Méthodes

Comment étudier l’inversibilité d’une matrice ?

Une méthode en 4 questions réflexes pour décider vite si \(A\) est inversible (et pourquoi)

Thème : Algèbre
Chapitre : Calcul matriciel
Année : ECG1, ECG2
Option : Maths appliquées, Maths approfondies

Pour déterminer efficacement si une matrice carrée \(A \in \mathcal{M}_n(\mathbb{R})\) est inversible, il est essentiel de choisir le bon critère en fonction de la forme de la matrice et des informations dont on dispose.

Les questions réflexes

Pour étudier l’inversibilité d’une matrice, on se pose toujours les questions dans le même ordre. Chaque question correspond à un critère simple, adapté à une situation précise.


La matrice \(A\) est-elle carrée d’ordre 2 ?

Démarche

Si \( A= \begin{pmatrix} a & b\\ c & d \end{pmatrix} \) est une matrice carrée d’ordre \(2\), le plus rapide pour étudier l’inversibilité de \(A\) est de calculer son déterminant.

\[ A \text{ est inversible} \;\Longleftrightarrow\; \det(A)\neq 0 \]

où \( \det(A)=ad-bc. \)

Exemple

Soit

\[ A= \begin{pmatrix} 2+\lambda & 1\\ 3 & \lambda \end{pmatrix}. \]

Déterminer, selon la valeur du réel \(\lambda\), si la matrice \(A\) est inversible.

Corrigé.

La matrice \(A\) est une matrice carrée d’ordre \(2\). Le plus rapide pour étudier son inversibilité est donc de calculer son déterminant.

\[ \det(A) = (2+\lambda)\lambda-3 = \lambda^2+2\lambda-3. \]

La matrice \(A\) est inversible si et seulement si \(\det(A)\neq 0\), c’est-à-dire si et seulement si

\[ \lambda^2+2\lambda-3\neq 0. \]

On factorise :

\[ \lambda^2+2\lambda-3=(\lambda-1)(\lambda+3). \]

Ainsi,

\[ \det(A)=0 \;\Longleftrightarrow\; \lambda\in\{-3,1\}. \]

On en déduit que la matrice \(A\) est inversible pour tout réel \(\lambda\) différent de \(-3\) et de \(1\), et non inversible pour \(\lambda=-3\) ou \(\lambda=1\).


La matrice \(A\) est-elle diagonale, triangulaire ?

Démarche

Si \(A\) est une matrice diagonale ou triangulaire, l’étude de son inversibilité est immédiate : il suffit d’examiner ses coefficients diagonaux.

  • Si \(A=\mathrm{diag}(\lambda_1,\dots,\lambda_n)\), alors \(A\) est inversible si et seulement si \(\forall i\in\{1,\dots,n\},\ \lambda_i\neq 0\).
  • Si \(A\) est triangulaire, alors \(A\) est inversible si et seulement si tous ses coefficients diagonaux sont non nuls.

Erreur classique

  • Conclure sur l’inversibilité d’une matrice en regardant uniquement ses coefficients diagonaux alors que la matrice n’est pas triangulaire.

Exemple

Soit

\(A=\begin{pmatrix}2&-1&3\\0&1&4\\0&0&\lambda\end{pmatrix}\)

La matrice \(A\) est inversible si et seulement si \(\lambda\neq 0\).


La matrice \(A\) possède-t-elle une ligne ou une colonne nulle ?

Démarche

Si \(A\) possède une ligne entière nulle ou une colonne entière nulle, alors \(A\) n’est pas inversible.

  • Si une ligne de \(A\) est entièrement nulle, alors \(A\) n’est pas inversible.
  • Si une colonne de \(A\) est entièrement nulle, alors \(A\) n’est pas inversible.

Exemple

Soit

\(A=\begin{pmatrix}1&2&3\\0&0&0\\-1&4&5\end{pmatrix}\)

La deuxième ligne est nulle, donc \(A\) n’est pas inversible.


Une colonne (ou une ligne) de \(A\) peut-elle s’exprimer comme combinaison linéaire des autres ?

