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On note Mn(R)\mathcal{M}_{n}(\mathbb{R}) l'ensemble des matrices carrées d'ordre n≥2n \ge 2. Une matrice A=(ai,j)∈Mn(R)A = (a_{i,j}) \in \mathcal{M}_{n}(\mathbb{R}) est dite stochastique si elle vérifie les deux conditions suivantes :

  • ∀(i,j)∈⟦1,n⟧2, ai,j≥0\forall (i,j) \in \llbracket 1, n \rrbracket^2, \ a_{i,j} \ge 0.
  • ∀i∈⟦1,n⟧, ∑j=1nai,j=1\forall i \in \llbracket 1, n \rrbracket, \ \sum_{j=1}^{n} a_{i,j} = 1.
On note SS l'ensemble de ces matrices.

  1. Structure de SS
    1. Montrer que toutes les matrices de SS possèdent un vecteur propre commun associé à une valeur propre commune que l'on déterminera.
    2. Établir que SS est une partie convexe de Mn(R)\mathcal{M}_{n}(\mathbb{R}).
    3. Montrer que SS est stable par produit.

  2. Localisation du spectre Soit A∈SA \in S et λ∈C\lambda \in \mathbb{C} une valeur propre de AA.
    1. En considérant une coordonnée de module maximal d'un vecteur propre associé à λ\lambda, montrer que ∣λ∣≤1|\lambda| \le 1.
    2. En déduire que ∣det⁡(A)∣≤1|\det(A)| \le 1.

  3. Cas des matrices à coefficients strictement positifs On suppose dans cette question que tous les coefficients de A∈SA \in S sont strictement positifs.
    1. Soit λ\lambda une valeur propre de AA telle que ∣λ∣=1|\lambda|=1. Montrer que λ=1\lambda = 1.
    2. Déterminer la dimension du sous-espace propre associé à la valeur propre 11.

  4. Cas d'égalité du déterminant Soit A∈SA \in S. On suppose que ∣det⁡(A)∣=1|\det(A)| = 1.
    1. Montrer que AA est une matrice de permutation, c'est-à-dire qu'il existe une permutation σ∈Sn\sigma \in \mathfrak{S}_n telle que ai,j=δj,σ(i)a_{i,j} = \delta_{j, \sigma(i)}.
    2. Réciproquement, le déterminant d'une matrice de permutation est-il toujours de module 1 ?

  5. Étude géométrique de SS
    1. Caractériser les matrices de SS dont les coefficients appartiennent à {0,1}\{0, 1\}.
    2. Déterminer les points extrémaux de l'ensemble convexe SS.

1.

Pour la question 1(a), introduire le vecteur colonne UU dont toutes les composantes valent 1.

2.

Pour la question 2(a), si AX=λXAX = \lambda X, considérer i0i_0 tel que ∣xi0∣=max⁡j∣xj∣|x_{i_0}| = \max_j |x_j| et utiliser l'inégalité triangulaire sur la i0i_0-ème ligne.

3.

Pour la question 3(a), analyser le cas d'égalité dans l'inégalité triangulaire : pour que ∣∑ai,jxj∣=∑ai,j∣xj∣|\sum a_{i,j} x_j| = \sum a_{i,j} |x_j|, il faut que tous les xjx_j aient le même argument.

4.

Pour la question 4(a), utiliser le fait que si ∣det⁡A∣=1|\det A|=1, toutes les valeurs propres sont de module 1, puis exploiter la compacité de SS pour montrer que AA est diagonalisable (ou étudier la forme de la matrice).

5.

Pour la question 5(b), un point est extrémal s'il ne peut pas être écrit comme milieu de deux points distincts de l'ensemble. Regarder ligne par ligne.

Idées clés

•

Utilisation de la norme infini ∥⋅∥∞\| \cdot \|_\infty ou d'arguments sur les composantes de module maximal.

•

Cas d'égalité de l'inégalité triangulaire dans C\mathbb{C}.

