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Leçon 32 — Opérations sur les matrices

Somme, multiplication par un scalaire, produit matriciel. La multiplication comme composition de transformations linéaires.

Used in: 1.º ano EM (álgebra linear elementar) · Equiv. Math I japonês cap. matrizes · Equiv. Klasse 11 alemã (Matrizen)

(AB)ij=k=1naikbkj(AB)_{ij} = \sum_{k=1}^{n} a_{ik} b_{kj}
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Rigorous notation, full derivation, hypotheses

Opérations

Somme et différence

Pour des matrices de même dimension : (A+B)ij=aij+bij(A + B)_{ij} = a_{ij} + b_{ij}

Multiplication par un scalaire

(αA)ij=αaij(\alpha A)_{ij} = \alpha \cdot a_{ij}

Produit matriciel

Défini uniquement quand le nombre de colonnes de AA = nombre de lignes de BB : Am×nBn×p=(AB)m×pA_{m \times n} \cdot B_{n \times p} = (AB)_{m \times p}

(AB)ij=k=1naikbkj\boxed{(AB)_{ij} = \sum_{k=1}^n a_{ik} b_{kj}}

Propriétés

  • Associative : (AB)C=A(BC)(AB)C = A(BC).
  • Distributive : A(B+C)=AB+ACA(B + C) = AB + AC.
  • NON commutative : en général ABBAAB \neq BA.
  • Identité : AI=IA=AAI = IA = A.
  • Nulle : AO=OA=OAO = OA = O.

Pourquoi le produit matriciel est « étrange »

Parce qu'il correspond à la composition de transformations linéaires : appliquer d'abord BB puis AA revient à appliquer ABAB. L'ordre compte car la composition compte.

Exercise list

30 exercises · 7 with worked solution (25%)

Application 20Understanding 2Modeling 6Challenge 1Proof 1
  1. Ex. 32.1Application
    Calcule (1234)+(5102)\begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 5 & -1 \\ 0 & 2 \end{pmatrix}.
  2. Ex. 32.2Application
    Calcule 3(2110)3 \cdot \begin{pmatrix} 2 & 1 \\ -1 & 0 \end{pmatrix}.
  3. Ex. 32.3Application
    Calcule (1234)(5678)\begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 5 & 6 \\ 7 & 8 \end{pmatrix}.
  4. Ex. 32.4Application
    Calcule (1234)(1001)\begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} — qu'obtient-on ?
  5. Ex. 32.5ApplicationAnswer key
    Calcule (1234)(0000)\begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}.
  6. Ex. 32.6ApplicationAnswer key
    Multiplie une matrice 2×32 \times 3 par une 3×23 \times 2 — quelle est la dimension du résultat ?
  7. Ex. 32.7Application
    Calcule (123456)(789)\begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 4 & 5 & 6 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 7 \\ 8 \\ 9 \end{pmatrix}.
  8. Ex. 32.8Application
    Vérifie que ABBAAB \neq BA pour A=(1101)A = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}, B=(1011)B = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 1 & 1 \end{pmatrix}.
  9. Ex. 32.9ApplicationAnswer key
    A2A^2 pour A=(0110)A = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}.
  10. Ex. 32.10Application
    (A+B)(A+B) vs (A2+2AB+B2)(A^2 + 2AB + B^2). Quand coïncident-ils ? (Quand AB=BAAB = BA.)
  11. Ex. 32.11Application
    Calcule (1234)2\begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix}^2.
  12. Ex. 32.12Application
    Multiplie (cosθsinθsinθcosθ)\begin{pmatrix} \cos\theta & -\sin\theta \\ \sin\theta & \cos\theta \end{pmatrix} par (10)\begin{pmatrix} 1 \\ 0 \end{pmatrix}.
  13. Ex. 32.13ApplicationAnswer key
    Calcule le produit (1000)(0001)\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}.
  14. Ex. 32.14Application
    Vérifie la distributivité : A(B+C)=AB+ACA(B+C) = AB + AC pour des matrices de ton choix.
  15. Ex. 32.15Application
    Pour A2×3A_{2 \times 3} et B3×4B_{3 \times 4}, dimension de ABAB ? Et de BABA ? (BABA n'existe pas.)
  16. Ex. 32.16Application
    Montre que ATBT=(BA)TA^TB^T = (BA)^T.
  17. Ex. 32.17Application
    Calcule (2003)(45)\begin{pmatrix} 2 & 0 \\ 0 & 3 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 4 \\ 5 \end{pmatrix}.
  18. Ex. 32.18Application
    Montre que le produit de deux matrices diagonales est diagonal.
  19. Ex. 32.19Application
    Calcule (1201)3\begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}^3.
  20. Ex. 32.20Application
    Pour quel AA a-t-on A2=AA^2 = A ? (Idempotente — projection.)
  21. Ex. 32.21ModelingAnswer key
    Dans une équipe, les joueurs marquent des buts GG et donnent des passes décisives AA. Multiplier par des valeurs : G3+A1G \cdot 3 + A \cdot 1 points. Modélise comme produit matriciel.
  22. Ex. 32.22Modeling
    Dans un réseau de neurones, couche y=Wx+b\mathbf{y} = W\mathbf{x} + \mathbf{b} — produit matriciel.
  23. Ex. 32.23Modeling
    Calcul de Markov : distribution π\pi' = πP\pi P — produit vecteur-matrice.
  24. Ex. 32.24Modeling
    Rotation dans le plan : (cosθsinθsinθcosθ)(xy)\begin{pmatrix} \cos\theta & -\sin\theta \\ \sin\theta & \cos\theta \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix} fait tourner (x,y)(x, y) de θ\theta.
  25. Ex. 32.25ModelingAnswer key
    Dans PageRank, le vecteur propre de la matrice de transition du web est le « classement » — produit itératif.
  26. Ex. 32.26Modeling
    Matrice de transformation affine en infographie : combine rotation + translation + échelle.
  27. Ex. 32.27Understanding
    Montre que multiplier par la matrice identité ne change rien. (Directement de la définition.)
  28. Ex. 32.28Understanding
    Montre que la matrice nulle multipliée donne la matrice nulle.
  29. Ex. 32.29Challenge
    Trouve A0A \neq 0 et B0B \neq 0 tels que AB=0AB = 0. (Ils existent — diviseurs de zéro !)
  30. Ex. 32.30ProofAnswer key
    Démontre l'associativité : (AB)C=A(BC)(AB)C = A(BC).

Sources de cette leçon

Updated on 2026-04-29 · Author(s): Clube da Matemática

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