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.
1–10First steps / middle schoolPremiers pas / collège
Notons P=MatB(C) la matrice de passage de B à C, dont les colonnes sont les coordonnées des vecteurs de C dans la base B.
P est orthogonale. Le coefficient (i,j) de PTP vaut ∑kpkipkj. Or, B étant orthonormale, ce nombre est exactement ⟨ci,cj⟩ où ci désigne le i-ième vecteur de C ; et C étant orthonormale, il vaut δij. Donc PTP=In,d’ouˋdet(P)2=1,detP=±1.
La formule de changement de base pour les formes n-linéaires alternées donne detB(x1,…,xn)=det(P)⋅detC(x1,…,xn),et en prenant les valeurs absolues, ∣detP∣=1 fournit l’égalité annoncée. ■
Cas d’une famille liée. Le déterminant est nul, et l’inégalité est immédiate puisque le membre de droite est positif.
Cas d’une famille libre. Le procédé de Gram–Schmidt fournit une base orthonormale E=(e1,…,en) vérifiant Vect(e1,…,ek)=Vect(x1,…,xk)(1⩽k⩽n).Chaque xi s’écrit donc xi=∑j=1iajiej : la matrice A=(aji) de la famille dans E est triangulaire supérieure, et detE(x1,…,xn)=detA=i=1∏naii.La base E étant orthonormale, le théorème de Pythagore donne ∥xi∥2=j=1∑iaji2⩾aii2,soit∣aii∣⩽∥xi∥.(∗)En multipliant ces n inégalités entre nombres positifs et en invoquant la question 1 : detB(x1,…,xn)=detE(x1,…,xn)=i=1∏n∣aii∣⩽i=1∏n∥xi∥.■
Il y a égalité si et seulement si la famille (x1,…,xn) est orthogonale, c’est-à-dire ⟨xi,xj⟩=0 pour i=j. Cette condition englobe le cas dégénéré où l’un des xi est nul.
Version matricielle. Pour A=(aij)∈Mn(R) de colonnes C1,…,Cn, l’inégalité s’écrit ∣detA∣⩽j=1∏n∥Cj∥2=j=1∏n(i=1∑naij2)1/2,avec égalité si et seulement si A a ses colonnes orthogonales, ou une colonne nulle. Par transposition, le même énoncé vaut pour les lignes.