Inégalités de Weyl

En mathématiques, deux résultats sont connus sous le nom d'inégalité de Weyl. Le premier concerne le domaine de la théorie des nombres tandis que le second est un résultat sur le spectre de matrices hermitiennes perturbées.

Inégalité de Weyl en théorie des nombres

Nommée d'après le mathématicien Hermann Weyl, l'inégalité de Weyl-van der Corput, en théorie des nombres, affirme que : Modèle:ThéorèmeEn particulier, dans le cas d'une somme exponentielle :Modèle:Théorème

Cette inégalité n'est intéressante que lorsque $q<N^k$. Pour les autres cas, l'estimation du module de la somme exponentielle en utilisant l'inégalité triangulaire donne une meilleure borne.

Inégalité de Weyl sur les matrices

En algèbre linéaire, l'inégalité de Weyl est un résultat qui porte sur les valeurs propres d'une matrice hermitienne perturbée.

Soit $E$ un $𝕂$ espace vectoriel ($𝕂=ℝ$ ou $ℂ$) de dimension $n$. Si $M$ est une matrice symétrique (ou hermitienne), on note ${\lambda }_1(M)\le \cdots \le {\lambda }_n(M)$ ses valeurs propres. On note $E_k$ l’ensemble des sous-espaces vectoriels de dimension $k$ de $E$. On note $S$ la sphère unité de $E$ pour la norme euclidienne.

On a alors les formules suivantes :

${\lambda }_k(M)=\min {\mathrm{\backslash limits}}_{F\in E_k}\max {\mathrm{\backslash limits}}_{x\in F\cap S}{x}^{*}Mx=\max {\mathrm{\backslash limits}}_{F\in E_{n-k+1}}\min {\mathrm{\backslash limits}}_{x\in F\cap S}{x}^{*}Mx$

La matrice

$P$

représente la perturbation qui s'ajoute à la matrice

$M$

. Il s'agit d'une matrice de même dimension que

$M$

.Modèle:Théorème

On remarque qu'on peut ordonner les valeurs propres car les matrices sont hermitiennes et donc leurs valeurs propres sont réelles.

En particulier, si $P$ est définie positive, i.e. si toutes ses valeurs propres sont strictement positives, on a alors :

${\lambda }_k(M+P)>{\lambda }_k(M)\mathrm{\forall }k=1,...,n$

Applications

Application lipschitzienne

L'application $M\mapsto {\lambda }_k(M)$, qui à toute matrice hermitienne associe une valeur propre, est 1-lipschitzienne.

Estimation de la perturbation du spectre

Supposons que la matrice $P$ soit bornée, au sens où l'on sait que sa norme spectrale (ou toute autre norme matricielle, toutes les normes étant équivalentes en dimension finie) satisfait $\Vert P{\Vert }_2\le ϵ$. Alors, il en découle que toutes ses valeurs propres, ${\lambda }_1(P),\dots ,{\lambda }_n(P)$ sont bornées en valeur absolue par $ϵ$.

En appliquant l'inégalité de Weyl, le spectre de $M+P$ et celui de $M$ sont proches au sens oùModèle:Sfn

$|{\lambda }_k(M)-{\lambda }_k(M+P)|\le ϵ\mathrm{\forall }k=1,\dots ,n.$

Inégalité de Weyl pour les valeurs singulières

Les valeurs singulières $\{{\sigma }_k\}$ d'une matrice carrée $M$ sont les racines carrées des valeurs propres de la matrice $M^{*}M$ (ou de manière équivalente $M{M}^{*}$ dans le cas $M$ matrice carrée).

Comme les matrices hermitiennes suivent l'inégalité de Weyl, si on prend une matrice $A$ quelconque, alors ses valeurs singulières sont les racines carrées des valeurs propres de la matrice $A^{*}A$, qui est une matrice hermitienne. Ainsi, l'inégalité de Weyl s'applique à la matrice $A^{*}A$ et découle donc pour les valeurs singulières de $A$.

Ce résultat donne une borne de la perturbation des valeurs singulières d'une matrice $A$ après une perturbation de la matrice $A$ elle-même.

Voir aussi

Bibliographie

• Modèle:OuvrageModèle:Plume
• Modèle:OuvrageModèle:Plume
• Modèle:Article
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Articles connexes

• Hermann Weyl
• Somme exponentielle
• Matrice hermitienne
• Valeur singulière
• Valeur propre, vecteur propre et espace propre