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Résolution de systèmes linéaires

3.2 Normes vectorielles et normes matricielles

3.2.1 Normes vectorielles

2

Definition 3.23

Une norme sur un espace vectorielV est une application}‚} :V ÑR` qui vérifie les propriétés suivantes

˛ }vvv} “0ðñvvv“0,

˛ }αvvv} “ |α| }vvv}, @αPK, @vvvPV,

˛ }uuu```vvv} ď }uuu} ` }vvv}, @ pu, vu, vu, vq PV2 (inégalité triangulaire).

Une norme sur V est également appelée norme vectorielle . On appelle espace vectoriel normé un espace vectoriel muni d’une norme.

Les trois normes suivantes sont les plus couramment utilisées : }vvv}1

n

ÿ

i“1

|vi|

}vvv}2

˜ n ÿ

i“1

|vi|2

¸1{2

}vvv}8 “ max

iPv1,nw|vi|.

Proposition 3.24

SoitvvvPKn.Pour tout nombre réelpě1, l’application}‚}p définie par

}vvv}p

˜ n ÿ

i“1

|vi|p

¸1{p

est une norme sur Kn.

Lemme 3.25: Inégalité de Cauchy-Schwarz

@xxx, yyyPKn

| xxxx, yyyy | ď }xxx}2}yyy}2. (3.47) Cette inégalité s’appelle l’inégalité de Cauchy-Schwarz. On a égalité si et seulement sixxxetyyy sont colinéaires.

Preuve. Exercice B.3.16, page 205

3

Lemme 3.26: Inégalité de Hölder

4

Normes vectorielles et normes matricielles

3.Résolutiondesystèmeslinéaires 3.2.Normesvectoriellesetnormesmatricielles3.2.2Normesmatricielles 99

Pourpą1et p1`1q “1,on a@xxx, yyyPKn

n

ÿ

i“1

|xiyi| ď

˜ n ÿ

i“1

|xi|p

¸1{p˜ n ÿ

i“1

|yi|q

¸1{q

“ }xxx}p}yyy}q. (3.48) Cette inégalité s’appelle l’inégalité de Hölder.

1

Preuve. Exercice B.3.18, page 209 2

Definition 3.27

Deux normes }‚} et }‚}1, définies sur un même espace vectoriel V, sont équivalentes s’il exite deux constantesC etC1 telles que

}xxx}1ďC}xxx} et }xxx} ďC1}xxx}1 pour toutxxxPV. (3.49)

Proposition 3.28

Sur un espace vectoriel de dimension finie toutes les normes sont équivalentes.

3.2.2 Normes matricielles

3

Definition 3.29

Unenorme matriciellesurMnpKqest une application}‚}:MnpKq ÑR` vérifiant 1. }A} “0ðñA“0,

2. }αA} “ |α| }A}, @αPK,@APMnpKq,

3. }A`B} ď }A} ` }B}, @ pA,Bq PMnpKq2 (inégalité triangulaire) 4. }AB} ď }A} }B}, @ pA,Bq PMnpKq2

Proposition 3.30

4

3.Résolutiondesystèmeslinéaires 3.2.Normesvectoriellesetnormesmatricielles3.2.2Normesmatricielles

est une norme matricielle, appeléenorme matricielle subordonnée(à la norme vectorielle don-née).

SoitIla matrice identité d’ordren,on a

}I}s“1. (3.54)

1

Preuve. On note B “ tvvvPKn ; }vvv} ď1u la boule unitée de Kn et S “ tvvvPKn ; }vvv} “1u la sphère

2

unitée deKn.On note que les ensemblesBetS sont des compacts car image réciproque de l’application

3

continuevvvÞÑ }vvv} par le fermé bornér0,1s(pour la boule) et le singletont1u(pour la sphère).

