Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Reduction of endomorphism

Sur la localisation des valeurs propres : Gerschgorin et Hadamard

by pietro.pende·
40
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

This score reflects both the level of the required concepts and the difficulty of the solution.Ce score tient compte à la fois du niveau des notions nécessaires et de la difficulté de la résolution.

  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
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Soit U=(uij)1⩽i,j⩽n∈Mn(C)U=(u_{ij})_{1\leqslant i,j\leqslant n}\in \mathcal{M}_n(\mathbb{C}). Pour tout i∈⟦1,n⟧i\in\llbracket 1,n\rrbracket, on pose
Λi:=∑1⩽j⩽nj≠i∣uij∣\Lambda_i:=\sum_{\substack{1\leqslant j\leqslant n\\j\neq i}}|u_{ij}|et
Di:={z∈C  |  ∣z−uii∣⩽Λi}.D_i:=\left\{z\in\mathbb{C}\;\middle|\;|z-u_{ii}|\leqslant \Lambda_i\right\}.

(On appelle DiD_{i} le ii-ème disque de Gerschgorin)

  1. Théorème de Gerschgorin : Montrer que toute valeur propre de UU appartient à l’un des disques D1,…,DnD_1,\ldots,D_n, c’est-à-dire que
    Sp⁡(U)⊂⋃i=1nDi.\operatorname{Sp}(U)\subset\bigcup_{i=1}^nD_i.

  2. Théorème de Hadamard : Supposons que
    ∀i∈⟦1,n⟧,∣uii∣>∑1⩽j⩽nj≠i∣uij∣.\forall i\in\llbracket 1,n\rrbracket,\qquad |u_{ii}|> \sum_{\substack{1\leqslant j\leqslant n\\j\neq i}}|u_{ij}|. Montrer que UU est inversible.

    (On dit alors que UU est à diagonale strictement dominante)

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Solution by pietro.pende

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  1. Soit λ∈Sp⁡(U)\lambda\in\operatorname{Sp}(U). Par définition du spectre, il existe un vecteur propre
    Z=(z1⋮zn)∈Cn∖{0}Z= \begin{pmatrix} z_1\\ \vdots\\ z_n \end{pmatrix} \in\mathbb{C}^n\setminus\{0\} tel que
    UZ=λZ.UZ=\lambda Z.

    Comme Z≠0Z\neq0, l’ensemble
    {∣zx∣  |  x∈⟦1,n⟧}\left\{|z_x|\;\middle|\;x\in\llbracket 1,n\rrbracket\right\} est une partie finie non vide de R\mathbb{R}. Il admet donc un maximum. Choisissons
    i∈⟦1,n⟧i\in\llbracket 1,n\rrbracket tel que
    ∣zi∣=max⁡x∈⟦1,n⟧∣zx∣.|z_i| = \max_{x\in\llbracket 1,n\rrbracket}|z_x|. Comme Z≠0Z\neq0, ce maximum est strictement positif, et par conséquent
    zi≠0.z_i\neq0.

    L’égalité UZ=λZUZ=\lambda Z donne, en considérant sa ii-ème composante,
    ∑j=1nuijzj=λzi.\sum_{j=1}^n u_{ij}z_j=\lambda z_i. En isolant le terme correspondant à j=ij=i, on obtient
    (λ−uii)zi=∑1⩽j⩽nj≠iuijzj.(\lambda-u_{ii})z_i = \sum_{\substack{1\leqslant j\leqslant n\\j\neq i}}u_{ij}z_j. Comme zi≠0z_i\neq0, on peut diviser par ziz_i, d’où
    λ−uii=∑1⩽j⩽nj≠iuijzjzi.\lambda-u_{ii} = \sum_{\substack{1\leqslant j\leqslant n\\j\neq i}} u_{ij}\frac{z_j}{z_i}. En prenant les modules et en utilisant l’inégalité triangulaire, il vient
    ∣λ−uii∣≤∑1⩽j⩽nj≠i∣uij∣∣zj∣∣zi∣.|\lambda-u_{ii}| \leq \sum_{\substack{1\leqslant j\leqslant n\\j\neq i}} |u_{ij}| \frac{|z_j|}{|z_i|}.

    Or, par définition de ii,
    ∀j∈⟦1,n⟧,∣zj∣⩽∣zi∣,\forall j\in\llbracket 1,n\rrbracket,\qquad |z_j|\leqslant|z_i|, et donc
    ∀j∈⟦1,n⟧,∣zj∣∣zi∣⩽1.\forall j\in\llbracket 1,n\rrbracket,\qquad \frac{|z_j|}{|z_i|}\leqslant1. Il s’ensuit que
    ∣λ−uii∣⩽∑1⩽j⩽nj≠i∣uij∣=Λi.|\lambda-u_{ii}| \leqslant \sum_{\substack{1\leqslant j\leqslant n\\j\neq i}}|u_{ij}| = \Lambda_i. Par définition de DiD_i, on a donc
    λ∈Di.\lambda\in D_i.

    Ainsi, toute valeur propre de UU appartient à l’un des disques DiD_i. Par conséquent,
    Sp⁡(U)⊂⋃i=1nDi  .\operatorname{Sp}(U) \subset \bigcup_{i=1}^nD_i \; .

  2. Supposons que
    ∀i∈⟦1,n⟧,∣uii∣>∑1⩽j⩽nj≠i∣uij∣.\forall i\in\llbracket1,n\rrbracket,\qquad |u_{ii}|> \sum_{\substack{1\leqslant j\leqslant n\\j\neq i}}|u_{ij}|. Pour tout i∈⟦1,n⟧i\in\llbracket1,n\rrbracket, on a alors
    ∣uii∣>Λi.|u_{ii}|>\Lambda_i.

    Par conséquent,
    0∉Di.0\notin D_i. En effet, si 0∈Di0\in D_i, alors, par définition de DiD_i,
    ∣uii∣⩽Λi,|u_{ii}|\leqslant \Lambda_i, ce qui contredirait l’hypothèse.

    Ainsi,
    0∉⋃i=1nDi.0\notin\bigcup_{i=1}^nD_i. Or, d’après la première question,
    Sp⁡(U)⊂⋃i=1nDi.\operatorname{Sp}(U) \subset \bigcup_{i=1}^nD_i. On en déduit
    0∉Sp⁡(U).0\notin\operatorname{Sp}(U).

    Par définition du spectre,
    0∉Sp⁡(U)⟺ker⁡(U)={0}.0\notin\operatorname{Sp}(U) \quad\Longleftrightarrow\quad \ker(U)=\{0\}. L’application linéaire associée à UU est donc injective. Comme il s’agit d’un endomorphisme de l’espace vectoriel de dimension finie Cn\mathbb C^n, elle est alors bijective. Par conséquent, UU est inversible.

    Ainsi,
    U∈GLn(C)  .U\in GL_n(\mathbb C)\; .

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