Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Linear algebraUnreviewed

Bézout matriciel

by beignet62·
45
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

This score reflects both the level of the required concepts and the difficulty of the solution.Ce score tient compte à la fois du niveau des notions nécessaires et de la difficulté de la résolution.

  1. 110First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 1125Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 2650Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 5170Advanced / graduateAvancé / master
  5. 7190Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91100Research levelNiveau recherche
These levels are approximate guides.Ces niveaux sont des repères approximatifs.
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Français

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Soient A,BMn(Z)A,B\in \mathcal{M}_n(\mathbb{Z}) inversibles tels que
det(A)det(B)=1.\det(A)\wedge\det(B)=1.Montrer qu’il existe U,VMn(Z)U,V\in \mathcal{M}_n(\mathbb{Z}) tels que
AU+BV=In.AU+BV=I_n.

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Notons a=det(A)a=\det(A) et b=det(B)b=\det(B), et A~\widetilde{A}, B~\widetilde{B} les matrices transposées des comatrices. Deux ingrédients suffisent.

1. Les comatrices sont entières. Chaque coefficient de A~\widetilde{A} est, au signe près, un mineur d’ordre n1n-1 de AA, c’est-à-dire un déterminant extrait à coefficients entiers : donc A~Mn(Z)\widetilde{A}\in\mathcal{M}_n(\mathbb{Z}), et de même B~Mn(Z)\widetilde{B}\in\mathcal{M}_n(\mathbb{Z}). La formule de Laplace donne
AA~=A~A=aIn,BB~=B~B=bIn.A\widetilde{A}=\widetilde{A}A=a\,I_n,\qquad B\widetilde{B}=\widetilde{B}B=b\,I_n.

2. Bézout. Comme ab=1a\wedge b=1, il existe u,vZu,v\in\mathbb{Z} tels que ua+vb=1ua+vb=1.

Posons alors
U=uA~,V=vB~,U=u\,\widetilde{A},\qquad V=v\,\widetilde{B},qui sont bien dans Mn(Z)\mathcal{M}_n(\mathbb{Z}). Il vient
AU+BV=uAA~+vBB~=uaIn+vbIn=(ua+vb)In=In.AU+BV=u\,A\widetilde{A}+v\,B\widetilde{B}=ua\,I_n+vb\,I_n=(ua+vb)\,I_n=I_n. \qquad\blacksquare

Remarques
  • La réciproque est fausse. Pour n=2n=2, prenons A=(1000)A=\begin{pmatrix}1&0\\0&0\end{pmatrix} et B=(0001)B=\begin{pmatrix}0&0\\0&1\end{pmatrix} : on a A+B=I2A+B=I_2 alors que detA=detB=0\det A=\det B=0, donc detAdetB=01\det A\wedge\det B=0\neq 1. La condition est suffisante, pas nécessaire.
  • Une condition nécessaire et suffisante s’obtient en réduisant modulo chaque premier pp : l’existence de U,VU,V équivaut à Im(A)+Im(B)=Fpn\mathrm{Im}(A)+\mathrm{Im}(B)=\mathbb{F}_p^{\,n} pour tout pp, ce que l’hypothèse ab=1a\wedge b=1 assure trivialement puisqu’alors AA ou BB est déjà inversible modulo pp.
  • La preuve n’utilise de Z\mathbb{Z} que sa structure d’anneau commutatif. Sur un anneau commutatif RR quelconque, l’énoncé devient : si detA\det A et detB\det B engendrent l’idéal RR tout entier, alors AU+BV=InAU+BV=I_n a une solution dans Mn(R)\mathcal{M}_n(R).
  • Variante par forme normale de Smith : on peut écrire A=PDQA=P D Q avec P,QGLn(Z)P,Q\in\mathrm{GL}_n(\mathbb{Z}) et DD diagonale, ce qui ramène le problème à des congruences scalaires. C’est plus long, mais cela éclaire pourquoi seuls les déterminants interviennent : ils captent exactement l’obstruction à l’inversibilité sur Z\mathbb{Z}.
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