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Soit nNn \in \mathbb{N}^* et MMn(Z)M \in \mathrm{M}_{n}(\mathbb{Z}) une matrice à coefficients entiers.

Démontrer que MM est inversible dans Mn(Z)\mathrm{M}_{n}(\mathbb{Z}) (c'est-à-dire qu'il existe une matrice NMn(Z)N \in \mathrm{M}_{n}(\mathbb{Z}) telle que MN=NM=InMN = NM = I_n) si et seulement si son déterminant vérifie :

det(M){1,1}\det(M) \in \{1, -1\}

1.

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.

2.

Pour le sens réciproque, exprimez l'inverse de MM à l'aide de la transposée de sa comatrice. Observez la nature des coefficients de cette dernière.

Idées clés

Morphisme de déterminant : det(AB)=det(A)det(B)\det(AB) = \det(A)\det(B).

Anneau des entiers : les seuls éléments inversibles de (Z,×)(\mathbb{Z}, \times) sont 11 et 1-1.

Formule de la comatrice pour l'inversion explicite.

Résolution.

Considérons une matrice MMn(Z)M \in \mathrm{M}_n(\mathbb{Z}). Notons que le déterminant de MM est une somme finie de produits de ses coefficients.

Puisque les coefficients de MM sont tous dans Z\mathbb{Z}, par stabilité de Z\mathbb{Z} pour l'addition et la multiplication, on a :

det(M)Z\det(M) \in \mathbb{Z}

1. Sens direct (\Rightarrow) :

Supposons que MM possède un inverse NMn(Z)N \in \mathrm{M}_n(\mathbb{Z}). Par définition, nous avons l'égalité :

MN=InMN = I_n

En appliquant le déterminant à cette égalité, nous obtenons :

det(MN)=det(In)\det(MN) = \det(I_n)

D'après le théorème de multiplicativité du déterminant, il vient :

det(M)×det(N)=1\det(M) \times \det(N) = 1

Comme MM et NN sont à coefficients entiers, det(M)\det(M) et det(N)\det(N) sont deux nombres entiers. Or, les seuls entiers dont le produit vaut 11 sont 11 et 1-1.

On en déduit donc le résultat nécessaire :

det(M){1,1}\boxed{\det(M) \in \{1, -1\}}

2. Sens réciproque (\Leftarrow) :

Supposons maintenant que det(M){1,1}\det(M) \in \{1, -1\}. Puisque son déterminant est non nul, la matrice MM est inversible dans Mn(R)\mathrm{M}_n(\mathbb{R}) (ou Mn(Q)\mathrm{M}_n(\mathbb{Q})).

L'expression générale de l'inverse d'une matrice fait intervenir sa comatrice :

M1=1det(M)tcom(M)M^{-1} = \frac{1}{\det(M)}   {}^t \text{com}(M)

Analysons les termes de cette formule :

  • Chaque coefficient de la comatrice com(M)\text{com}(M) est un cofacteur de MM, c'est-à-dire (au signe près) le déterminant d'une sous-matrice de MM de taille (n1)×(n1)(n-1) \times (n-1).
  • Comme MM est à coefficients entiers, toutes ses sous-matrices le sont aussi, et leurs déterminants sont donc des entiers.

Ainsi, com(M)Mn(Z)\text{com}(M) \in \mathrm{M}_n(\mathbb{Z}), et par conséquent sa transposée également :

tcom(M)Mn(Z){}^t \text{com}(M) \in \mathrm{M}_n(\mathbb{Z})

Enfin, puisque det(M)\det(M) vaut soit 11, soit 1-1, le facteur 1det(M)\frac{1}{\det(M)} est égal à det(M)\det(M) lui-même (qui appartient à Z\mathbb{Z}).

Par produit d'un scalaire entier et d'une matrice à coefficients entiers, on conclut :

M1Mn(Z)\boxed{M^{-1} \in \mathrm{M}_n(\mathbb{Z})}

Attention à ne pas oublier de justifier que det(M)Z\det(M) \in \mathbb{Z}. Bien que cela semble évident, c'est l'argument qui permet de restreindre les valeurs possibles du déterminant aux unités de Z\mathbb{Z}.