Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Inégalité d’Hadamard

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  1. Notons P=MatB(C)P=\mathrm{Mat}_{\mathcal{B}}(\mathcal{C}) la matrice de passage de B\mathcal{B} à C\mathcal{C}, dont les colonnes sont les coordonnées des vecteurs de C\mathcal{C} dans la base B\mathcal{B}.

PP est orthogonale. Le coefficient (i,j)(i,j) de PTPP^{\mathsf T}P vaut kpkipkj\sum_k p_{ki}p_{kj}. Or, B\mathcal{B} étant orthonormale, ce nombre est exactement ci,cj\langle c_i,c_j\ranglecic_i désigne le ii-ième vecteur de C\mathcal{C} ; et C\mathcal{C} étant orthonormale, il vaut δij\delta_{ij}. Donc
PTP=In,d’ouˋdet(P)2=1,detP=±1.P^{\mathsf T}P=I_n,\qquad\text{d'où}\qquad \det(P)^{2}=1,\qquad \det P=\pm 1 .

La formule de changement de base pour les formes nn-linéaires alternées donne
detB(x1,,xn)=det(P)detC(x1,,xn),\operatorname{det}_{\mathcal{B}}(x_1,\dots,x_n)=\det(P)\cdot\operatorname{det}_{\mathcal{C}}(x_1,\dots,x_n),et en prenant les valeurs absolues, detP=1|\det P|=1 fournit l’égalité annoncée. \blacksquare

  1. Cas d’une famille liée. Le déterminant est nul, et l’inégalité est immédiate puisque le membre de droite est positif.

Cas d’une famille libre. Le procédé de Gram–Schmidt fournit une base orthonormale E=(e1,,en)\mathcal{E}=(e_1,\dots,e_n) vérifiant
Vect(e1,,ek)=Vect(x1,,xk)(1kn).\operatorname{Vect}(e_1,\dots,e_k)=\operatorname{Vect}(x_1,\dots,x_k)\qquad (1\leqslant k\leqslant n).Chaque xix_i s’écrit donc xi=j=1iajiejx_i=\sum_{j=1}^{i}a_{ji}e_j : la matrice A=(aji)A=(a_{ji}) de la famille dans E\mathcal{E} est triangulaire supérieure, et
detE(x1,,xn)=detA=i=1naii.\operatorname{det}_{\mathcal{E}}(x_1,\dots,x_n)=\det A=\prod_{i=1}^{n}a_{ii}.La base E\mathcal{E} étant orthonormale, le théorème de Pythagore donne
xi2=j=1iaji2  aii2,soitaiixi.()\|x_i\|^{2}=\sum_{j=1}^{i}a_{ji}^{2}\ \geqslant\ a_{ii}^{2},\qquad\text{soit}\qquad |a_{ii}|\leqslant\|x_i\| . \qquad \qquad \tag{$\ast$}En multipliant ces nn inégalités entre nombres positifs et en invoquant la question 1 :
detB(x1,,xn)=detE(x1,,xn)=i=1naii  i=1nxi.\bigl|\operatorname{det}_{\mathcal{B}}(x_1,\dots,x_n)\bigr|=\bigl|\operatorname{det}_{\mathcal{E}}(x_1,\dots,x_n)\bigr|=\prod_{i=1}^{n}|a_{ii}|\ \leqslant\ \prod_{i=1}^{n}\|x_i\| . \qquad\blacksquare

Il y a égalité si et seulement si la famille (x1,,xn)(x_1,\dots,x_n) est orthogonale, c’est-à-dire xi,xj=0\langle x_i,x_j\rangle=0 pour iji\neq j. Cette condition englobe le cas dégénéré où l’un des xix_i est nul.

Version matricielle. Pour A=(aij)Mn(R)A=(a_{ij})\in\mathcal{M}_n(\mathbb{R}) de colonnes C1,,CnC_1,\dots,C_n, l’inégalité s’écrit
detA  j=1nCj2=j=1n(i=1naij2)1/2,|\det A|\ \leqslant\ \prod_{j=1}^{n}\|C_j\|_2=\prod_{j=1}^{n}\Bigl(\sum_{i=1}^{n}a_{ij}^{2}\Bigr)^{1/2},avec égalité si et seulement si AA a ses colonnes orthogonales, ou une colonne nulle. Par transposition, le même énoncé vaut pour les lignes.

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