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Quiz : Matrices Positives & Semi-définies (Supérieur)

Quatorze questions de difficulté croissante sur les matrices symétriques positives et définies positives, de la définition à la hessienne.

Cet article a été rédigé à des fins pédagogiques. Les informations présentées peuvent évoluer. Nous t’invitons à vérifier auprès de sources officielles.

L'essentiel à connaître

Une matrice symétrique réelle $A$ est positive si $x^\top A x \ge 0$ pour tout $x \in \mathbb{R}^n$, et définie positive si $x^\top A x > 0$ pour tout $x \neq 0$. Pour trancher, calcule son spectre, c'est-à-dire ses valeurs propres : toutes $\ge 0$ pour une matrice positive, toutes $> 0$ pour une définie positive. Exemple : $\begin{pmatrix} 2 & 1 \\ 1 & 2 \end{pmatrix}$ a pour valeurs propres $1$ et $3$, elle est définie positive.

Leurs ensembles se notent $\mathcal{S}_n^+(\mathbb{R})$ et $\mathcal{S}_n^{++}(\mathbb{R})$, comme dans le programme de MP et MPI (2021). On dit aussi « semi-définie positive » pour « positive », sans lien avec des coefficients positifs.

La matrice $A$ d'une forme quadratique $q(x) = x^\top A x$ porte les coefficients des carrés sur sa diagonale, et la moitié de celui de chaque terme croisé $x_ix_j$ en positions $(i,j)$ et $(j,i)$. Comme $\det A$ est le produit des valeurs propres et $\operatorname{tr} A$ leur somme, une matrice positive est définie positive si et seulement si $\det A \neq 0$. En taille $2$, $A$ est définie positive si et seulement si $\operatorname{tr} A > 0$ et $\det A > 0$.

Propriété : Si $A$ est positive, $a_{ii} = e_i^\top A e_i \ge 0$, où $e_i$ est le $i$-ième vecteur de la base canonique ; si elle est définie positive, $a_{ii} > 0$. L'inverse d'une matrice définie positive est définie positive (valeurs propres $1/\lambda$), tout comme la somme d'une positive et d'une définie positive. Pour $M \in \mathcal{M}_{p,n}(\mathbb{R})$, $M^\top M$ est positive car $x^\top M^\top M x = \|Mx\|^2$, et elle est définie positive si et seulement si $\operatorname{rg} M = n$.

Règle : critère de Sylvester. Une matrice symétrique est définie positive si et seulement si ses mineurs principaux dominants sont tous $> 0$. Le $k$-ième, $\Delta_k$, est le déterminant du bloc formé des $k$ premières lignes et colonnes.

Piège classique : avec $\ge$ à la place de $>$, ce critère ne caractérise pas les matrices positives : il faut alors tous les mineurs principaux (déterminants des blocs pris sur les mêmes lignes et colonnes, choisies librement), pas seulement les dominants. Et tout ceci suppose $A$ symétrique : une matrice non symétrique peut avoir des valeurs propres $> 0$ sans que $x^\top A x$ soit toujours $\ge 0$.

En analyse, la hessienne $H_f(a)$ d'une fonction $f$ de classe $\mathcal{C}^2$, matrice de ses dérivées partielles secondes, est symétrique. En un point critique $a$, $H_f(a) \in \mathcal{S}_n^{++}(\mathbb{R})$ donne un minimum local strict. Un minimum local impose seulement $H_f(a) \in \mathcal{S}_n^+(\mathbb{R})$, et une hessienne positive non définie ne permet pas de conclure.

Quiz : teste tes connaissances

Les questions montent en difficulté, et les trois dernières sont les plus piégeuses.

Question 1 : Une matrice symétrique réelle $A$ d'ordre $n$ est positive si :

A. $x^\top A x \ge 0$ pour tout $x \in \mathbb{R}^n$.
B. Tous ses coefficients $a_{ij}$ sont $\ge 0$.
C. Ses coefficients diagonaux $a_{ii}$ sont $\ge 0$.
D. Son déterminant $\det A$ est $\ge 0$.

Réponse : A. C'est la définition. Le piège B confond avec une matrice à coefficients positifs : $A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 2 & 1 \end{pmatrix}$ en est une, mais $x = (1, -1)$ donne $x^\top A x = -2$.

Question 2 : Une matrice symétrique réelle est définie positive si et seulement si :

A. Toutes ses valeurs propres sont $\ge 0$.
B. Au moins une valeur propre est $> 0$.
C. Toutes ses valeurs propres sont $> 0$.
D. La somme de ses valeurs propres est $> 0$.

Réponse : C. C'est la caractérisation spectrale. Le piège A ne donne qu'une matrice positive : $A = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}$ a pour valeurs propres $1$ et $0$, et $x = (0, 1)$ donne $x^\top A x = 0$.

