Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Linear algebraExerciseReviewed

Eigenvalues of positive matrices

by Anduril·
21
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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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Show that if ASn(R)A\in S_{n}(\mathbb{R}), AA is positive (resp. definite positive) if and only if all its eigenvalues are positive (resp. strictly positive)

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Solution by darktoasterFR

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Par définition, une matrice MSn(R)M \in \mathcal{S}_{n}(\mathbb{R}) est dite positive (resp. définie positive) si et seulement si XTMXX^{T}MX est positif (resp. strictement positif) pour tout XMn,1(R){0}X \in \mathcal{M}_{n,1}(\mathbb{R})\setminus \{0\}.

Première implication

Supposons que AA est positive (resp. définie positive), montrons que les valeurs propres de AA sont toutes positives (resp. strictement positives)

Soit λ\lambda une valeur propre de AA. Montrons qu’elle est positive (resp. strictement positive).

Soit XX un vecteur propre de AA associé à λ\lambda. On a AX=λXAX = \lambda X et X0X \ne 0

XTAX=XTλX=λXTX=λX2X^{T}AX = X^{T}\lambda X = \lambda X^{T}X = \lambda ||X||^{2}

λ=XTAXX2\lambda = \frac{X^{T}AX}{||X||^{2}} car X20||X||^{2} \ne 0 par séparation de la norme

XTAXX^{T}AX est positif (resp. strictement positif) car AA est postive (resp. définie positive) et X2>0||X||^{2} >0 par positivité et séparation de la norme.

Donc λ\lambda est positif (resp. strictement positif).

Implication réciproque

Supposons réciproquement que toute valeur propre de AA est positive (resp. strictement positive), montrons que AA est positive (resp. définie positive).

Soit XMn,1(R){0}X \in \mathcal{M}_{n,1}(\mathbb{R})\setminus \{0\}. Montrons que XTAXX^{T} AX est positif (resp. strictement positif)

ASn(R)A \in \mathcal{S}_{n}(\mathbb{R}) donc est orthodiagonalisable dans R\mathbb{R} par le théorème spectral pour les endomorphismes auto-adjoints. Ils existent donc POn(R)P \in \mathcal{O}_{n}(\mathbb{R}) et DD diagonale dont ses coefficients sont les valeurs propres de AA que l’on note λi\lambda_{i} (i[ ⁣[1,n] ⁣]i \in [\![ 1, n]\!]) telles que A=PTDPA = P^{T}DP.

En posant Y=PXY = PX et par propriété de la transposée :
XTAX=XTPTDPX=(PX)TDPX=YTDYX^{T} A X = X^{T}P^{T}DPX = (PX)^{T} D PX = Y^{T}DY

Par produit matriciel : YTDY=i=1nλiyi2Y^{T} D Y = \sum_{i = 1}^{n} \lambda_{i} y_{i}^{2} en notant yiy_{i} (i[ ⁣[1,n] ⁣]i \in [\![ 1,n]\!]) les coefficients de YY.

  • Pour le cas où le spectre de AA est positif : XTAX0X^{T} A X \ge 0 car XTAXX^{T} AX est égal à une somme de termes positifs car pour tout i[ ⁣[1,n] ⁣]i \in [\![1,n]\!], λi\lambda_{i} est positif (spectre positif) et yi2y_{i}^{2} aussi (carré d’un réel).
  • Pour le cas où le spectre de AA est strictement positif : Y0Y \ne 0 car sinon X=P1YX = P^{-1} Y serait nul or X0X \ne 0, ce qui veut dire qu’il existe un j[ ⁣[1,n] ⁣]j \in [\![1,n]\!] tel que yj0y_{j} \ne 0 ainsi λjyj2>0\lambda_{j} y_{j}^{2}>0 . De plus i[ ⁣[1,n] ⁣]{j},λiyi20\forall i \in [\![1,n]\!]\setminus \{j\}, \lambda_{i} y_{i}^{2} \ge 0. Donc XTAX>0X^{T}AX > 0 comme somme de termes positifs dont un des termes l’est strictement.
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