ème colonne.
Mais c’est surtout la transposée de la comatrice qui nous intéresse ; elle s’appele matrice complémentaire (en allemand Adjunkte, en anglais adjugate matrix) et on démontre dans tout cours d’algèbre linéaire qu’elle vérifie la propriété fondamentale :

\(^t\text{com}(M)\:M\;=\;M\:^t\text{com}(M)\;=\;\det(M)\:I\:.\)

Par conséquence si on travaille avec des coefficients dans un anneau A, alors la matrice M est inversible dans l’anneau matriciel à coefficients dans A si et seulement si le scalaire det(M) est inversible dans l’anneau A. Par exemple les matrices inversibles sur \(\small\mathbb{Z}\) sont précisément celles dont le déterminant est 1 ou -1.

Exercice :  Démontrer que  com  est compatible avec la multiplication matricielle,

com(I) = I      et      com(MN) = com(M) com(N).

8 réponses
  1. PB
    PB dit :

    Bonjour,
    Voici une preuve un peu conceptuelle. Notons A l’anneau commutatif de base. L’entier n est fixe. Pour tout A-module M, on notera M’ le A-module des formes (n-1)-lineaires alternees sur M.

    La correspondance M->M’ est fonctorielle au sens suivant. On associe a toute application A-lineaire f:M->N l’application A-lineaire f’:N’->M’ definie par : f'(h) est la forme (n-1)-lineaire sur M’ qui associe h(f(x_1),…,f(x_(n-1))) a (x_1,…,x_(n-1)). Tout ce qu’il y a de plus canonique. Et si f:M->M et g:N->P sont A-lineaires, on a bien :

    Propriete 1.
    (gof)’=f’og’

    (la verification est triviale !)

    Propriete 2.
    Si M est libre de rang n alors M’ aussi.

    (resulte d’un theoreme bien connu sur les formes lineaires alternees et du fait que "(n-1) parmi n"=n)

    Dans le cas particulier ou M=A^n, M a une base canonique, et M’ aussi. Donc si U est une matrice carree de taille n, on peut lui associer naturellement une matrice U’.

    Propriete 3.
    U’=transposee(Com(U)) ou pas loin.

    (preuve : on devrait prendre cette egalite comme definition de Com(U) 🙂 (plus serieusement, la il faut ecrire les calculs…)

    Denouement : avec les proprietes 1,2,3 il est clair que Com(UV)=Com(U)Com(V).

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  2. MathOMan
    MathOMan dit :

    Oui, effectivement, ça serait trop beau de pouvoir le faire sans aucun calcul ! Je ne connaissais pas cette idée de preuve. Comme tu n’as pas eu droit à un excédent de bagages sur ton vol vers l’Île Maurice je suppose qu’elle ne vient pas d’un gros pavé comme le Godement…

    Répondre
  3. PB
    PB dit :

    Ahah 😀
    Tu as presque tout faux :
    1) Elle vient quand meme d’une ancienne lecture d’un quelconque gros pave d’algebre (que je n’ai pas apporte en effet)
    2) J’ai apporte un gros pave d’initiation a l’analyse (Arnaudies …) pour faire des revisions et surtout pour la conscience 😉

    Répondre
  4. PB
    PB dit :

    PS : je me demande meme si je n’ai pas pris cette photo pendant une lecture du Arnaudies !

    PS du PS : j’ai tente d’ecrire un lien en BBCode, on verra bien. Et desole de ne pas avoir utilise le BBCode pour LaTeX dans ma solution.

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  5. JLT
    JLT dit :

    Bonjour,

    je suis de passage sur ce blog. L’identité est évidente pour des matrices inversibles à coefficients complexes. De plus, si
    P : M_n(C) x M_n(C) –> M_n(C) est le polynôme P(M,N)=com(MN)-com(M)com(N) alors P s’annule sur un ouvert, donc est le polynôme nul. En considérant maintenant P comme une fonction de M_n(A) x M_n(A) dans M_n(A), on obtient le résultat.

    Plus généralement, toute identité polynomiale à coefficients entiers valable sur les matrices complexes inversibles est encore valable sur toutes les matrices (inversibles ou non) sur un anneau commutatif quelconque.

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  6. Pierre Lecomte
    Pierre Lecomte dit :

    C’est même plus général car \( GL(n,\mathbb C) \) est dense< dans l’ensemble de toutes les matrices complexe. Le caractère polynômial n’est pas nécessaire : la continuité suffit.

    Répondre
  7. Pierre Lecomte
    Pierre Lecomte dit :

    J’entendais sur le corps des complexes. Pour un anneau quelconque mon <<plus général>> ne fait pas sens. Désolé!

    Répondre
  8. Pierre Lecomte
    Pierre Lecomte dit :

    Puisque l’application \(f:=\mathrm{Com}\) est un homomorphisme de groupes de Lie, sa différentielle en le neutre est un homomorphisme d’algèbres de Lie.

    Et de fait, on peut vérifier que

    \(f_{*I_n}A=\mathrm{tr}(A)I_n-\widetilde{A}.\)

    Ce qui est amusant c’est que, visiblement, cette application est bijective (sauf en dimension 1). Ceci corrobore le fait que \(\mathrm{Com}\) est un difféomorphisme local!

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