Question 3 : Quelle est la matrice symétrique $A$ telle que $x^\top A x = 3x_1^2 + 4x_1x_2 + 3x_2^2$ pour tout $x \in \mathbb{R}^2$ ?

A. $\begin{pmatrix} 3 & 4 \\ 4 & 3 \end{pmatrix}$
B. $\begin{pmatrix} 3 & 2 \\ 2 & 3 \end{pmatrix}$
C. $\begin{pmatrix} 6 & 4 \\ 4 & 6 \end{pmatrix}$
D. $\begin{pmatrix} 3 & 4 \\ 0 & 3 \end{pmatrix}$

Réponse : B. Le coefficient $4$ du terme croisé se partage en deux : $2$ en position $(1,2)$, $2$ en position $(2,1)$. Le piège A le compte deux fois, ce qui donne $3x_1^2 + 8x_1x_2 + 3x_2^2$. C est la hessienne de $x \mapsto x^\top A x$, égale à $2A$, et D n'est pas symétrique.

Question 4 : Quelles sont les valeurs propres de $A = \begin{pmatrix} 3 & 2 \\ 2 & 3 \end{pmatrix}$, et que conclure ?

A. $3$ et $3$ : $A$ est définie positive.
B. $-1$ et $7$ : $A$ n'est ni positive ni négative.
C. $-1$ et $-5$ : $A$ est définie négative.
D. $1$ et $5$ : $A$ est définie positive.

Réponse : D. $\det(A - \lambda I_2) = (3 - \lambda)^2 - 4 = (\lambda - 1)(\lambda - 5)$, donc $1$ et $5$, tous deux $> 0$. Le piège A lit les valeurs propres sur la diagonale, ce qui ne vaut que pour une matrice triangulaire.

Question 5 : Sans calculer son spectre, la matrice symétrique $A = \begin{pmatrix} 3 & 2 & 1 \\ 2 & -1 & 0 \\ 1 & 0 & 5 \end{pmatrix}$ est-elle positive ?

A. Oui, car sa trace $\operatorname{tr} A = 7$ est $> 0$.
B. Non, car son coefficient $a_{22}$ vaut $-1$.
C. Oui, car chaque ligne a une somme $> 0$.
D. Impossible à dire sans son spectre.

Réponse : B. Une matrice positive vérifie $a_{ii} = e_i^\top A e_i \ge 0$ pour tout $i$, donc $a_{22} = -1$ suffit à conclure. Le piège A prend une condition nécessaire pour suffisante : la trace d'une matrice positive est $\ge 0$, mais la réciproque est fausse.

Question 6 : Soit $A \in \mathcal{S}_n^{++}(\mathbb{R})$. Que peut-on dire de $A^{-1}$ ?

A. Elle est symétrique définie positive.
B. Elle est symétrique positive, sans être définie.
C. Elle est définie positive, mais pas forcément symétrique.
D. Elle est symétrique, mais pas forcément positive.

Réponse : A. $(A^{-1})^\top = (A^\top)^{-1} = A^{-1}$, et les valeurs propres de $A^{-1}$ sont les $1/\lambda$, toutes $> 0$. Le piège C oublie que l'inverse d'une matrice symétrique reste symétrique.

Question 7 : Pour quelles valeurs du réel $a$ la matrice $A = \begin{pmatrix} 1 & a \\ a & 4 \end{pmatrix}$ est-elle définie positive ?

A. $a \in [-2\,;\,2]$
B. $a \in ]{-4}\,;\,4[$
C. $a \in ]{-2}\,;\,2[$
D. $a \in ]{-\infty}\,;\,2[$

Réponse : C. En taille $2$, il faut $\operatorname{tr} A > 0$ et $\det A > 0$. La trace vaut $5$, et $\det A = 4 - a^2 > 0$ donne $-2 < a < 2$. Le piège A garde les bornes : pour $a = 2$, $\det A = 0$, la matrice est positive mais pas définie.

Question 8 : Les mineurs principaux dominants $\Delta_1$, $\Delta_2$, $\Delta_3$ de $A = \begin{pmatrix} 2 & -1 & 0 \\ -1 & 2 & -1 \\ 0 & -1 & 2 \end{pmatrix}$ valent :

A. $2$, $5$ et $8$.
B. $2$, $3$ et $8$.
C. $2$, $3$ et $6$.
D. $2$, $3$ et $4$.

Réponse : D. $\Delta_2 = 2 \times 2 - (-1)^2 = 3$ et, en développant selon la première ligne, $\Delta_3 = 2 \times 3 - (-1) \times (-2) = 4$. Tous sont $> 0$ : $A$ est définie positive. Le piège B oublie le signe $-$ du cofacteur en position $(1,2)$.

Question 9 : Soit $A \in \mathcal{S}_n^+(\mathbb{R})$. Quelle condition équivaut à « $A$ est définie positive » ?

