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CCMP 2023 Maths 1PC, PSI

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ÉcoleCCMP
Année2023
ÉpreuveMaths 1
OptionPC, PSI
Thème principalAlgèbre, Analyse
ChapitresEndomorphismes d'un espace euclidien, Espaces préhilbertiens réels et espaces euclidiens, Fonctions vectorielles d'une variable réelle, Dérivabilité et convexité
Commentaire

Un problème élégant mêlant algèbre linéaire et convexité : inégalité de Jensen, log-concavité du déterminant sur les matrices symétriques définies positives, inégalité de Minkowski.

La réduction à la matrice identité par congruence est l'idée clé.

Quelques inégalités de convexité autour du déterminant

Durée de l’épreuve : 3 heures. L’usage de la calculatrice ou de tout dispositif électronique est interdit.

Sujet du Concours commun Mines-Ponts 2023, propriété du GIP CCMP, reproduit avec son autorisation.

Notations et résultats admis

  • Dans tout le problème, \(n\) est un entier naturel supérieur ou égal à 2. On note \(M_n(\mathbb{R})\) (resp. \(M_{n,1}(\mathbb{R})\)) l’ensemble des matrices de taille \(n\times n\) (resp. \(n\times1\)) à coefficients réels.

  • La matrice identité de \(M_n(\mathbb{R})\) est notée \(I_n\).

  • Si \(A\in M_n(\mathbb{R})\), \(\det(A)\) est le déterminant de la matrice \(A\), \(\mathrm{Tr}(A)\) sa trace, \(\mathrm{Sp}(A)\) son spectre et \(A^\top\) sa transposée.

  • On note \(S_n(\mathbb{R})\) l’ensemble des matrices symétriques à coefficients réels de taille \(n\times n\).

  • Sur \(M_{n,1}(\mathbb{R})^2\), on définit l’application \(\langle\cdot,\cdot\rangle\) par \[\forall(X,Y)\in M_{n,1}(\mathbb{R})^2,\quad \langle X,Y\rangle=X^\top Y\] où \(X^\top\) est la transposée de \(X\). On admet que l’on définit ainsi un produit scalaire sur \(M_{n,1}(\mathbb{R})\). On note \(\|\cdot\|\) la norme associée.

  • On admet que l’application \(A\in M_n(\mathbb{R})\mapsto\|A\|_2=\sqrt{\mathrm{Tr}\left(A^\top A\right)}\) est une norme sur \(M_n(\mathbb{R})\).

  • On note \(S_n^+(\mathbb{R})\) (resp. \(S_n^{++}(\mathbb{R})\)) l’ensemble des matrices symétriques \(S\in S_n(\mathbb{R})\) telles que \[\forall X\in M_{n,1}(\mathbb{R})\setminus\{0\},\quad \langle SX,X\rangle\geqslant0\ \ (\text{resp. }>0)\]

  • Soit \(C\) une partie non vide d’un \(\mathbb{R}\)-espace vectoriel \(E\). On dit que \(C\) est convexe si : pour tous \(x,y\in C\) et pour tout \(t\in[0,1]\), \((1-t)x+ty\in C\).

  • On admet que si \(C\) est une partie convexe d’un \(\mathbb{R}\)-espace vectoriel \(E\), alors pour tout \(p\in\mathbb{N}^\ast\), pour tout \((x_1,\dots,x_p)\in C^p\) et pour tout \((\lambda_1,\dots,\lambda_p)\in(\mathbb{R}_+)^p\) tel que \(\displaystyle\sum_{i=1}^{p}\lambda_i=1\), alors \(\displaystyle\sum_{i=1}^{p}\lambda_ix_i\in C\).

  • Une application \(f:C\to\mathbb{R}\) définie sur une partie convexe \(C\) d’un \(\mathbb{R}\)-espace vectoriel \(E\) est dite convexe si \[\forall(x,y)\in C^2,\ \forall t\in[0,1],\quad f\big((1-t)x+ty\big)\leqslant(1-t)f(x)+tf(y)\]

  • Une application \(f:C\to\mathbb{R}\) définie sur une partie convexe \(C\) d’un \(\mathbb{R}\)-espace vectoriel \(E\) est dite concave si son opposé, \(-f\), est convexe, c’est-à-dire \[\forall(x,y)\in C^2,\ \forall t\in[0,1],\quad f\big((1-t)x+ty\big)\geqslant(1-t)f(x)+tf(y)\]

Partie 1 : Questions préliminaires

  1. Montrer qu’une matrice \(S\in S_n(\mathbb{R})\) appartient à \(S_n^+(\mathbb{R})\) si, et seulement si, \(\mathrm{Sp}(S)\subset\mathbb{R}_+\).

