Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Linear algebraReviewed

Produit de matrices symétrique et antisymétrique

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50
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  1. 110First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 1125Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 2650Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 5170Advanced / graduateAvancé / master
  5. 7190Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91100Research levelNiveau recherche
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Français

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Soient SSn++(R)S \in \mathcal{S}_n^{++}(\mathbb{R}) (ensemble des matrices symétriques définies positives) et AAn(R)A \in \mathcal{A}_n(\mathbb{R}) (ensemble des matrices anti-symétriques). Montrer que SAS A est diagonalisable sur C\mathbb{C}.

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On ne peut pas espérer que SASA soit symétrique ou antisymétrique : en général (SA)T=ATST=AS±SA(SA)^{\mathsf T}=A^{\mathsf T}S^{\mathsf T}=-AS\neq\pm SA.
L’idée est de répartir symétriquement le facteur SS de part et d’autre de AA, en utilisant sa racine carrée.

Le théorème spectral fournit POn(R)P\in\mathcal{O}_n(\mathbb{R}) et D=diag(λ1,,λn)D=\operatorname{diag}(\lambda_1,\dots,\lambda_n) avec S=PDPTS=PDP^{\mathsf T}. Comme SS est définie positive, tous les λi\lambda_i sont strictement positifs, et l’on peut poser
R=Pdiag(λ1,,λn)PT.R=P\operatorname{diag}\bigl(\sqrt{\lambda_1},\dots,\sqrt{\lambda_n}\bigr)P^{\mathsf T}.Alors RR est symétrique, inversible (ses valeurs propres λi\sqrt{\lambda_i} sont non nulles) et vérifie R2=SR^{2}=S.

Posons B=RARB=RAR. Comme R2=SR^{2}=S, il vient RBR1=R(RAR)R1=R2A=SA,R\,B\,R^{-1}=R(RAR)R^{-1}=R^{2}A=SA, donc SASA est semblable à BB. Il suffit désormais de montrer que BB est diagonalisable sur C\mathbb{C}.

En utilisant RT=RR^{\mathsf T}=R et AT=AA^{\mathsf T}=-A on obtient
BT=(RAR)T=RTATRT=R(A)R=B.B^{\mathsf T}=(RAR)^{\mathsf T}=R^{\mathsf T}A^{\mathsf T}R^{\mathsf T}=R(-A)R=-B .

Posons H=iBH=\mathrm{i}B et calculons son adjointe. La matrice BB étant à coefficients réels, B=B\overline{B}=B, donc H=iB  T=iBT=i(B)=iB=H.H^{*}=\overline{\mathrm{i}B}^{\;\mathsf T}=-\mathrm{i}\,B^{\mathsf T}=-\mathrm{i}(-B)=\mathrm{i}B=H .
Ainsi HH est hermitienne*, donc diagonalisable dans une base orthonormée de Cn\mathbb{C}^{n}, à valeurs propres réelles. Par conséquent B=iHB=-\mathrm{i}H est diagonalisable sur C\mathbb{C}, à valeurs propres imaginaires pures.
SASA est semblable à BB, qui est diagonalisable sur C\mathbb{C}. Donc SASA est diagonalisable sur C\mathbb{C}, et son spectre est contenu dans iR\mathrm{i}\mathbb{R}. \blacksquare

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