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Soit nn un entier naturel non nul et pp un entier tel que 0pn0 \leq p \leq n.

On considère une suite de matrices (Ak)kN(A_k)_{k \in \mathbb{N}} de Mn(C)\mathcal{M}_n(\mathbb{C}) convergeant vers une matrice AMn(C)A \in \mathcal{M}_n(\mathbb{C}).

On suppose que, pour tout entier kNk \in \mathbb{N}, on a rg(Ak)=p\operatorname{rg}(A_k) = p.

Montrer que le rang de la matrice limite AA vérifie l'inégalité :

rg(A)p\operatorname{rg}(A) \leq p

1.

Utiliser la caractérisation du rang par les mineurs : une matrice est de rang inférieur ou égal à pp si et seulement si tous ses mineurs d'ordre p+1p+1 sont nuls.

2.

Un mineur est une fonction polynomiale des coefficients de la matrice, ce qui assure sa continuité.

Idées clés

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 MMn(C)M \in \mathcal{M}_n(\mathbb{C}). Rappelons qu'un mineur d'ordre rr de MM est le déterminant d'une sous-matrice carrée de taille r×rr \times r obtenue en conservant rr lignes et rr colonnes de MM.

D'après le cours sur le rang, on dispose de la caractérisation suivante :

rg(M)p    tous les mineurs d’ordre p+1 de M sont nuls\operatorname{rg}(M) \leq p \iff \text{tous les mineurs d'ordre } p+1 \text{ de } M \text{ sont nuls}

Soit σ=(i1,,ip+1)\sigma = (i_1, \dots, i_{p+1}) un choix de p+1p+1 indices de lignes et τ=(j1,,jp+1)\tau = (j_1, \dots, j_{p+1}) un choix de p+1p+1 indices de colonnes.

On note Δσ,τ(M)\Delta_{\sigma, \tau}(M) le mineur correspondant de la matrice MM.

L'application Δσ,τ:Mn(C)C\Delta_{\sigma, \tau} : \mathcal{M}_n(\mathbb{C}) \to \mathbb{C} est une fonction polynomiale des coefficients de la matrice.

En tant que telle, elle est continue sur Mn(C)\mathcal{M}_n(\mathbb{C}) muni de sa topologie d'espace vectoriel normé de dimension finie.

Par hypothèse, pour tout kNk \in \mathbb{N}, on a rg(Ak)=p\operatorname{rg}(A_k) = p, ce qui implique en particulier :

rg(Ak)p\operatorname{rg}(A_k) \leq p

Ainsi, pour tout couple d'extractions (σ,τ)(\sigma, \tau) de taille p+1p+1, on a :

kN,Δσ,τ(Ak)=0\forall k \in \mathbb{N},   \Delta_{\sigma, \tau}(A_k) = 0

Puisque la suite (Ak)kN(A_k)_{k \in \mathbb{N}} converge vers AA et que l'application Δσ,τ\Delta_{\sigma, \tau} est continue, on peut passer à la limite dans l'égalité précédente :

Δσ,τ(A)=limk+Δσ,τ(Ak)=0\Delta_{\sigma, \tau}(A) = \lim_{k \to +\infty} \Delta_{\sigma, \tau}(A_k) = 0

Ce raisonnement étant valable pour tous les mineurs d'ordre p+1p+1 de la matrice AA, on en déduit, par la caractérisation rappelée au début, que :

rg(A)p\boxed{\operatorname{rg}(A) \leq p}

Le rang n'est pas une application continue ! On ne peut pas écrire limrg(Ak)=rg(limAk)\lim \operatorname{rg}(A_k) = \operatorname{rg}(\lim A_k). L'exercice montre d'ailleurs que le rang peut "chuter" à la limite, mais jamais augmenter.