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Fiche de coursOption de QRC — catégorie A

Calcul matriciel, déterminants, diagonalisation, trigonalisation

19 min de lectureAu programme du concours d’inspecteur des Finances publiques

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Vrai ou faux ?

Le produit matriciel A × B est toujours égal à B × A.

Une matrice condense un système d'équations ou une application linéaire en un tableau de nombres, sur lequel des opérations calculables remplacent un raisonnement géométrique. Cette fiche couvre, pour l'option de l'épreuve 2 d'inspecteur, le produit matriciel, le déterminant et l'inversibilité, puis la réduction : valeurs propres, diagonalisation, trigonalisation. Elle traite les deux niveaux sur des matrices 2 × 2 et 3 × 3, avec chaque résultat recalculé, puis la question de réduction du sujet de 2026 et le premier cas pratique du sujet zéro.

À retenir

  • Le produit matriciel A × B se calcule ligne par colonne ; il n'est en général pas commutatif, A × B différant de B × A même pour deux matrices carrées de même taille.
  • Une matrice carrée est inversible s'il existe une matrice B telle que A × B = B × A = I ; c'est équivalent à un déterminant non nul, à un rang égal à la taille de la matrice, et à l'absence de solution non nulle au système homogène associé.
  • Déterminant d'une matrice 2 × 2 de lignes (a ; b) et (c ; d) : a × d − b × c. Déterminant d'une matrice 3 × 3 par la règle de Sarrus : somme de trois produits diagonaux descendants, moins la somme de trois produits diagonaux montants.
  • Propriétés utiles : det(A × B) = det(A) × det(B), det de la transposée de A égale det(A), et un déterminant nul signale des lignes ou des colonnes liées, donc une matrice non inversible et un rang strictement inférieur à la taille.
  • La méthode du pivot résout un système linéaire en combinant les équations pour éliminer progressivement des inconnues ; elle donne directement le rang du système et le nombre de solutions, unique, infini ou nul.
  • Une valeur propre λ et un vecteur propre v non nul associés vérifient A × v = λ × v ; les valeurs propres sont les racines du polynôme caractéristique, det(A − λ × I).
  • Une matrice est diagonalisable quand la somme des dimensions de ses sous-espaces propres égale sa taille ; toute matrice symétrique réelle l'est toujours, et toute matrice complexe, même non diagonalisable, reste trigonalisable.

Produit matriciel, déterminant et inversibilité

Le terme en ligne i, colonne j du produit A × B s'obtient en combinant la ligne i de A avec la colonne j de B, terme à terme puis en additionnant. Cette construction n'est pas symétrique en A et B : rien n'assure que A × B égale B × A, et c'est en général faux, même pour deux matrices carrées de même taille — le produit matriciel n'est pas commutatif.

Soit A la matrice de lignes (1 ; 2) et (0 ; 1), et B la matrice de lignes (1 ; 0) et (1 ; 1). Le produit A × B a pour terme en ligne 1, colonne 1 : 1×1 + 2×1 = 3 ; en ligne 1, colonne 2 : 1×0 + 2×1 = 2 ; en ligne 2, colonne 1 : 0×1 + 1×1 = 1 ; en ligne 2, colonne 2 : 0×0 + 1×1 = 1. Donc A × B a pour lignes (3 ; 2) et (1 ; 1). Le produit B × A donne, par le même calcul, les lignes (1 ; 2) et (1 ; 3). Les deux résultats diffèrent.

Un QCM inverse parfois seulement l'ordre du produit : vérifier toujours quelle matrice multiplie laquelle avant de recopier une formule.

Confusions fréquentes

Le produit matriciel n'est pas commutatif
A × B et B × A peuvent différer, comme le montre l'exemple ci-dessus ; l'ordre des facteurs se conserve à chaque étape d'un calcul.
Déterminant nul ne signifie pas matrice nulle
Une matrice non nulle peut avoir un déterminant nul, dès que deux lignes ou deux colonnes sont liées ; c'est ce qui signale la non-inversibilité, pas une matrice remplie de zéros.
Propriétés utiles du déterminant
PropriétéÉnoncé
Produitdet(A × B) égale det(A) × det(B)
Transposéedet de la transposée de A égale det(A)
Inversibilitédet(A) = 0 équivaut à un rang strictement inférieur à la taille de A
Facteur scalairedet(k × A) égale k puissance n multiplié par det(A), pour une matrice n × n

Le déterminant d'une matrice 2 × 2 de lignes (a ; b) et (c ; d) vaut a×d − b×c. Pour la matrice de lignes (4 ; 3) et (2 ; 5) : 4×5 − 3×2 = 20 − 6 = 14, non nul, la matrice est inversible. Pour la matrice de lignes (2 ; 4) et (1 ; 2) : 2×2 − 4×1 = 4 − 4 = 0 ; la première ligne égale deux fois la seconde, les lignes sont liées, la matrice n'est pas inversible.

