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Exercice corrigé : Matrices de permutation (type CCINP)

Lien entre permutations et déterminantCalcul matriciel avec les symboles de KroneckerEffet d'une permutation sur une forme alternéeCritère d'inversibilité

On note $(E_1,\dots,E_n)$ la base canonique $\mathcal B_c$ de $\mathbb R^n$. Pour $\sigma\in\mathcal S_n$, on note $P_\sigma\in\mathcal M_n(\mathbb R)$ la matrice de colonnes $E_{\sigma(1)},\dots,E_{\sigma(n)}$, c'est-à-dire $(P_\sigma)_{ij}=\delta_{i,\sigma(j)}$.

  1. Montrer que $P_\sigma E_k=E_{\sigma(k)}$ pour tout $k$, puis que $P_\sigma P_{\sigma'}=P_{\sigma\sigma'}$. En déduire que $P_\sigma$ est inversible d'inverse $P_{\sigma^{-1}}$.
  2. Montrer que $\det P_\sigma=\varepsilon(\sigma)$.
  3. Montrer que $P_\sigma^T=P_{\sigma^{-1}}$.
  4. Soit $A=(a_{ij})\in\mathcal M_n(\mathbb R)$. Montrer que $P_\sigma^TAP_\sigma=(a_{\sigma(i)\sigma(j)})_{1\leqslant i,j\leqslant n}$, puis que $\det(a_{\sigma(i)\sigma(j)})=\det A$.
  5. a) Pour $\sigma=(1\ 2\ 3)\in\mathcal S_3$, écrire $P_\sigma$ et calculer $\det(I_3+P_\sigma)$. b) Pour $\tau=(1\ 2\ 3\ 4)\in\mathcal S_4$, calculer $P_\tau X$ pour $X=E_1-E_2+E_3-E_4$ et en déduire $\det(I_4+P_\tau)$.

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