Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Linear algebraReviewed

L’une d’entre elles est inversible

by Anduril·translated by Cypress·
40
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. 1–10First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 11–25Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 26–50Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 51–70Advanced / graduateAvancé / master
  5. 71–90Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91–100Research levelNiveau recherche
These levels are approximate guides.Ces niveaux sont des repères approximatifs.
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Soit AA une matrice réelle inversible de taille n×nn\times n et JJ la matrice de taille n×nn\times n dont tous les coefficients sont égaux à 11.

Montrer que au moins l’une des 2 matrices J+AJ+A et J−AJ-A est inversible.

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Solution by Sequoia

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La matrice A−1JA^{-1}J est de rang au plus 11 car JJ est de rang 11 (donc chaque élément de son noyau est en particulier un élément du noyau de A−1JA^{-1}J).
Ainsi il ne reste plus qu’une place pour une valeur propre de cette matrice, disons donc que 11 n’est pas valeur propre (cela peut aussi être −1-1.

Ainsi la matrice A−1J−InA^{-1}J-I_n est inversible donc, en multipliant par AA, on trouve que A−JA-J est inversible. Ce qui conclut.

Solution by ferntree

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Soit t≠0t \neq 0 et supposons A+tJA + t J singulière. Il existe x∈Rn\{0}x \in \mathbb{R}^{n} \backslash \{0\} tel que (A+tJ)x=0(A + t J) x = 0. En écrivant J=1n1nTJ = 1_{n} 1_{n}^{T}, avec 1n∈Rn1_{n} \in \mathbb{R}^{n} le vecteur dont tous les coefficients sont égaux à 11, on obtient Ax+t⟨1n,x⟩1n=0A x + t \langle 1_{n}, x\rangle 1_{n} = 0. En appliquant A−1A^{-1} à l’égalité ci-dessus, on obtient x+t⟨1n,x⟩A−11n=0x + t \langle 1_{n}, x\rangle A^{-1} 1_{n} = 0. En prenant le produit scalaire contre le vecteur 1n1_{n}, on arrive à ⟨1n,x⟩(1+t⟨1n,A−1,1n⟩)=0\langle 1_{n}, x\rangle(1 + t \langle 1_{n}, A^{-1}, 1_{n}\rangle) = 0. Si⟨1n,x⟩=0\langle 1_{n}, x\rangle = 0, alors le fait que Ax+t⟨1n,x⟩1n=0A x + t \langle 1_{n}, x\rangle 1_{n} = 0 donne Ax=0A x = 0. Comme AA est inversible, on en déduit x=0x = 0, ce qui est absurde. Donc ⟨1n,x⟩≠0\langle 1_{n}, x\rangle \neq 0 et ⟨1n,A−11n⟩=−t−1\langle 1_{n}, A^{-1} 1_{n}\rangle = -t^{-1}.

Le raisonnement ci-dessus appliqué à t=±1t = \pm 1 donne la contradiction ⟨1n,A−11n⟩=1\langle 1_{n}, A^{-1} 1_{n}\rangle = 1 et ⟨1n,A−11n⟩=−1\langle 1_{n}, A^{-1} 1_{n}\rangle = -1.

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