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Soient nn un entier naturel non nul et deux matrices AA et BB appartenant à Mn(R)\mathcal{M}_{n}(\mathbb{R}).

On considère la matrice par blocs M∈M2n(R)M \in \mathcal{M}_{2n}(\mathbb{R}) définie par :

M=(AB−BA)M = \begin{pmatrix} A & B
-B & A \end{pmatrix}

Démontrer que le déterminant de la matrice MM est un réel positif ou nul : det⁡(M)⩾0\det(M) \geqslant 0.

1.

On pourra travailler dans M2n(C)\mathcal{M}_{2n}(\mathbb{C}) et effectuer des opérations élémentaires sur les colonnes et les lignes par blocs.

2.

Chercher à faire apparaître les matrices A+iBA+iB et A−iBA-iB au sein d'une structure triangulaire par blocs.

3.

Utiliser le fait que pour toute matrice complexe ZZ, on a det⁡(Z‾)=det⁡(Z)‾\det(\overline{Z}) = \overline{\det(Z)}.

Idées clés

•

Complexification de l'espace des matrices.

•

Opérations élémentaires par blocs (qui conservent le déterminant).

•

Propriété du déterminant de la conjuguée d'une matrice.

Résolution.

Considérons la matrice M=(AB−BA)M = \begin{pmatrix} A & B
-B & A \end{pmatrix}
comme un élément de M2n(C)\mathcal{M}_{2n}(\mathbb{C}).

Nous allons effectuer des opérations élémentaires sur les colonnes, puis sur les lignes, pour transformer MM en une matrice triangulaire par blocs.

Étape 1 : Opérations sur les colonnes.

Pour chaque indice j∈{1,…,n}j \in \{1, \dots, n\}, on effectue l'opération sur les colonnes suivante :

Cj←Cj+iCn+jC_j \leftarrow C_j + i C_{n+j}

Cela revient à multiplier MM à droite par une matrice de transvection par blocs de déterminant 11. Le déterminant est donc inchangé :

det⁡(M)=det⁡(A+iBB−B+iAA)\det(M) = \det \begin{pmatrix} A + iB & B
-B + iA & A \end{pmatrix}

Remarquons que dans le bloc inférieur gauche, nous avons :

−B+iA=i(A+iB)-B + iA = i(A + iB)

L'égalité précédente devient donc :

det⁡(M)=det⁡(A+iBBi(A+iB)A)\det(M) = \det \begin{pmatrix} A + iB & B
i(A + iB) & A \end{pmatrix}

Étape 2 : Opérations sur les lignes.

Effectuons maintenant l'opération sur les lignes suivante pour chaque j∈{1,…,n}j \in \{1, \dots, n\} :

Ln+j←Ln+j−iLjL_{n+j} \leftarrow L_{n+j} - i L_j

Le déterminant reste inchangé, et on obtient une forme triangulaire supérieure par blocs :

det⁡(M)=det⁡(A+iBB0A−i(B))\det(M) = \det \begin{pmatrix} A + iB & B
0 & A - i(B) \end{pmatrix}

En effet, le bloc en bas à droite devient A−i(B)A - i(B) car :

A−i(B)=A−iBA - i(B) = A - iB

Étape 3 : Calcul du déterminant par blocs.

La matrice obtenue est triangulaire par blocs. Son déterminant est le produit des déterminants des blocs diagonaux :

det⁡(M)=det⁡(A+iB)×det⁡(A−iB)\det(M) = \det(A + iB) \times \det(A - iB)

Puisque les matrices AA et BB sont à coefficients réels, la matrice A−iBA-iB est la conjuguée de la matrice A+iBA+iB (élément par élément). On sait que pour toute matrice Z∈Mn(C)Z \in \mathcal{M}_n(\mathbb{C}), det⁡(Z‾)=det⁡(Z)‾\det(\overline{Z}) = \overline{\det(Z)}.

En posant z=det⁡(A+iB)∈Cz = \det(A + iB) \in \mathbb{C}, on a alors :

det⁡(A−iB)=z‾\det(A - iB) = \overline{z}

D'où l'expression finale :

det⁡(M)=zz‾=∣z∣2\boxed{ \det(M) = z \overline{z} = |z|^2 }

Conclusion.

Comme le carré du module d'un nombre complexe est toujours un réel positif ou nul, on en déduit :

det⁡(M)⩾0\boxed{ \det(M) \geqslant 0 }

Une erreur classique consiste à vouloir appliquer la formule "det⁡=AD−BC\det = AD-BC" par blocs. Rappelons que det⁡(ABCD)=det⁡(AD−BC)\det \begin{pmatrix} A & B
C & D \end{pmatrix} = \det(AD-BC)
n'est vrai que si les blocs commutent (par exemple si CC et DD commutent). Ici, AA et BB ne commutent pas nécessairement, donc cette formule simplifiée est inapplicable.