Module

Produit de matrices carrées

Domaine
Algèbre

Produit de matrices carrées

Propriété Produit interne des matrices carrées

Le produit matriciel est une loi de composition interne sur \(\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\) :

\[\forall(A,B)\in\left(\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\right)^2,\quad AB\in\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\]

Remarque Commutativité de deux matrices carrées

Dans ce cas, les produits matriciels \(AB\) et \(BA\) existent toujours mais, en général, ils ne sont pas égaux.

On dit que \(A\) et \(B\) commutent si on a \(AB=BA\).

Propriété Associativité, distributivité et élément neutre

Le produit matriciel est associatif dans \(\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\) et distributif par rapport à l’addition :

\[\forall(A,B,C)\in\left(\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\right)^3,\qquad(AB)C=A(BC)\]
\[A(B+C)=AB+AC\]
\[(A+B)C=AC+BC\]

Le produit matriciel admet, dans \(\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\), un élément neutre noté \(I_n\) :

\[\forall A\in\mathcal{M}_n(\mathbb{R}),\qquad I_nA=AI_n=A\]

Exercice Factorisation et développement d’expressions matricielles réservé aux comptes

Remarques Remarques

Remarque Commutativité avec la matrice identité

Toute matrice de \(\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\) commute avec \(I_n\).

Remarque Produit de matrices triangulaires

Le produit de deux matrices triangulaires supérieures (respectivement inférieures) est une matrice triangulaire supérieure (respectivement inférieure).

Remarque Produit de matrices diagonales

Le produit de deux matrices diagonales est une matrice diagonale.

Remarque Produit nul

L’égalité \(AB=O\) n’implique pas \(A=O\) ou \(B=O\).

Remarque Puissances d’une matrice carrée

Soit \(A\in\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\). On pose :

\[A^0=I_n\qquad\text{et}\qquad\forall n\in\left[\!\left[1,+\infty\right]\!\right],\quad A^n=\underbrace{A\cdots A}_{n\ \text{termes}}\]

On a :

\[\forall n\in\mathbb{N},\quad A^{n+1}=AA^n=A^nA\]
\[\forall(n,p)\in\mathbb{N}^2,\quad A^nA^p=A^{n+p},\qquad\left(A^n\right)^p=A^{np}\]

D’une manière générale, on a :

\[\forall(A,B)\in\left(\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\right)^2,\ \forall n\in\mathbb{N},\quad(AB)^n\ne A^nB^n\]

Exercice Puissances d’une matrice triangulaire réservé aux comptes

Exercice Puissances d’une matrice triangulaire unipotente réservé aux comptes

Propriété Binôme et différence de carrés de matrices

Soit \((A,B)\in\left(\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\right)^2\). On suppose que \(AB=BA\).

\[\forall n\in\mathbb{N},\qquad(AB)^n=A^nB^n\]
\[\forall n\in\mathbb{N},\qquad(A+B)^n=\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}A^{n-k}B^k=\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}A^kB^{n-k}\]
\[A^2-B^2=(A+B)(A-B)\]

Exercice Puissances de sommes et différences de matrices commutatives réservé aux comptes

Exercice Puissances d’une matrice décalée réservé aux comptes