De même, on admettra dans la suite du problème que : \(S\in S_n^{++}(\mathbb{R})\) si, et seulement si, \(\mathrm{Sp}(S)\subset\mathbb{R}_+^\ast\).

  1. Montrer que \(S_n^+(\mathbb{R})\) et \(S_n^{++}(\mathbb{R})\) sont des parties convexes de \(M_n(\mathbb{R})\). Sont-elles des sous-espaces vectoriels de \(M_n(\mathbb{R})\) ?

  2. Montrer que, si \(A\in S_n^{++}(\mathbb{R})\), il existe \(S\in S_n^{++}(\mathbb{R})\) telle que \(A=S^2\).

  3. Soit \(I\) intervalle de \(\mathbb{R}\). Soit \(f:I\to\mathbb{R}\) une fonction convexe. Montrer que, pour tout \(p\in\mathbb{N}^\ast\), pour tout \((\lambda_1,\dots,\lambda_p)\in(\mathbb{R}_+)^p\) tel que \(\displaystyle\sum_{i=1}^{p}\lambda_i=1\) et pour tout \((x_1,\dots,x_p)\in I^p\), on a : \[f\left(\sum_{i=1}^{p}\lambda_ix_i\right)\leqslant\sum_{i=1}^{p}\lambda_if(x_i)\]

    Indication : On pourra procéder par récurrence sur \(p\).

Partie 2 : Une première inégalité de convexité

Soit \(M\in S_n^+(\mathbb{R})\) une matrice non nulle.

  1. Montrer l’inégalité \(\dfrac{\mathrm{Tr}(M)}{n}\geqslant\det\nolimits^{1/n}(M)\).

    Indication : On pourra montrer que \(x\mapsto-\ln(x)\) est convexe sur \(\mathbb{R}_+^\ast\).

On pourra dans la suite de cette partie utiliser, sans la prouver, l’inégalité ci-dessous \[\begin{gathered} \forall(x_1,\dots,x_n)\in(\mathbb{R}_+)^n,\\ 2\max\{x_1,\dots,x_n\}\left(\frac{1}{n}\sum_{k=1}^{n}x_k-\prod_{k=1}^{n}x_k^{1/n}\right)\geqslant\frac{1}{n}\sum_{k=1}^{n}\left(x_k-\prod_{j=1}^{n}x_j^{1/n}\right)^2 \end{gathered}\]

  1. Exprimer \(\|M\|_2\) en fonction des valeurs propres de \(M\).

  2. En déduire que \[\frac{\mathrm{Tr}(M)}{n}-\det\nolimits^{1/n}(M)\geqslant\frac{\left\|M-\det\nolimits^{1/n}(M)\,I_n\right\|_2^2}{2n\|M\|_2}\]

Partie 3 : On continue avec de la convexité

  1. Soient \(A\in S_n^{++}(\mathbb{R})\) et \(B\in S_n(\mathbb{R})\). Montrer qu’il existe une matrice diagonale \(D\in M_n(\mathbb{R})\) et \(Q\in GL_n(\mathbb{R})\) telles que \(B=QDQ^\top\) et \(A=QQ^\top\). Que dire des éléments diagonaux de \(D\) si \(B\in S_n^{++}(\mathbb{R})\) ?

    Indication : On pourra utiliser la question 3.

  2. Étudier la convexité de la fonction \(t\mapsto\ln\left(1+\mathrm{e}^t\right)\).

  3. Montrer l’inégalité \[\forall(A,B)\in S_n^{++}(\mathbb{R})^2,\quad \det\nolimits^{1/n}(A+B)\geqslant\det\nolimits^{1/n}(A)+\det\nolimits^{1/n}(B)\]

  4. Montrer que, si \(A\) et \(B\) appartiennent \(S_n^{++}(\mathbb{R})\), alors : \[\forall t\in[0,1],\quad \det\big((1-t)A+tB\big)\geqslant\det(A)^{1-t}\det(B)^t\]

    Justifier que cette inégalité reste valable pour \(A\) et \(B\) seulement dans \(S_n^+(\mathbb{R})\).

