Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Matrice dont le déterminant est le produit des normes-1 de ses colonnes

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Montrons que 'égalité a lieu si et seulement si
A posseˋde une ligne nulle,ouA=DPσA \text{ possède une ligne nulle},\qquad\text{ou}\qquad A=DP_\sigmaavec DD diagonale inversible et PσP_\sigma matrice de permutation

Si une ligne est nulle, les deux membres valent 00. Si A=DPσA=DP_\sigma avec D=diag⁡(d1,…,dn)D=\operatorname{diag}(d_1,\dots,d_n), alors aij=di δj,σ(i)a_{ij}=d_i\,\delta_{j,\sigma(i)}, chaque ligne a pour somme ∣di∣|d_i|, et det⁡A=ε(σ)∏idi\det A=\varepsilon(\sigma)\prod_i d_i, d’où
∣det⁡A∣=∏i=1n∣di∣=∏i=1n∑j=1n∣aij∣.|\det A|=\prod_{i=1}^{n}|d_i|=\prod_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{n}|a_{ij}| .Notons L1,…,LnL_1,\dots,L_n les lignes de AA. La comparaison des normes ∥x∥2⩽∥x∥1\|x\|_2\leqslant\|x\|_1 — élever au carré : ∑jxj2⩽(∑j∣xj∣)2\sum_j x_j^{2}\leqslant\bigl(\sum_j|x_j|\bigr)^{2}, les doubles produits étant positifs, jointe à l’inégalité de Hadamard appliquée à ATA^{\mathsf T} donne
∣det⁡A∣ ⩽ ∏i=1n∥Li∥2 ⩽ ∏i=1n∥Li∥1.(∗)|\det A|\ \leqslant\ \prod_{i=1}^{n}\|L_i\|_2\ \leqslant\ \prod_{i=1}^{n}\|L_i\|_1 . \qquad \qquad \tag{$\ast$}L’égalité de l’énoncé force donc l’égalité dans les deux maillons de (∗)(\ast).

Supposons toutes les lignes non nulles, sinon on est dans le cas dégénéré déjà traité. Tous les facteurs de (∗)(\ast) sont alors strictement positifs, et l’égalité des produits avec les inégalités terme à terme ∥Li∥2⩽∥Li∥1\|L_i\|_2\leqslant\|L_i\|_1 force
∥Li∥2=∥Li∥1pour tout i.\|L_i\|_2=\|L_i\|_1\qquad\text{pour tout } i .Or ∥x∥12−∥x∥22=2∑j<k∣xj∣ ∣xk∣\|x\|_1^{2}-\|x\|_2^{2}=2\sum_{j<k}|x_j|\,|x_k| : la nullité de cette somme signifie qu’au plus un coefficient de xx est non nul. Chaque ligne, non nulle, possède donc exactement un coefficient non nul, en position c(i)c(i) :
Li=ai c(i) ec(i),ai c(i)≠0.L_i=a_{i\,c(i)}\,e_{c(i)},\qquad a_{i\,c(i)}\neq 0 .L’égalité dans le premier maillon est le cas d’égalité de Hadamard : les lignes sont deux à deux orthogonales. Pour i≠i′i\neq i',
⟨Li,Li′⟩=ai c(i) ai′c(i′) ⟨ec(i),ec(i′)⟩=0  ⟺  c(i)≠c(i′),\langle L_i,L_{i'}\rangle=a_{i\,c(i)}\,a_{i'c(i')}\,\bigl\langle e_{c(i)},e_{c(i')}\bigr\rangle=0\iff c(i)\neq c(i'),donc cc est injective, c’est-à-dire une permutation σ\sigma. Ainsi A=DPσA=DP_\sigma avec di=aiσ(i)≠0d_i=a_{i\sigma(i)}\neq 0. ■\blacksquare

Remarquons que l’on peut trouver un preuve directe, sans Hadamard.

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