Si X∈Sn++(R), alors XAX=B⇔AXAXA=ABA⇔Y2=ABA, avec le changement de variable Y=AXA. Or ABA∈Sn++(R) (la symétrie est facile) car ∀x∈Rn∖{0},⟨ABAx,x⟩=⟨BAx,Ax⟩>0 car A est inversible et B∈Sn++(R). De même, Y∈Sn++(R), donc XAX=B⇔Y=ABA⇔X=A−1ABAA−1.
On voit Sn++(R) comme un ouvert convexe du R-ev Sn(R), et f est de classe C∞. La différentielle de f en X∈Sn++(R) s’écrit dfX:H∈Sn(R)↦Tr(AH)−Tr(BX−1HX−1)=Tr((A−X−1BX−1)H). Comme A−X−1BX−1∈Sn(R), le caractère défini du produit scalaire canonique sur Sn(R) indique que dfX=0⇔A−X−1BX−1=0⇔XAX=B, ce qui est l’équation de la question 1. Montrons que f est convexe en calculant la différentielle seconde : on a après utilisation de la règle de la chaîne, pour H,K∈Sn(R)
d2fX(H,K)=−Tr([−X−1HX−1BX−1−X−1BX−1HX−1]K)donc d2fX(H,H)=2Tr(X−1BX−1HX−1H). Il suffit de montrer que d2fX est positive : or, comme vu question 1, X−1BX−1∈Sn++(R), donc d2fX(H,H)=2Tr(RHX−1HR), où on a noté R=X−1BX−1∈Sn++(R). Alors RHX−1HR∈Sn+(R) (la symétrie est facile) car ∀x∈Rn,⟨RHX−1HRx,x⟩=⟨X−1HRx,HRx⟩≥0 car X−1∈Sn++(R). L’utilisation du théorème spectral par exemple assure que d2fX(H,H)=2Tr(RHX−1HR)≥0 ce qui donne la positivité de d2fX et la convexité de f. Tout cela permet d’affirmer que f admet un minimum global, atteint uniquement en son point critique M=A−1ABAA−1 (solution de XAX=B). On calcule alors m=f(M)=2Tr(ABA).
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