A. $\det A \neq 0$
B. $\operatorname{tr} A > 0$
C. $a_{ii} > 0$ pour tout $i$
D. $\det A \ge 0$

Réponse : A. Les valeurs propres de $A$ sont $\ge 0$ et $\det A$ est leur produit : il est non nul exactement quand elles sont toutes $> 0$. Le piège C tombe sur $\begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 1 \end{pmatrix}$, positive de valeurs propres $0$ et $2$, dont la diagonale est pourtant $> 0$.

Question 10 : Soit $A \in \mathcal{S}_n^+(\mathbb{R})$ et $B \in \mathcal{S}_n^{++}(\mathbb{R})$. Que dire de $A + B$ ?

A. Elle est positive, sans être forcément définie.
B. Elle est définie positive.
C. Elle n'est pas forcément positive.
D. Elle est définie positive seulement si $A$ l'est.

Réponse : B. Pour $x \neq 0$, $x^\top (A + B) x = x^\top A x + x^\top B x$ ajoute un nombre $\ge 0$ à un nombre $> 0$. Le piège A croit que la matrice seulement positive tire la somme vers le bas : un seul terme strictement positif suffit.

Question 11 : La matrice $B = \begin{pmatrix} 1 & -4 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}$ n'est pas symétrique. A-t-on $x^\top B x \ge 0$ pour tout $x \in \mathbb{R}^2$ ?

A. Oui, car sa seule valeur propre, $1$, est $> 0$.
B. Oui, car $\operatorname{tr} B = 2 > 0$ et $\det B = 1 > 0$.
C. Oui, car ses mineurs dominants valent $1$ et $1$.
D. Non, car $x = (1, 1)$ donne $x^\top B x = -2$.

Réponse : D. $x^\top B x = x_1^2 - 4x_1x_2 + x_2^2$, qui vaut $-2$ en $(1, 1)$. Tous ces critères supposent une matrice symétrique. Le piège A les applique à $B$, alors que $x^\top B x = x^\top S x$ avec $S = \frac{1}{2}(B + B^\top) = \begin{pmatrix} 1 & -2 \\ -2 & 1 \end{pmatrix}$, de valeurs propres $-1$ et $3$.

Question 12 : Soit $M \in \mathcal{M}_{3,2}(\mathbb{R})$ de rang $2$. Laquelle de ces affirmations est vraie ?

A. $M^\top M$ et $MM^\top$ sont toutes deux définies positives.
B. $M^\top M$ est positive non définie, $MM^\top$ est définie positive.
C. $M^\top M$ est définie positive, $MM^\top$ est positive non définie.
D. $M^\top M$ et $MM^\top$ sont toutes deux positives non définies.

Réponse : C. $x^\top M^\top M x = \|Mx\|^2$ ne s'annule qu'en $x = 0$ car $\operatorname{rg} M = 2$, le nombre de colonnes de $M$ : $M^\top M$ est définie positive. $MM^\top = (M^\top)^\top M^\top$ est positive aussi, mais $M^\top$ a $3$ colonnes pour un rang $2$ : elle n'est pas définie. Le piège A oublie de recompter les colonnes.

Question 13 : Les mineurs principaux dominants de $A = \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & -1 \end{pmatrix}$ valent $\Delta_1 = 0$ et $\Delta_2 = 0$, tous deux $\ge 0$. Que conclure ?

A. $A$ n'est pas positive : $x = (0, 1)$ donne $x^\top A x = -1$.
B. $A$ est positive, mais pas définie positive.
C. $A$ est définie négative, car $a_{22} < 0$.
D. On ne peut pas conclure sans calculer son spectre.

Réponse : A. Avec des inégalités larges, le critère de Sylvester ne vaut plus : il faudrait aussi le mineur principal formé de la ligne $2$ et de la colonne $2$, qui vaut $-1$. Le piège B l'applique quand même.

Question 14 : La fonction $f(x, y) = x^2 - y^4$ a un point critique en $(0, 0)$, où $H_f(0, 0) = \begin{pmatrix} 2 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}$ est positive non définie. Que dire de $(0, 0)$ ?

A. $f$ y atteint un minimum local.
B. Ce n'est pas un extremum local de $f$.
C. $f$ y atteint un minimum local strict.
D. $f$ y atteint un maximum local.

Réponse : B. $f(0, 0) = 0$, alors que $f(x, 0) = x^2 > 0$ et $f(0, y) = -y^4 < 0$ pour $x$ et $y$ non nuls : $f$ prend les deux signes tout près de $(0, 0)$. Le piège A inverse le théorème : un minimum local impose une hessienne positive, pas l'inverse. Avec $x^2 + y^4$, de même hessienne, c'est un minimum : la hessienne seule ne tranche pas.

Sources

Ministère de l'Enseignement supérieur, de la Recherche et de l'Innovation, programme de mathématiques des classes MP et MPI (2021), parties « Endomorphismes d'un espace euclidien » et « Calcul différentiel et optimisation ».

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