4

‚ Vérifions que les égalités suivantes sont vraies :

5

On peut aussi remarquer que

8 et on obtient alors

10 En utilisant (3.55) et (3.56), on en déduit

11

Normes vectorielles et normes matricielles

3.Résolutiondesystèmeslinéaires 3.2.Normesvectoriellesetnormesmatricielles3.2.2Normesmatricielles 101

‚ Vérifions que l’application}‚}s est bien définie surMnpKqi.e. @APMnpKq,}A}să `8. 1

L’applicationvvvÞÑ }Avvv}est continue donc sonsupsur la sphère unitée qui est compacte est atteint. 2

‚ Montrons que @vvvPKn,}Avvv} ď }A}s}vvv}. 3

On a par définition dusup 4

}A}s“ sup

‚ On a immédiatement 9

}I}s“ sup

‚ Montrons que }‚}s est une norme matricielle. 10

11

3.Résolutiondesystèmeslinéaires 3.2.Normesvectoriellesetnormesmatricielles3.2.2Normesmatricielles

}vvv} par inégalité triangulaire dansKn ď sup

La norme }‚}2 est invariante par transformation unitaire :

UU˚Iùñ }A}2“ }AU}2“ }UA}2“ }U˚AU}2. (3.60)

Preuve. Exercice B.3.23, page 212

2

Corollaire 3.32

1. Si une matriceA est hermitienne,on a}A}2“ρpAq.

2. Si une matriceA est unitaire, on a}A}2“1.

Preuve. 1. SoitAPMnpCqune matrice hermitienne. Elle est donc normale. D’après le théorème 3.2 (réduction des matrice) page 63, il existe une matrice unitaireUet une matrice diagonaleD telles que

AUDU˚.

Normes vectorielles et normes matricielles

3.Résolutiondesystèmeslinéaires 3.2.Normesvectoriellesetnormesmatricielles3.2.2Normesmatricielles 103

Les matricesAet Dsont semblables: elles ont les mêmes valeurs propres et donc ρpAq “ρpDq.

De plus, commeAest hermitienne, ses valeurs propres sont réelles et doncDPMnpRq.Comme la norme2 est invariante par transformation unitaire, on a

}A}2“ }UDU˚}2“ }D}2. De plus,D étant réelle, on obtient

}D}2“a

ρpD˚Dq “a ρpD2q La matriceD étant diagonale on en déduit que

ρ` D2˘

“ρpDq2. On obtient donc

}A}2“ρpDq “ρpAq.

2. SiAPMnpCqest unitaire ou siAPMnpRqest orthogonale alorsAA˚Iet donc }A}2“a

ρpAA˚q “a

ρpIq “1.

1

Théorème 3.33

1. SoitAune matrice carrée quelconque et}‚}une norme matricielle subordonnée ou non, quel-conque. Alors

ρpAq ď }A}. (3.61)

2. Etant donné une matrice A et un nombre ε ą 0, il existe au moins une norme matricielle subordonnée telle que

}A} ďρpAq `ε. (3.62)

Preuve. 1. SoientAPMnpKqet pλ, uuuqun élément propre deA : uuuPCnzt000u, et Auuu“λuuu.

‚ Si la norme matricielle est subordonnée à la norme vectorielle }‚}alors }λuuu} “ |λ| }uuu} “ }Auuu} ď }A} }uuu}

OruuuPCnzt000uet donc on en déduit que

@λPρpAq, |λ| ď }A}.

‚ Si la norme est quelconque (non forcément subordonnée), l’inégalité suivante n’est plus vérifiée }Auuu} ď }A} }uuu}.

Par contre on a pour toute matriceBPMnpKq }AB} ď }A} }B}. Commepλ, uuuqun élément propre deA,on a

Auuuuuu˚“λuuuuuu˚ et donc

}Apuuuuuu˚q} “ }λpuuuuuu˚q} “ |λ| }uuuuuu˚}.