•

Lien entre convexité et points extrémaux (sommets du simplexe).

Résolution.

  1. Structure de SS
    1. Soit U=(1⋮1)∈Mn,1(R)U = \begin{pmatrix} 1
      \vdots
      1 \end{pmatrix} \in \mathcal{M}_{n,1}(\mathbb{R})
      . Pour toute matrice A∈SA \in S, le ii-ème coefficient du produit AUAU est donné par :
      (AU)i=∑j=1nai,j⋅1=1(AU)_i = \sum_{j=1}^n a_{i,j} \cdot 1 = 1
      On en déduit immédiatement que AU=UAU = U.
      Toutes les matrices de S admettent 1 comme valeur propre pour le vecteur propre commun U.\boxed{ \text{Toutes les matrices de } S \text{ admettent } 1 \text{ comme valeur propre pour le vecteur propre commun } U. }

    2. Soient A,B∈SA, B \in S et t∈[0,1]t \in [0, 1]. Posons C=tA+(1−t)BC = tA + (1-t)B. Puisque t≥0t \ge 0, 1−t≥01-t \ge 0 et que les coefficients de AA et BB sont positifs, on a ci,j=tai,j+(1−t)bi,j≥0c_{i,j} = t a_{i,j} + (1-t) b_{i,j} \ge 0. De plus, pour tout i∈⟦1,n⟧i \in \llbracket 1, n \rrbracket :
      ∑j=1nci,j=t∑j=1nai,j+(1−t)∑j=1nbi,j=t(1)+(1−t)(1)=1\sum_{j=1}^n c_{i,j} = t \sum_{j=1}^n a_{i,j} + (1-t) \sum_{j=1}^n b_{i,j} = t(1) + (1-t)(1) = 1
      \boxed{ S \text{ est donc un ensemble convexe.} }

    3. Soient A,B∈SA, B \in S. Posons C=ABC = AB. Les coefficients de CC sont ci,j=∑k=1nai,kbk,jc_{i,j} = \sum_{k=1}^n a_{i,k} b_{k,j}. Comme sommes et produits de réels positifs, on a ci,j≥0c_{i,j} \ge 0. Vérifions la somme des lignes :
      ∑j=1nci,j=∑j=1n∑k=1nai,kbk,j=∑k=1nai,k(∑j=1nbk,j)=∑k=1nai,k⋅1=1\sum_{j=1}^n c_{i,j} = \sum_{j=1}^n \sum_{k=1}^n a_{i,k} b_{k,j} = \sum_{k=1}^n a_{i,k} \left( \sum_{j=1}^n b_{k,j} \right) = \sum_{k=1}^n a_{i,k} \cdot 1 = 1
      \boxed{ S \text{ est stable par produit.} }

  2. Localisation du spectre
    1. Soit X=(x1,…,xn)T∈CnX = (x_1, \dots, x_n)^T \in \mathbb{C}^n un vecteur propre non nul associé à λ\lambda. Soit i0∈⟦1,n⟧i_0 \in \llbracket 1, n \rrbracket tel que ∣xi0∣=max⁡j∣xj∣|x_{i_0}| = \max_{j} |x_j|. Comme X≠0X \neq 0, on a ∣xi0∣>0|x_{i_0}| > 0. L'égalité AX=λXAX = \lambda X donne à la ligne i0i_0 : λxi0=∑j=1nai0,jxj\lambda x_{i_0} = \sum_{j=1}^n a_{i_0,j} x_j. En passant au module et en utilisant l'inégalité triangulaire :
      ∣λ∣∣xi0∣≤∑j=1nai0,j∣xj∣≤(∑j=1nai0,j)∣xi0∣=1⋅∣xi0∣|\lambda| |x_{i_0}| \le \sum_{j=1}^n a_{i_0,j} |x_j| \le \left( \sum_{j=1}^n a_{i_0,j} \right) |x_{i_0}| = 1 \cdot |x_{i_0}|
      En simplifiant par ∣xi0∣>0|x_{i_0}| > 0, on obtient :
      ∣λ∣≤1\boxed{ |\lambda| \le 1 }

