Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Linear algebra

Une matrice pleine de péché

by FiniteField·
35
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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Français

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On considère la matrice A∈Mn(R)A\in M_n(\mathbb{R}) de coefficients ai,j=sin⁡(i+j).a_{i,j}=\sin(i+j). Déterminer rg(A)\mathrm{rg}(A) et en déduire det⁡(A).\det(A).

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  1. Oral Mines-Télécom filière MP-MPI 2024 (RMS 135-1 1404)
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Solution by FiniteField

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Commençons par traiter le cas n=1n=1, on a alors A=(sin⁡(2))A=(\sin(2)) de rang 11 car sin⁡(2)≠0\sin(2)\neq 0 et det⁡(A)=sin⁡(2).\det(A)=\sin(2). On suppose désormais que n⩾2n\geqslant2. Grâce à la formule sin⁡(a+b)=sin⁡(a)cos⁡(b)+cos⁡(a)sin⁡(b)\sin(a+b)=\sin(a)\cos(b)+\cos(a)\sin(b) on a
A=(sin⁡(i)cos⁡(j))1⩽i,j⩽n+(cos⁡(i)sin⁡(j))1⩽i,j⩽n=YXT+XYT.A=(\sin(i)\cos(j))_{1\leqslant i,j\leqslant n} +(\cos(i)\sin(j))_{1\leqslant i,j\leqslant n} =YX^T+XY^T.Toutes les colonnes de XYTXY^T sont des multiples non nuls de XX qui est également non nul si bien que rg⁡(XYT)=1\operatorname{rg}(XY^T)=1 et de même pour YXT.YX^T. On a alors
im⁡(A)=im⁡(XYT+YXT)⊂im⁡(XYT)+im⁡(YXT)⊂Vect⁡(X,Y).\operatorname{im}(A)=\operatorname{im}(XY^T+YX^T) \subset \operatorname{im}(XY^T)+\operatorname{im}(YX^T) \subset \operatorname{Vect}(X,Y).Ainsi le rang de AA est au plus 2.2. On remarque que le mineur 2×22\times 2 extraît des deux premières lignes et colonnes de AA est
∣sin⁡(2)sin⁡(3)sin⁡(3)sin⁡(4)∣=sin⁡(2)sin⁡(4)−sin⁡(3)2=cos⁡(4−2)−cos⁡(4+2)2−1−cos⁡(6)2=cos⁡(2)−12≠0.\begin{vmatrix} \sin(2) & \sin(3)\\ \sin(3) & \sin(4) \end{vmatrix} =\sin(2)\sin(4)-\sin(3)^2 =\dfrac{\cos(4-2)-\cos(4+2)}{2}-\dfrac{1-\cos(6)}{2} =\dfrac{\cos(2)-1}{2}\neq 0.Donc rg⁡(A)⩾2.\operatorname{rg}(A)\geqslant 2. On a alors rg⁡(A)=2\operatorname{rg}(A)=2 ce qui implique que det⁡(A)=0\det(A)=0 lorsque n⩾3n\geqslant 3 et det⁡(A)=cos⁡(2)−12\det(A)=\dfrac{\cos(2)-1}{2} si n=2n=2 (c’est le mineur qu’on vient de calculer).

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