Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Déterminant de matrices d’entiers consecutifs

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Montrons que det⁡A1=1,det⁡A2=−2\det A_1=1, \det A_2=-2 puis det⁡An=0  pour tout n⩾3\det A_n=0\ \text{ pour tout } n\geqslant 3

Les deux premiers cas sont immédiats : det⁡A1=1\det A_1=1 et det⁡A2=1×4−2×3=−2\det A_2=1\times 4-2\times 3=-2.

Cas n⩾3n\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=((i−1)n+1, (i−1)n+2, …, (i−1)n+n)=L1+(i−1)n J,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+1−Li=n J.L_{i+1}-L_i=n\,J.En particulier L3−L2=L2−L1L_3-L_2=L_2-L_1, c’est-à-dire
L1−2L2+L3=0.L_1-2L_2+L_3=0.Comme n⩾3n\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=(i−1)n+ja_{i,j}=(i-1)n+j sépare complètement les indices : en posant u=((i−1)n)1⩽i⩽nu=\bigl((i-1)n\bigr)_{1\leqslant i\leqslant n} et v=(j)1⩽j⩽nv=(j)_{1\leqslant j\leqslant n}, on a
An=u JT+J vT,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 n⩾3n\geqslant 3. Le rang vaut exactement 22 pour n⩾2n\geqslant 2, puisque uu et JJ ne sont pas colinéaires. ■\blacksquare

Remarques
  • On peut aussi conclure par opérations élémentaires : Cj←Cj−C1C_j\leftarrow C_j-C_1 transforme la jj-ième colonne en la colonne constante (j−1)JT(j-1)J^{\mathsf T}. Toutes les colonnes d’indice j⩾2j\geqslant 2 deviennent alors proportionnelles à JTJ^{\mathsf T}, donc deux d’entre elles au moins sont colinéaires dès que n⩾3n\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 n⩾2n\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 −24≠0-24\neq 0.

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