Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Linear algebra

Le produit scalaire canonique de matrices réelles

by Nugget·translated by Catalpa·
30
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  1. 1–10First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 11–25Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 26–50Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 51–70Advanced / graduateAvancé / master
  5. 71–90Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91–100Research levelNiveau recherche
These levels are approximate guides.Ces niveaux sont des repères approximatifs.
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Soit n≥1n \geq 1, et AA une matrice de Mn(R)\mathcal{M}_n(\mathbb{R}), A=(ai,j)1≤i,j≤nA = (a_{i,j})_{1 \leq i,j \leq n}.

1. Calculer la trace tr(AtA)\text{tr}(A^t A) en fonction de ai,ja_{i,j}.

2. Montrer que l’application ff définie sur Mn(R)×Mn(R)\mathcal{M}_n(\mathbb{R}) \times \mathcal{M}_n(\mathbb{R}) par f(A,B)=tr(AtB)f(A,B) = \text{tr}(A^t B) est un produit scalaireEN sur Mn(R)\mathcal{M}_n(\mathbb{R}).

3. Montrer que pour toutes les matrices symétriques AA et BB dans Mn(R)\mathcal{M}_n(\mathbb{R}),

(tr(AB))2≤(tr(A2))(tr(B2))(\text{tr}(AB))^2 \leq (\text{tr}(A^2))(\text{tr}(B^2))

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Solutions

1
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Solution by darktoaster

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1)\textbf{1)}

On calcule tout d’abord les coefficients diagonaux de ATAA^{T} A :
∀i∈[ ⁣[1,n] ⁣],ai,i=∑k=1nai,ktak,i=∑k=1nak,iak,i=∑k=1nak,i2\forall i \in [\![1,n]\!], a_{i,i} = \sum_{k=1}^{n} a^{t}_{i,k} a_{k,i} = \sum_{k=1}^{n} a_{k,i} a_{k,i} = \sum_{k=1}^{n} a_{k,i}^{2}
\newline
Ensuite on peut calculer la trace :
tr(ATA)=∑i=1nai,i=∑i=1n∑k=1nak,i2\mathrm{tr}(A^T A) = \sum_{i=1}^{n} a_{i,i} = \sum_{i=1}^n \sum_{k=1}^{n} a_{k,i}^{2}
\newline
2)\textbf{2)}
\newline
Symeˊtrie\textbf{Symétrie}
Soient AA et BB deux matrices de Mn(R)\mathcal{M}_{n}(\mathbb{R})
f(A,B)=tr(ATB)=tr((ATB)T)=tr(BT(AT)T))tr(BTA)=f(B,A)f(A,B) = \mathrm{tr}(A^{T} B) = \mathrm{tr}((A^{T}B)^{T}) = \mathrm{tr}(B^{T}(A^{T})^{T}) ) \mathrm{tr} (B^{T}A) = f(B,A)
\newline
Bilineˊariteˊ\textbf{Bilinéarité}
Comme nous avons vérifié la symétrie, il suffit de vérifier la linéarité d’un des deux côtés, par exemple la linéarité à droite.
Soient AA,B1B_1 et B2B_{2} des matrices carrées et λ\lambda et μ\mu des scalaires.
f(A,λB1+μB2)=tr(AT(λB1+μB2))=λtr(ATB1)+μtr(ATB2)=λf(A,B1)+μf(A,B2)f(A, \lambda B_{1} + \mu B_{2}) = \mathrm{tr}(A^{T} (\lambda B_{1} + \mu B_{2})) = \lambda \mathrm{tr}(A^{T}B_{1}) + \mu \mathrm{tr}(A^{T}B_{2}) = \lambda f(A, B_{1}) + \mu f(A,B_{2}) par linéarité de la trace.
\newline
Positiviteˊ\textbf{Positivité}
Soit AA une matrice carrée
f(A,A)=tr(ATA)=∑i,k≥nak,i2≥0f(A,A) = tr(A^{T}A) = \sum_{i,k\ge n} a_{k,i}^2 \ge 0
\newline
Seˊparation\textbf{Séparation}
Soit AA une matrice carrée
f(A,A)=0⇔∑i,k≥nak,i2=0⇔∀i,k∈[ ⁣[1,n] ⁣]ak,i=0⇔A=0f(A,A) = 0 \Leftrightarrow \sum_{i,k\ge n} a_{k,i}^2 = 0 \Leftrightarrow \forall i,k \in [\![1,n]\!] a_{k,i} = 0 \Leftrightarrow A = 0
\newline
ff est bien un produit scalaire.
\newline
3)\textbf{3)}
On utilise l’inégalité de Cauchy-Schwarz
Soient AA et BB deux matrices carrées symétriques.
(f(A,B))2≤f(A,A)f(B,B)(f(A,B))^{2} \le f(A, A) f(B,B)
(tr(ATB))2≤tr(ATA)tr(BTB)(\mathrm{tr}(A^{T} B))^{2} \le \mathrm{tr}(A^{T}A) \mathrm{tr}(B^{T}B)
(tr(AB))2≤tr(A2)tr(B2)(\mathrm{tr}(AB))^{2} \le \mathrm{tr}(A^{2})\mathrm{tr}(B^{2})

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