Propriétés de l'ensemble des matrices carrées inversibles

Théorème

  1. Soit \(\lambda\) un scalaire quelconque non nul et \(\mathcal A\) une matrice inversible, élément de \(\mathcal M_n(\mathbf K)\). Alors la matrice \(\lambda\mathcal A\) est inversible et \(\displaystyle{(\lambda\mathcal A)^{-1}=\frac{1}{\lambda}\mathcal A^{-1}}\).

  2. Soient \(\mathcal A\) et \(\mathcal B\) deux éléments de \(\mathcal M_n(\mathbf K)\), inversibles. Alors la matrice \(\mathcal{AB}\) est inversible et \((\mathcal{AB})^{-1}=\mathcal B^{-1}\mathcal A^{-1}\) .

  3. Soit \(\mathcal A\) un élément de \(\mathcal M_n(\mathbf K)\) , inversible. Alors la matrice \({}^t\mathcal A\) est inversible et \(({}^t\mathcal A)^{-1}={}^t(\mathcal A^{-1})\).

  4. Soit \(\mathcal A\) un élément de \(\mathcal M_n(\mathbf K)\), inversible. La matrice \(\mathcal A^{-1}\) est inversible et son inverse est égale à \(\mathcal A\).

La preuve de ces formules est très simple : il suffit d'utiliser la définition de l'inverse d'une matrice et le fait que l'inverse est unique.

Remarque

On n'a aucun résultat sur la somme de matrices inversibles.

Pour s'en convaincre on peut considérer les deux exemples suivants :

  1. Soit \(\mathcal A \textrm{ et }\mathcal B\) les deux matrices et . On a déjà vu que \(\mathcal A\) est inversible. Comme \(\mathcal B\) peut s'écrire \(-\mathcal A\), la matrice \(\mathcal B\) est aussi inversible d'après la première propriété. Mais \(\mathcal A+\mathcal B=0\) n'est pas inversible.

  2. Par contre si l'on considère les matrices \(\mathcal A=\left(\begin{array}{cccccc}1&1\\0&1\end{array}\right)\) et \(\mathcal B=\left(\begin{array}{cccccc}2&2\\0&2\end{array}\right)\) , \(\mathcal B\) est inversible pour les mêmes raisons que dans l'exemple \(1)\), ainsi que la matrice \(\mathcal A+\mathcal B=\left(\begin{array}{cccccc}3&3\\0&3\end{array}\right)\).

" Simplification " par une matrice inversible

Si\( \mathcal M\) est une matrice de \(\mathcal M_n(\mathbf K)\) quelconque, la relation \(\mathcal{MA}=\mathcal{MB}\)\(\mathcal A\), et \(\mathcal B\) sont des éléments de \(\mathcal M_n(\mathbf K)\) n'entraîne pas forcément l'égalité \(\mathcal A=\mathcal B\).

Exemple

Complément :

Soit \(\mathcal A=\left(\begin{array}{cccccc}0&1\\0&0\end{array}\right) \textrm{ et }\mathcal B=\left(\begin{array}{cccccc}1&0\\0&0\end{array}\right)\) .

Ces matrices sont non nulles et pourtant \(\mathcal{AB}=\left(\begin{array}{cccccc}0&0\\0&0\end{array}\right)\) et \(\mathcal{AA}=\left(\begin{array}{cccccc}0&0\\0&0\end{array}\right)\) .

On peut donc avoir trois matrices \(\mathcal A, \mathcal B\) et \(\mathcal C\), éléments de \(\mathcal M_n(\mathbf K)\) telles que :

\(\mathcal{AB}=\mathcal{AC}\)

\(\mathcal A\neq0\)

\(\mathcal B\neq\mathcal C\)

Par contre, si \(\mathcal M\) est une matrice inversible de \(\mathcal M_n(\mathbf K)\), une telle situation ne peut se produire comme le prouve la proposition suivante :

Proposition" Simplification " par une matrice inversible

Soient\( \mathcal A\) et \(\mathcal B\) deux matrices de \(\mathcal M_n(\mathbf K)\) et \(\mathcal M\) une matrice inversible de \(\mathcal M_n(\mathbf K)\) .

Alors l'égalité \(\mathcal{MA}=\mathcal{MB}\) implique l'égalité \(\mathcal A=\mathcal B\).

On dit que \(\mathcal M\) est un élément régulier de\( \mathcal M_n(\mathbf K)\).

Ce résultat est immédiat : si on multiplie à gauche l'égalité \(\mathcal{MA}=\mathcal{MB}\) par\( \mathcal M^{-1}\) , on obtient l'égalité : \(\mathcal M^{-1}(\mathcal{MA})=\mathcal M^{-1}(\mathcal{MB})\).

Soit, en utilisant l'associativité du produit des matrices,\( (\mathcal M^{-1}\mathcal M)\mathcal A=(\mathcal M^{-1}\mathcal M)\mathcal B\)

ce qui donne d'après la définition de l'inverse\( \mathcal I_n\mathcal A=\mathcal I_n\mathcal B\) d'où \(\mathcal A=\mathcal B\).