Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Un problème de vache

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Soit n≥1n \ge 1. On numérote les vaches et leurs masses de 1 à 2n+1 : on définit donc le vecteur des masses M=(mi)i∈[ ⁣[1,2n+1] ⁣]M=(m_{i})_{i \in [\![1,2n+1]\!]} associées à chacune des vaches. Si une vache est dans le groupe 1, on compte sa masse positivement et si elle est dans le groupe 2 on la compte négativement. Ainsi, comme les masses des 2 groupes sont égales, la somme des masse des 2 groupes fait 0. Puis on pose arbitrairement une matrice avec une diagonale de 0 et ses autres coefficients égals à ±1\pm 1 avec autant de +1 que de -1.
A=(01−1⋯110−1⋯−1⋮⋮⋱⋮1−11⋯0)[2n+1]A = {\begin{pmatrix} 0 & 1& -1&\cdots & 1\\ 1 & 0 &-1& \cdots & -1\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\ 1&-1& 1 & \cdots & 0\\ \end{pmatrix} } _{[2n+1]}

D’après l’énoncé, on a donc :

M∈ker⁡(A)\\M \in \ker(A). D’autre part, trivialement, le vecteur
(11⋮1)∈ker⁡(A){\begin{pmatrix} 1\\1\\ \vdots \\1 \end{pmatrix}} \in \ker(A). Montrons donc que rg(A)=2nrg (A)=2n. C’est-à-dire que une sous-matrice principale de A arbitrairement choisie, notée A∗A^{*}, doit être de déterminant non nulle. On choisit ici d’enlever la 1ère ligne et la première colonne : On calcule alors det⁡(A∗)=\det(A^{*}) =
[0−1⋯−110⋯1⋮⋮⋱⋮−11⋯0][2n]\left[ {\begin{array}{cccc} 0&-1 & \cdots & -1\\ 1 & 0 & \cdots & 1\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\ -1 & 1 & \cdots & 0\\ \end{array} } \right]_{[2n]}On se place modulo 2, ce qui donne : det⁡(A∗)=\det(A^{*})=
[01⋯110⋯1⋮⋮⋱⋮11⋯0][2n]\left[ {\begin{array}{cccc} 0& 1 & \cdots & 1\\ 1 & 0 & \cdots & 1\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\ 1 & 1& \cdots & 0\\ \end{array} } \right]_{[2n]}= det⁡(J2n−I2n\det(J_{2n}-I_{2n})
Avec Jk=(1)1≤i,j≤kJ_{k}=(1)_{1\le i,j \le k}. Or, ∀k∈N,k≥2,Jk∉GLn(R)\forall k \in \mathbb{N}, k \ge 2, J_{k} \notin GL_{n}(\mathbb{R}). Donc, au contraire, ∀n∈N,n≥2,(J2n−I2n)∈GLn(R)\forall n \in \mathbb{N},n \ge 2, (J_{2n}-I_{2n}) \in GL_{n}(\mathbb{R}) Donc, det⁡(A∗)≠0 mod[2].\det(A^{*}) \neq \text{0 mod[2]}. Donc, det(A∗)≠0 et par conseˊquentdim⁡(ker⁡(A))=1det (A^{*})\neq\text{0 et par conséquent} \dim( \ker(A))=1 Et donc M∈Vect(11⋮1)M \in Vect{\begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ \vdots\\ 1 \\\end{pmatrix} }. Ainsi, toutes les vaches ont la même masse.

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