Ce contrôle de maths de L1 porte sur le thème suivant : déterminants, Cramer et Vandermonde.
Ce partiel de 2 h porte sur les déterminants et leurs usages. Il commence par la caractérisation des matrices inversibles, dont vous démontrerez les deux sens, puis par le calcul de la signature d’une permutation de six éléments.
Viennent ensuite des calculs par opérations sur les lignes et les colonnes, une discussion selon un paramètre, un système résolu par les formules de Cramer et une matrice inversée grâce à la comatrice. Le problème final établit une récurrence pour un déterminant tridiagonal, puis la formule du déterminant de Vandermonde, appliquée à l’interpolation. Calculatrice interdite ; vérifiez chaque résultat en le réinjectant.
- Niveau : licence L1
- Chapitre : Déterminants
- Durée conseillée : 2 h
- Barème : sur 20 points (exercice 1 : 3 points ; exercice 2 : 3 points ; exercice 3 : 4 points ; exercice 4 : 4 points ; exercice 5 : 6 points)
- Compétences évaluées :
- Raisonner : démontrer la caractérisation des matrices inversibles par le déterminant
- Calculer : obtenir un déterminant par opérations élémentaires et par développement
- Chercher : établir une relation de récurrence pour un déterminant tridiagonal et la résoudre
- Modéliser : résoudre un système de Cramer et inverser une matrice par la comatrice
Exercice 1 : Question de cours : déterminant et inversibilité (3 points)
Calculatrice interdite.
Dans cet exercice, \(n \geq\, 1\) et \(A \in \mathcal{M}_n(\mathbb{K})\), avec \(\mathbb{K} = \mathbb{R}\) ou \(\mathbb{C}\). On admet que le déterminant est une forme \(n\)-linéaire alternée des colonnes et que \(\det(AB) = \det(A) \det(B)\).
- Énoncez la caractérisation des matrices inversibles à l’aide du déterminant. (0,5 point)
- Démontrez que, si \(A\) est inversible, alors \(\det A \neq 0\), et exprimez \(\det(A^{-1})\) en fonction de \(\det A\). (1 point)
- Démontrez que, si \(A\) n’est pas inversible, alors \(\det A = 0\). (1,5 point)
Exercice 2 : Signature d’une permutation (3 points)
On considère la permutation \(\sigma\) de \(\{1, 2, 3, 4, 5, 6\}\) définie par \[\sigma = \begin{pmatrix} 1 2 3 4 5 6 \\ 4 6 1 3 2 5 \end{pmatrix}.\]
- Décomposez \(\sigma\) en produit de cycles à supports disjoints. (1 point)
- Écrivez \(\sigma\) comme un produit de transpositions, en justifiant l’écriture de chaque cycle. (1 point)
- Déduisez-en la signature \(\varepsilon(\sigma)\), puis contrôlez-la en comptant le nombre d’inversions de \(\sigma\). (1 point)
Exercice 3 : Calculs de déterminants (4 points)
- Calculez \(D_1 = \begin{vmatrix} 2 1 3 \\ 1 -1 2 \\ 3 2 1 \end{vmatrix}\). (1 point)
- Pour \(m \in \mathbb{R}\), on pose \(M(m) = \begin{pmatrix} m 1 1 \\ 1 m 1 \\ 1 1 m \end{pmatrix}\). Montrez, par des opérations élémentaires, que \(\det M(m) = (m + 2)(m – 1)^2\). Pour quelles valeurs de \(m\) la matrice \(M(m)\) est-elle inversible ? (1,5 point)
- Soit \(A \in \mathcal{M}_3(\mathbb{R})\) telle que \(\det A = 3\). Calculez \(\det(2A)\), \(\det(A^{-1})\) et \(\det(A^{\top} A^2)\). (1,5 point)
Exercice 4 : Système de Cramer et comatrice (4 points)
On considère le système \[(S) : \begin{cases} x + 2y + z = 8 \\ y + z = 5 \\ x + 2z = 7 \end{cases}\] et on note \(A = \begin{pmatrix} 1 2 1 \\ 0 1 1 \\ 1 0 2 \end{pmatrix}\) sa matrice.
- Calculez \(\det A\) et justifiez que \((S)\) est un système de Cramer. (0,5 point)
- Résolvez \((S)\) à l’aide des formules de Cramer. (1,5 point)
- Calculez la comatrice de \(A\), puis \(A^{-1}\). (1,5 point)
- Retrouvez la solution de \((S)\) en calculant \(A^{-1} B\), avec \(B = \begin{pmatrix} 8 \\ 5 \\ 7 \end{pmatrix}\). (0,5 point)
Exercice 5 : Problème : déterminant tridiagonal et Vandermonde (6 points)
Partie A. Pour \(n \geq\, 1\), on note \(\Delta_n\) le déterminant de taille \(n\) \[\Delta_n = \begin{vmatrix} 5 2 0 \cdots 0 \\ 2 5 2 \ddots \vdots \\ 0 2 5 \ddots 0 \\ \vdots \ddots \ddots \ddots 2 \\ 0 \cdots 0 2 5 \end{vmatrix},\] dont les coefficients diagonaux valent \(5\), ceux situés juste au-dessus et juste au-dessous de la diagonale valent \(2\), et tous les autres sont nuls.
- En développant selon la première ligne, montrez que \(\Delta_n = 5\,\Delta_{n-1} – 4\,\Delta_{n-2}\) pour tout \(n \geq\, 3\). (1,5 point)
- Calculez \(\Delta_1\) et \(\Delta_2\), puis déterminez \(\Delta_n\) en fonction de \(n\). (1,5 point)
Partie B. Pour des réels \(a\), \(b\), \(c\), on pose \(V(a, b, c) = \begin{vmatrix} 1 a a^2 \\ 1 b b^2 \\ 1 c c^2 \end{vmatrix}\).
- Montrez que \(V(a, b, c) = (b – a)(c – a)(c – b)\). (1,5 point)
- On cherche un polynôme \(P = u + vX + wX^2\) tel que \(P(1) = 2\), \(P(2) = 3\) et \(P(3) = 6\). Montrez, à l’aide de c), que le problème admet une unique solution, puis déterminez \(P\). (1,5 point)
Réviser avant le contrôle : déterminants, Cramer et Vandermonde
Avant de faire ce contrôle, relisez le cours « Déterminants » en L1 puis entraînez-vous avec les exercices corrigés déterminants.
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