Repérer une ligne multiple d'une autre dispense souvent de calculer : le déterminant sera nul.

La règle de Sarrus calcule le déterminant d'une matrice 3 × 3 en recopiant ses deux premières colonnes à droite, puis en additionnant les trois produits diagonaux descendants et en soustrayant les trois produits diagonaux montants. Pour la matrice de lignes (1 ; 2 ; 0), (0 ; 1 ; 3) et (2 ; 1 ; 1) : les diagonales descendantes donnent 1×1×1 = 1, 2×3×2 = 12 et 0×0×1 = 0, soit une somme de 13 ; les diagonales montantes donnent 0×1×2 = 0, 1×3×1 = 3 et 2×0×1 = 0, soit une somme de 3. Le déterminant vaut 13 − 3 = 10 : la matrice est inversible.

Un contrôle utile : recalculer le même déterminant par développement selon la première ligne, pour vérifier le résultat obtenu par Sarrus.

Pour une matrice carrée A de taille n, quatre affirmations sont équivalentes : A est inversible ; det(A) est non nul ; le rang de A vaut n ; le système homogène A × X = 0 n'a que la solution nulle. Vérifier l'une suffit à établir les trois autres, ce qui permet de choisir la méthode la plus rapide selon la matrice donnée.

Rang, systèmes linéaires et méthode du pivot

La méthode du pivot résout un système linéaire en combinant les équations pour faire apparaître des zéros sous la diagonale, une inconnue après l'autre : on choisit une équation comme pivot, on l'utilise pour éliminer cette inconnue des équations suivantes, puis on répète sur les équations restantes. Le nombre d'équations non nulles obtenues à la fin donne le rang du système, et ce rang, comparé au nombre d'inconnues, détermine le nombre de solutions.

Le système x + y + z = 6, 2x − y + z = 3, x + 2y − z = 2 s'élimine ainsi : la deuxième équation moins deux fois la première donne −3y − z = −9, soit 3y + z = 9 ; la troisième moins la première donne y − 2z = −4. En tirant z = 9 − 3y de la première équation réduite et en le reportant dans la seconde, y − 2(9 − 3y) = −4, soit 7y = 14, donc y = 2, puis z = 9 − 6 = 3, puis x = 6 − 2 − 3 = 1. Vérification dans la deuxième équation de départ : 2×1 − 2 + 3 = 3. Le système a pour unique solution (1 ; 2 ; 3) : sa matrice est de rang 3, plein rang pour trois inconnues.

Vérifier la solution dans une équation qui n'a pas servi au pivot — ici la deuxième — attrape la plupart des erreurs de combinaison.
Rang du système et nombre de solutions
SituationNombre de solutions
Rang égal au nombre d'inconnuesSolution unique
Rang inférieur, système compatibleUne infinité de solutions
Rang inférieur, système incompatibleAucune solution

Valeurs propres, diagonalisation et trigonalisation

Un réel λ est valeur propre d'une matrice carrée A quand il existe un vecteur v non nul tel que A × v = λ × v ; v est alors un vecteur propre associé à λ. Les valeurs propres sont exactement les racines du polynôme caractéristique de A, det(A − λ × I), et le sous-espace propre associé à λ est l'ensemble des solutions de (A − λ × I) × v = 0. Pour une matrice triangulaire, det(A − λ × I) est le produit des (aᵢᵢ − λ) : ses valeurs propres sont ses termes diagonaux.

