En raison de limitations techniques, la typographie souhaitable du titre, « Exercice : Propriétés de la trace Trace et transposée de matrice/Exercices/Propriétés de la trace », n'a pu être restituée correctement ci-dessus.
Exercice 1-1
Soient un -espace vectoriel et une application linéaire invariante par similitude, c'est-à-dire telle que pour toutes matrices avec inversible, .
Montrer que si alors , où est la notation usuelle pour les matrices de la base canonique de .
En déduire qu'il existe tel que .
En déduire que si est une application linéaire vérifiant , alors il existe tel que .
Solution
Les matrices (pour ), et sont semblables car elles ont une droite propre pour la valeur 1 et supplémentaire de leur noyau (elles sont mêmes semblables par des matrices de passage inversibles dans les matrices à coefficients entiers).
Soit . Pour toute matrice , on a .
Une telle application vérifie en particulier (pour toutes matrices avec inversible) , ce qui permet d'appliquer la question précédente.
Exercice 1-2
a/ Soient f et g deux formes linéaires sur un K-e.v. E. Montrer que si Ker(g) ⊂ Ker(f) alors f est colinéaire à g. (Remarque : la réciproque est immédiate.)
b/ En déduire que si une forme linéaire f sur Mn(K) vérifie :
∀ A, B ∈ Mn(K) f(AB) = f(BA), alors il existe α ∈ K tel que f = α Tr.
Solution
a/ Supposons Ker(g) ⊂ Ker(f). Si g = 0 alors Ker(g) = E donc f = 0 = 0g. Supposons maintenant g ≠ 0. Il existe alors un vecteur e ∈ E tel que g(e) = 1. Posons α = f(e) et vérifions que f = α g.
f et α g coïncident à la fois sur e et (par hypothèse) sur ker(g).
Or im(g) = K donc (d'après l'isomorphisme fondamental qui permet de démontrer le théorème du rang) la droite engendrée par e est un supplémentaire de Ker(g).
Par conséquent, f et α g coïncident sur E tout entier.
b/ Il suffit, d’après le a/, de montrer que Ker(Tr) ⊂ Ker(f). Pour cela, vérifions que f s'annule sur toutes les matrices de la base de Ker(Tr) de la propriété 6. On a :