Soit et une matrice à coefficients entiers.
Démontrer que est inversible dans (c'est-à-dire qu'il existe une matrice telle que ) si et seulement si son déterminant vérifie :
Pour le sens direct, utilisez la propriété du déterminant d'un produit de matrices et exploitez le fait que le déterminant d'une matrice à coefficients entiers est lui-même un entier.
Pour le sens réciproque, exprimez l'inverse de à l'aide de la transposée de sa comatrice. Observez la nature des coefficients de cette dernière.
Morphisme de déterminant : .
Anneau des entiers : les seuls éléments inversibles de sont et .
Formule de la comatrice pour l'inversion explicite.
Résolution.
Considérons une matrice . Notons que le déterminant de est une somme finie de produits de ses coefficients.
Puisque les coefficients de sont tous dans , par stabilité de pour l'addition et la multiplication, on a :
1. Sens direct () :
Supposons que possède un inverse . Par définition, nous avons l'égalité :
En appliquant le déterminant à cette égalité, nous obtenons :
D'après le théorème de multiplicativité du déterminant, il vient :
Comme et sont à coefficients entiers, et sont deux nombres entiers. Or, les seuls entiers dont le produit vaut sont et .
On en déduit donc le résultat nécessaire :
2. Sens réciproque () :
Supposons maintenant que . Puisque son déterminant est non nul, la matrice est inversible dans (ou ).
L'expression générale de l'inverse d'une matrice fait intervenir sa comatrice :
Analysons les termes de cette formule :
Ainsi, , et par conséquent sa transposée également :
Enfin, puisque vaut soit , soit , le facteur est égal à lui-même (qui appartient à ).
Par produit d'un scalaire entier et d'une matrice à coefficients entiers, on conclut :
Attention à ne pas oublier de justifier que . Bien que cela semble évident, c'est l'argument qui permet de restreindre les valeurs possibles du déterminant aux unités de .