  5. Que peut-on en déduire sur la fonction \(\ln\circ\det\) sur \(S_n^{++}(\mathbb{R})\) ?

Partie 4 : Encore de la convexité !

Soit \(A\in S_n^{++}(\mathbb{R})\) et soit \(g:t\in\mathbb{R}\mapsto\det(I_n+tA)\).

  1. Exprimer, pour tout \(t\in\mathbb{R}\), \(g(t)\) à l’aide des valeurs propres de \(A\). En déduire que \(g\) est de classe \(C^\infty\) sur \(\mathbb{R}\).

  2. Soit \(f:t\mapsto\ln\big(\det(I_n+tA)\big)\). Montrer que \[\forall t\in\mathbb{R}_+,\quad \ln\big(\det(I_n+tA)\big)\leqslant\mathrm{Tr}(A)\,t\]

Partie 5 : Et pour finir… de la convexité !

Soient \(A\in S_n^{++}(\mathbb{R})\) et \(M\in S_n(\mathbb{R})\). Soit l’application \(f_A\) définie sur \(\mathbb{R}\) par \[f_A(t)=\det(A+tM)\]

  1. Montrer que \(f_A\) est de classe \(C^\infty\) sur \(\mathbb{R}\).

  2. Montrer qu’il existe \(\varepsilon_0>0\) tel que, pour tout \(t\in\left]-\varepsilon_0,\varepsilon_0\right[\), \(A+tM\in S_n^{++}(\mathbb{R})\).

  3. Montrer que \(f_A(t)\underset{t\to0}{=}\det(A)+\det(A)\mathrm{Tr}\left(A^{-1}M\right)t+\circ(t)\).

    Indication : On pourra commencer par traiter le cas où \(A=I_n\).

  4. Déterminer \(f_A'(t)\) pour tout \(t\in\left]-\varepsilon_0,\varepsilon_0\right[\).

  5. On admet que la fonction \(\Phi:t\mapsto(A+tM)^{-1}\) est de classe \(C^1\) sur \(\left]-\varepsilon_0,\varepsilon_0\right[\). En remarquant que \(\Phi(t)\times(A+tM)=I_n\), montrer que \[\Phi(t)\underset{t\to0}{=}A^{-1}-A^{-1}MA^{-1}t+\circ(t)\]

Soit \(\alpha\in\left]-\frac{1}{n},+\infty\right[\setminus\{0\}\). On définit l’application \(\varphi_\alpha\) par \[\forall t\in\left]-\varepsilon_0,\varepsilon_0\right[,\ \varphi_\alpha(t)=\frac{1}{\alpha}\det\nolimits^{-\alpha}(A+tM)\]

  1. Montrer que \(\varphi_\alpha\) est dérivable sur \(\left]-\varepsilon_0,\varepsilon_0\right[\) et que \[\forall t\in\left]-\varepsilon_0,\varepsilon_0\right[,\quad \varphi_\alpha'(t)=-\mathrm{Tr}\Big((A+tM)^{-1}M\Big)\det\nolimits^{-\alpha}(A+tM)\]

  2. Montrer que \(\varphi_\alpha\) est deux fois dérivable en \(0\) et que \[\varphi_\alpha''(0)=\det\nolimits^{-\alpha}(A)\Big(\alpha\mathrm{Tr}^2\left(A^{-1}M\right)+\mathrm{Tr}\Big(\left(A^{-1}M\right)^2\Big)\Big)\]

  3. Montrer que \(A^{-1}M\) est semblable à une matrice symétrique réelle.

    Indication : On pourra utiliser la question 3.

  4. En déduire que \(\varphi_\alpha''(0)\geqslant0\).

  5. Montrer que, si \(\varphi_\alpha''(0)>0\), alors il existe \(\eta>0\), tel que pour tout \(t\in\left]-\eta,\eta\right[\), \[\frac{1}{\alpha}\det\nolimits^{-\alpha}(A+tM)\geqslant\frac{1}{\alpha}\det\nolimits^{-\alpha}(A)-\mathrm{Tr}\left(A^{-1}M\right)\det\nolimits^{-\alpha}(A)\,t\]

Fin du problème

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