Soit A la matrice symétrique de lignes (2 ; 1) et (1 ; 2). Son polynôme caractéristique vaut (2 − λ)² − 1, qui se développe en λ² − 4λ + 3 et se factorise en (λ − 1)(λ − 3) : les valeurs propres sont 1 et 3. Pour λ = 3, (2 − 3)v1 + v2 = 0 donne v1 = v2 : le vecteur propre (1 ; 1) convient. Pour λ = 1, (2 − 1)v1 + v2 = 0 donne v1 = −v2 : le vecteur propre (1 ; −1) convient. A étant symétrique réelle, elle est diagonalisable, et ces deux vecteurs propres sont orthogonaux : leur produit scalaire vaut 1×1 + 1×(−1) = 0.

L'orthogonalité des vecteurs propres d'une matrice symétrique n'est pas un hasard : c'est le théorème spectral, revu en détail avec le produit scalaire.
Quand une matrice est-elle diagonalisable ?
CasDiagonalisable ?Exemple
Valeurs propres distinctes en nombre égal à la tailleToujoursLignes (2 ; 1) et (1 ; 2), valeurs propres 1 et 3
Valeur propre multiple, sous-espace propre de même dimensionOuiLa matrice identité, ou une matrice déjà diagonale
Valeur propre multiple, sous-espace propre plus petitNon, seulement trigonalisableLignes (1 ; 1) et (0 ; 1), valeur propre 1 double, sous-espace de dimension 1
Matrice symétrique réelleToujours, dans une base orthonorméeLignes (2 ; 1) et (1 ; 2)

Confusions fréquentes

Un vecteur propre est par définition non nul
Le vecteur nul vérifie trivialement A × 0 = λ × 0 pour tout λ, ce qui n'apprend rien ; 0 peut être valeur propre, mais le vecteur propre associé, lui, ne l'est jamais.
Diagonalisable n'est pas automatique
Il faut que le polynôme caractéristique soit scindé et que, pour chaque valeur propre, la dimension du sous-espace propre égale l'ordre de la racine dans le polynôme caractéristique ; quand il est scindé sans que cette égalité tienne, la matrice n'est que trigonalisable. Sur R, la rotation de lignes (0 ; −1) et (1 ; 0), sans valeur propre réelle, n'est même pas trigonalisable.

Soit B la matrice de lignes (1 ; 1) et (0 ; 1). Son polynôme caractéristique vaut (1 − λ)², une racine double λ = 1. Le sous-espace propre associé vérifie (1 − 1)v1 + v2 = 0, soit v2 = 0 : il est engendré par le seul vecteur (1 ; 0), de dimension 1, inférieure à l'ordre 2 de la racine. B n'est donc pas diagonalisable ; elle est déjà sous forme triangulaire, donc trigonalisable sans aucun calcul supplémentaire.

Toute matrice carrée complexe est trigonalisable, sans condition : c'est ce qui distingue la trigonalisation, toujours possible, de la diagonalisation, conditionnelle.

Diagonaliser une matrice A revient à l'écrire A = P × D × P⁻¹, où D est diagonale et P rassemble en colonnes une base de vecteurs propres. L'intérêt pratique tient aux puissances : A puissance n égale P × D puissance n × P⁻¹, et D puissance n s'obtient en élevant chaque terme diagonal à la puissance n, ce qui évite de répéter n fois le produit matriciel.

Pour A de lignes (2 ; 1) et (1 ; 2), le calcul direct de A² donne, ligne 1 : 2×2 + 1×1 = 5 et 2×1 + 1×2 = 4 ; ligne 2 : 1×2 + 2×1 = 4 et 1×1 + 2×2 = 5 ; soit les lignes (5 ; 4) et (4 ; 5). Par la diagonalisation A = P × D × P⁻¹ avec D de termes diagonaux 3 et 1, la même valeur s'obtient en élevant 3 et 1 au carré, puis en repassant dans la base d'origine : les deux méthodes coïncident, ce qui confirme le calcul direct.

Sur une matrice 2 × 2, le calcul direct reste souvent le plus rapide ; la diagonalisation devient décisive dès que la puissance n grandit.

