Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Valeurs propres d’une matrice symétrique positive

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Solution by darktoaster · FR

Par définition, une matrice M∈Sn(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 X∈Mn,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 X≠0X \ne 0

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

λ=XTAX∣∣X∣∣2\lambda = \frac{X^{T}AX}{||X||^{2}} car ∣∣X∣∣2≠0||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 ∣∣X∣∣2>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 X∈Mn,1(R)∖{0}X \in \mathcal{M}_{n,1}(\mathbb{R})\setminus \{0\}. Montrons que XTAXX^{T} AX est positif (resp. strictement positif)

A∈Sn(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 P∈On(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 : XTAX≥0X^{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 : Y≠0Y \ne 0 car sinon X=P−1YX = P^{-1} Y serait nul or X≠0X \ne 0, ce qui veut dire qu’il existe un j∈[ ⁣[1,n] ⁣]j \in [\![1,n]\!] tel que yj≠0y_{j} \ne 0 ainsi λjyj2>0\lambda_{j} y_{j}^{2}>0 . De plus ∀i∈[ ⁣[1,n] ⁣]∖{j},λiyi2≥0\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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