Soit un entier naturel non nul et un entier tel que .
On considère une suite de matrices de convergeant vers une matrice .
On suppose que, pour tout entier , on a .
Montrer que le rang de la matrice limite vérifie l'inégalité :
Utiliser la caractérisation du rang par les mineurs : une matrice est de rang inférieur ou égal à si et seulement si tous ses mineurs d'ordre sont nuls.
Un mineur est une fonction polynomiale des coefficients de la matrice, ce qui assure sa continuité.
Caractérisation du rang par l'annulation des mineurs.
Continuité des applications "mineurs" (fonctions polynomiales des coefficients).
Stabilité du passage à la limite pour les égalités larges.
Résolution.
Soit . Rappelons qu'un mineur d'ordre de est le déterminant d'une sous-matrice carrée de taille obtenue en conservant lignes et colonnes de .
D'après le cours sur le rang, on dispose de la caractérisation suivante :
Soit un choix de indices de lignes et un choix de indices de colonnes.
On note le mineur correspondant de la matrice .
L'application est une fonction polynomiale des coefficients de la matrice.
En tant que telle, elle est continue sur muni de sa topologie d'espace vectoriel normé de dimension finie.
Par hypothèse, pour tout , on a , ce qui implique en particulier :
Ainsi, pour tout couple d'extractions de taille , on a :
Puisque la suite converge vers et que l'application est continue, on peut passer à la limite dans l'égalité précédente :
Ce raisonnement étant valable pour tous les mineurs d'ordre de la matrice , on en déduit, par la caractérisation rappelée au début, que :
Le rang n'est pas une application continue ! On ne peut pas écrire . L'exercice montre d'ailleurs que le rang peut "chuter" à la limite, mais jamais augmenter.