Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Determinant of a matrix with consecutive integers

by Ancient Tree·
29
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  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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Consider the matrices :

A1=(1),A2=(1234),A3=(123456789),A_1=(1), A_2=\left(\begin{array}{ll} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{array}\right), A_3=\left(\begin{array}{lll} 1 & 2 & 3 \\ 4 & 5 & 6 \\ 7 & 8 & 9 \end{array}\right), \ldotsWhat is the determinant of AnA_n ?

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Solutions

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Solution by Anduril

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The following operations are transvections and hence do not change the determinant :
C3 becomes C3-C2 then C2 becomes C2-C1.
In the new matrix, C2=C3 (colums made up of 1) so the determinant is zero when n>=3.

For n=1, the determinant is 1.
For n=2, it is -2 (classic formula for a size 2 matrix).

Solution by visitorFR

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Montrons que detA1=1,detA2=2\det A_1=1, \det A_2=-2 puis detAn=0  pour tout n3\det A_n=0\ \text{ pour tout } n\geqslant 3

Les deux premiers cas sont immédiats : detA1=1\det A_1=1 et detA2=1×42×3=2\det A_2=1\times 4-2\times 3=-2.

Cas n3n\geqslant 3 : une relation entre les lignes. Notons L1,,LnL_1,\dots,L_n les lignes de AnA_n. Pour tout ii, la ii-ième ligne est
Li=((i1)n+1, (i1)n+2, , (i1)n+n)=L1+(i1)nJ,J:=(1,1,,1).L_i=\bigl((i-1)n+1,\ (i-1)n+2,\ \dots,\ (i-1)n+n\bigr)=L_1+(i-1)n\,J,\qquad J:=(1,1,\dots,1).Deux lignes consécutives diffèrent donc du vecteur constant nJnJ, indépendamment de ii :
Li+1Li=nJ.L_{i+1}-L_i=n\,J.En particulier L3L2=L2L1L_3-L_2=L_2-L_1, c’est-à-dire
L12L2+L3=0.L_1-2L_2+L_3=0.Comme n3n\geqslant 3, ces trois lignes existent bel et bien, et cette combinaison linéaire non triviale montre qu’elles sont liées. Le déterminant est donc nul.

Structure sous-jacente. L’écriture ai,j=(i1)n+ja_{i,j}=(i-1)n+j sépare complètement les indices : en posant u=((i1)n)1inu=\bigl((i-1)n\bigr)_{1\leqslant i\leqslant n} et v=(j)1jnv=(j)_{1\leqslant j\leqslant n}, on a
An=uJT+JvT,A_n=u\,J^{\mathsf T}+J\,v^{\mathsf T},somme de deux matrices de rang 11. D’où rg(An)2\operatorname{rg}(A_n)\leqslant 2, et l’annulation du déterminant dès que n3n\geqslant 3. Le rang vaut exactement 22 pour n2n\geqslant 2, puisque uu et JJ ne sont pas colinéaires. \blacksquare

Remarques
  • On peut aussi conclure par opérations élémentaires : CjCjC1C_j\leftarrow C_j-C_1 transforme la jj-ième colonne en la colonne constante (j1)JT(j-1)J^{\mathsf T}. Toutes les colonnes d’indice j2j\geqslant 2 deviennent alors proportionnelles à JTJ^{\mathsf T}, donc deux d’entre elles au moins sont colinéaires dès que n3n\geqslant 3.
  • La valeur 2-2 pour n=2n=2 n’a rien d’exceptionnel : c’est simplement le cas où la contrainte de rang 2\leqslant 2 n’est pas encore restrictive. Le rang de AnA_n vaut 11 pour n=1n=1 et 22 pour tout n2n\geqslant 2.
  • Le phénomène ne tient pas au choix particulier des entiers 1,2,,n21,2,\dots,n^{2}, mais à leur disposition en progression arithmétique ligne après ligne. Toute matrice (α+βi+γj)i,j\bigl(\alpha+\beta i+\gamma j\bigr)_{i,j} a un rang 3\leqslant 3, et 2\leqslant 2 si α=0\alpha=0 ou si l’on soustrait une ligne à toutes les autres.
  • Contre-exemple à une généralisation hâtive. Remplir la matrice en colonnes plutôt qu’en lignes donne AnTA_n^{\mathsf T}, de même déterminant. En revanche, une disposition « en serpentin » (lignes alternativement croissantes et décroissantes) brise la structure : pour n=3n=3 on obtient (123654789)\begin{pmatrix}1&2&3\\6&5&4\\7&8&9\end{pmatrix}, de déterminant 240-24\neq 0.
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