Exercice n° 3 du sujet de 2026, question 3 : A, matrice carrée d'ordre n ≥ 2 à 2 sur la diagonale et 1 ailleurs, s'écrit A = I + J, où J a tous ses coefficients égaux à 1. J est de rang 1 : son noyau, l'hyperplan x₁ + x₂ + … + xₙ = 0, de dimension n − 1, est son sous-espace propre pour la valeur propre 0 ; et J·(1, 1, …, 1) = n·(1, 1, …, 1), valeur propre n. Comme A·v = v + J·v, A a les mêmes vecteurs propres, avec les valeurs propres 1 (d'ordre n − 1, l'hyperplan) et n + 1 (simple, la droite engendrée par (1, 1, …, 1)) ; les dimensions des sous-espaces propres font n − 1 + 1 = n. A étant symétrique réelle, le théorème spectral fournit P dans le groupe orthogonal Oₙ(R), dont les colonnes forment une base orthonormée de vecteurs propres (P⁻¹ = ᵗP), et D = diag(n + 1, 1, …, 1), telles que A = PDP⁻¹. Contrôles : la trace de A, 2n, égale (n + 1) + (n − 1) × 1, et det(A) = n + 1.

Une matrice de rang 1 a la valeur propre 0 d'ordre au moins n − 1 : c'est ce qui dispense de calculer un déterminant d'ordre n.

Cas pratique n° 1 du sujet zéro de l'option : u(P) = 3XP' + (X² − 1)P'' sur R₂[X], base (1, X, X²). u(1) = 0, u(X) = 3X et u(X²) = 3X·2X + (X² − 1)·2 = 8X² − 2 : la matrice de u a pour colonnes (0 ; 0 ; 0), (0 ; 3 ; 0) et (−2 ; 0 ; 8), soit les lignes (0 ; 0 ; −2), (0 ; 3 ; 0) et (0 ; 0 ; 8). Elle est triangulaire supérieure : ses valeurs propres sont ses termes diagonaux, 0, 3 et 8, distinctes, donc u est diagonalisable et chaque sous-espace propre est une droite. Ker u = Vect(1) ; E₃ = Vect(X) ; pour E₈, u(P) = 8P avec P = a + bX + cX² donne −2c = 8a et 3b = 8b, soit b = 0 et c = −4a : E₈ = Vect(1 − 4X²). Contrôle : u(1 − 4X²) = −4(8X² − 2) = 8(1 − 4X²).

Une matrice triangulaire livre ses valeurs propres sans calcul ; n valeurs propres distinctes suffisent à la diagonalisation.

Pour une réduction, toujours faire deux contrôles avant de conclure : la somme des valeurs propres doit égaler la somme des termes diagonaux de A, et leur produit doit égaler det(A) — ici 1 + 3 = 4, la somme des termes diagonaux de A, et 1 × 3 = 3 = det(A), puisque 2×2 − 1×1 = 3.

Se tester : vrai ou faux ?

Décidez si l’affirmation est vraie ou fausse, puis ouvrez le corrigé.

  1. 1.Le produit matriciel A × B est toujours égal à B × A.Voir le corrigé

    Faux

    Le produit matriciel n'est en général pas commutatif, comme le montrent deux matrices 2 × 2 simples dont les produits diffèrent selon l'ordre.

  2. 2.Un déterminant nul signale qu'une matrice carrée n'est pas inversible.Voir le corrigé

    Vrai

    Déterminant non nul et inversibilité sont deux formulations équivalentes de la même propriété pour une matrice carrée.

  3. 3.La règle de Sarrus permet de calculer le déterminant d'une matrice carrée 4 × 4.Voir le corrigé

    Faux

    Elle est propre aux matrices 3 × 3 : somme de trois produits diagonaux descendants moins la somme de trois produits diagonaux montants. Au-delà, le déterminant se calcule par développement selon une ligne ou une colonne.

  4. 4.Un vecteur propre associé à une valeur propre est nécessairement non nul.Voir le corrigé

    Vrai

    Le vecteur nul vérifie trivialement l'équation propre pour toute valeur de λ, ce qui ne fournit aucune information utile.

  5. 5.Toute matrice carrée réelle est diagonalisable.Voir le corrigé

    Faux

    Il faut que le polynôme caractéristique soit scindé sur R et que la multiplicité géométrique de chaque valeur propre égale sa multiplicité algébrique : la rotation de lignes (0 ; −1) et (1 ; 0), sans valeur propre réelle, ne l'est pas. Une matrice symétrique réelle l'est toujours, pas une matrice quelconque.

  6. 6.Toutes les matrices carrées complexes sont trigonalisables.Voir le corrigé

    Vrai

    La trigonalisation ne suppose aucune condition sur les valeurs propres, contrairement à la diagonalisation.

Textes de référence

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