3.Résolutiondesystèmeslinéaires 3.2.Normesvectoriellesetnormesmatricielles3.2.2Normesmatricielles

De plus on a

}Apuuuuuu˚q} ď }A} }puuuuuu˚q}

ce qui donne

|λ| }uuuuuu˚} ď }A} }puuuuuu˚q}

Comme la matriceB“uuuuuu˚ est non nulle caruuunon nul et puuuuuu˚quuu“uuupuuu˚quuuq “uuuxuuu, uuuy ‰0.

on obtient

|λ| ď }A}

et on en déduit alors

@λPρpAq,|λ| ď }A}. 2. voir [1], théorème 1.4-3 page 18-19.

1 2

Théorème 3.34

L’application}‚}E:MnÑR` définie par

}A}E

¨

˝ ÿ

pi,jq“Pv1,nw2

|aij|2

˛

1{2

“a

trpA˚Aq, (3.63)

pour toute matrice A“ paijqd’ordren, est une norme matricielle non subordonnée (pourně2), invariante par transformation unitaire et qui vérifie

}A}2ď }A}E ď?

n}A}2, @APMn. (3.64)

De plus}I}E“? n.

Théorème 3.35

1. Soit}‚}une norme matricielle subordonnée, et Bune matrice vérifiant }B} ă1.

Alors la matricepI`Bqest inversible, et

›pI`Bq´1

›ď 1 1´ }B}.

2. Si une matrice de la formepI`Bqest singulière, alors nécessairement }B} ě1

pour toute norme matricielle, subordonnée ou non.

Preuve. 1. Par l’absurde, on suppose la matrice I`Bsingulière (non inversible). Alors 0 est une de

3

ses valeurs propres. On notep0, uuuqun élément propre deI`B.On a donc

4

pI`Bquuu“000 ô Buuu“ ´uuu

ô p´1, uuuq élément propre de B ce qui est en contradiction avecρpBq ď }B} ă1.

La matriceI`Best donc inversible.

Par définition de l’inverse

pI`BqpI`Bq-1I

Normes vectorielles et normes matricielles

3.Résolutiondesystèmeslinéaires 3.2.Normesvectoriellesetnormesmatricielles3.2.3Suitesdevecteursetdematrices 105

et donc

pI`Bq-1`BpI`Bq-1I ce qui s’écrit aussi

pI`Bq-1I´BpI`Bq-1.

En prenant sa norme on obtient 1

›pI`Bq-1

› “

I´BpI`Bq-1

› ď }I} `

BpI`Bq-1

› par l’inégalité triangulaire ď 1`

BpI`Bq-1

› car pour une norme subordonnée }I} “1 ď 1` }B}

›pI`Bq-1

› Ce qui donne

›pI`Bq-1

›´ }B}

›pI`Bq-1

›ď1

et donc l’inégalité est démontrée. 2

2. On a démontré lors de la démontration par l’absurde que si I`B est singulière (non inversible) alorsρpBq ě1.Comme pour toute normeρpBq ď }B}(voir théorème 3.33, page 103), on obtient

}B} ě1.

3

3.2.3 Suites de vecteurs et de matrices

4

Definition 3.36

SoitV un espace vectoriel muni d’une norme}‚}, on dit qu’une suitepvvvkqd’éléments deV converge vers un élémentvvvPV, si

lim

kÑ8}vvvk´vvv} “0 et on écrit

vvv“ lim

kÑ8vvvk.

Théorème 3.37: admis, voir [1] Théorème 1.5-1 page 21-22 SoitBune matrice carrée. Les conditions suivantes sont équivalentes :

1. limkÑ8Bk“0,

2. limkÑ8Bkvvv“0pour tout vecteurvvv, 3. ρpBq ă1,

4. }B} ă1 pour au moins une norme matricielle subordonnée}‚}.

Théorème 3.38: admis, voir [1] Théorème 1.5-2 page 22

5

3.Résolutiondesystèmeslinéaires 3.3.Conditionnementd’unsystèmelinéaire3.3.0Suitesdevecteursetdematrices

SoitBune matrice carrée, et}‚}une norme matricielle quelconque. Alors lim