Démarche

Si une colonne (ou une ligne) de \(A\) s’écrit comme combinaison linéaire des autres, alors les colonnes (ou les lignes) sont liées et \(A\) n’est pas inversible.

Erreur classique

  • Affirmer que les colonnes (ou les lignes) forment une famille libre sans vérification.

Exemple

Soit

\(A=\begin{pmatrix}1&2&3\\2&4&6\\-1&1&2\end{pmatrix}\)

La deuxième colonne est égale à \(2\) fois la première, donc les colonnes sont liées et \(A\) n’est pas inversible.


Est-ce que je dispose d’un polynôme annulateur de \(A\) ?

Démarche

Si \(P\) est un polynôme annulateur de \( A\) (i.e. si \(P(A)=0\)), on peut souvent conclure rapidement quant à l'invisibilité de \( A \).

  • Si \( 0 \) n'est pas racine de \(P\), on peut isoler le coefficient constant et écrire \[ P(X)=XQ(X)+a \] avec \(a\neq 0\). En évaluant en \(A\), on obtient \[ AQ(A)+aI=0\] puis \[ A \left[ \frac{1}{a}\, Q(A) \right] = A \left[ \frac{1}{a}\, Q(A) \right] A = I \] ce qui prouve que \(A\) est inversible.

Attention

Si \(P\) admet \(0\) pour racine, on ne peut en général pas conclure directement.

Il est cependant fréquent que l’on puisse raisonner par l’absurde pour prouver que \( A \) n'est pas inversible : en supposant \(A\) inversible, on multiplie \(P(A)=0\) par \(A^{-1}\) pour obtenir une relation plus simple et manifestement fausse.

Exemple

Exemple 1

Soit \(A\) telle que

\(A^2+2A+3I=0\)

On a \(A(A+2I)+3I=0\), donc \(A\) est inversible.

Exemple 2

Soit \(A\) telle que

\(A^2+A=0\)

On suppose \(A\) inversible. En multipliant par \(A^{-1}\), on obtient \(A+I=0\), donc \(A=-I\). On en déduit que \(A\) est inversible si et seulement si \(A=-I\).


Puis-je résoudre l’équation \(AX=0\) ?

Démarche

Si aucune des questions précédentes ne permet de conclure rapidement, on revient au critère le plus général.

Si \(A\) est une matrice de \(\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\), alors

\[ A \text{ est inversible} \;\Longleftrightarrow\; \forall X \in \mathcal{M}_{n,1}(\mathbb{R}), \ (AX=0 \Rightarrow X=0). \]

Autrement dit, la matrice \(A\) est inversible si et seulement si l’équation matricielle \(AX=0\) n’admet que la solution triviale.

Pour appliquer ce critère en pratique, on procède toujours de la même manière :

  1. Poser \(X=\begin{pmatrix}x_1\\ \vdots\\ x_n\end{pmatrix}\).
  2. Écrire explicitement le système linéaire associé à l’équation \(AX=0\).
  3. Résoudre ce système (par élimination, pivot de Gauss, ou par équations successives lorsque c’est possible).
  4. Conclure : si la seule solution est la solution nulle, alors \(A\) est inversible ; sinon, \(A\) ne l’est pas.

Exemple

Étudions l’inversibilité de la matrice

\[ A= \begin{pmatrix} 1 & 1 & 0\\ 0 & 1 & 1\\ 1 & 0 & 1 \end{pmatrix}. \]

On résout l’équation \(AX=0\) avec \(X=\begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}\).

\[ \begin{align*} AX=0 &\Longleftrightarrow \begin{cases} x+y=0\\ y+z=0\\ x+z=0 \end{cases} \\ &\Longleftrightarrow \begin{cases} x=-y\\ z=-y\\ x+z=0 \end{cases} \\ &\Longleftrightarrow \begin{cases} x=-y\\ z=-y\\ -2y=0 \end{cases} \\ &\Longleftrightarrow x=y=z=0 \\ &\Longleftrightarrow X=0. \end{align*} \]

L’équation \(AX=0\) n’admet donc que la solution triviale. La matrice \(A\) est donc inversible.


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