Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Une inégalité sur des matrices symétriques

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Solution by Sequoia · FR

Dans toute la suite, les sommes seront indexées sur [ ⁣[1,n] ⁣][\![1,n]\!].
La trace d’une matrice est égale à la somme de ses coefficients diagonaux, soit Tr(A)=∑iai,i\mathrm{Tr}(A)=\sum_i a_{i,i}. Mais AA est symétrie réelle donc diagonalisable, ainsi sa trace, invariant de similitude, est aussi égale à la somme de ses valeurs propres, soit Tr(A)=∑iλi\mathrm{Tr}(A)=\sum_i \lambda_i.

En notant que ∑i>jxixj=12((∑ixi)]2−∑ixi2)\sum_{i>j}x_ix_j=\frac12\left( \left(\sum_i x_i\right)]^2-\sum_ix_i^2\right), on peut réécrire l’inégalité de l’énoncé sous la forme:
∑iai,i2⩽∑iλi2\sum_i a_{i,i}^2\leqslant \sum_i\lambda_i^2Il ne nous reste plus qu’à diagonaliser AA en PDPTPDP^T par le théorème spectral, où P:=(pi,j)i,jP:=(p_{i,j})_{i,j} est orthogonale. Ainsi on peut relier les λi\lambda_i aux ai,ia_{i,i} via la relation
ai,i=∑kpi,k2 λka_{i,i}=\sum_{k}p_{i,k}^2\,\lambda_kPuis on passe au carré et on somme sur ii pour trouver
∑iai,i2=∑i(∑kpi,k2 λk)2.\sum_ia_{i,i}^2=\sum_i\left(\sum_{k}p_{i,k}^2\,\lambda_k\right)^2.Maintenant on utilise le fait que ∑kpi,k2=1\sum_k p_{i,k}^2=1 (les colonnes de PP sont unitaires) donc ∑kpi,k2 λk\sum_{k}p_{i,k}^2\,\lambda_k est un barycentre positif des λk\lambda_k donc on peut appliquer l’inégalité de Jensen à la fonction carré, qui est convexe, pour en déduire que
∑iai,i2⩽∑i∑kpi,k2 λk2=∑kλk2\sum_ia_{i,i}^2\leqslant \sum_i\sum_kp_{i,k}^2\,\lambda_k^2=\sum_k\lambda_k^2car les lignes de PP sont aussi unitaires, soit ∑ipi,k2=1\sum_i p_{i,k}^2=1. Et on a finalement notre résultat !

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