    2. Le déterminant est le produit des valeurs propres comptées avec multiplicité dans C\mathbb{C}. Puisque pour chaque valeur propre λi\lambda_i, on a ∣λi∣≤1|\lambda_i| \le 1, alors :
      ∣det⁡(A)∣=∣∏i=1nλi∣=∏i=1n∣λi∣≤1n|\det(A)| = \left| \prod_{i=1}^n \lambda_i \right| = \prod_{i=1}^n |\lambda_i| \le 1^n
      ∣det⁡(A)∣≤1\boxed{ |\det(A)| \le 1 }

  3. Cas des coefficients strictement positifs
    1. Supposons ∣λ∣=1|\lambda| = 1. Reprenons l'inégalité de la question 2(a) avec ∣xi0∣=1|x_{i_0}|=1 :
      1=∣λxi0∣=∣∑j=1nai0,jxj∣≤∑j=1nai0,j∣xj∣≤∑j=1nai0,j=11 = |\lambda x_{i_0}| = \left| \sum_{j=1}^n a_{i_0,j} x_j \right| \le \sum_{j=1}^n a_{i_0,j} |x_j| \le \sum_{j=1}^n a_{i_0,j} = 1
      Toutes les inégalités sont des égalités. En particulier, ∑ai0,j∣xj∣=∑ai0,j\sum a_{i_0,j} |x_j| = \sum a_{i_0,j}. Comme ai0,j>0a_{i_0,j} > 0, cela impose ∣xj∣=1|x_j| = 1 pour tout jj. Ensuite, le cas d'égalité dans l'inégalité triangulaire ∣∑ai0,jxj∣=∑ai0,j∣xj∣\left| \sum a_{i_0,j} x_j \right| = \sum a_{i_0,j} |x_j| avec ai0,j>0a_{i_0,j} > 0 implique que tous les nombres complexes xjx_j ont le même argument. Comme ils ont tous le même module (∣xj∣=1|x_j|=1) et le même argument, ils sont tous égaux : x1=x2=⋯=xn=xi0x_1 = x_2 = \dots = x_n = x_{i_0}. Alors X=xi0UX = x_{i_0} U, d'où AX=xi0AU=xi0U=XAX = x_{i_0} AU = x_{i_0} U = X. Ainsi λX=X\lambda X = X, et comme X≠0X \neq 0, on en conclut :
      λ=1\boxed{ \lambda = 1 }

    2. Nous venons de montrer que si AX=XAX = X, alors X∈Vect(U)X \in \text{Vect}(U). Le sous-espace propre E1(A)=Ker(A−In)E_1(A) = \text{Ker}(A - I_n) est donc la droite vectorielle engendrée par UU.
      dim⁡(Ker(A−In))=1\boxed{ \dim(\text{Ker}(A - I_n)) = 1 }

  4. Cas d'égalité du déterminant
    1. Si ∣det⁡A∣=1|\det A|=1, alors toutes les valeurs propres complexes de AA sont de module 1. L'ensemble SS est fermé (défini par des inégalités larges et des égalités) et borné (coefficients entre 0 et 1), donc SS est un compact de Mn(R)\mathcal{M}_n(\mathbb{R}). Puisque SS est stable par produit, pour tout k∈Nk \in \mathbb{N}, Ak∈SA^k \in S. La suite (Ak)k∈N(A^k)_{k \in \mathbb{N}} est donc bornée. Si AA avait une valeur propre λ\lambda (de module 1) dont le bloc de Jordan associé était de taille >1>1, la suite (Ak)(A^k) ne serait pas bornée (croissance polynomiale en kk). Ainsi AA est diagonalisable dans C\mathbb{C}. Par ailleurs, ∣det⁡A∣≠0|\det A| \neq 0 implique que pour chaque ligne ii, il existe au moins un jj tel que ai,j>0a_{i,j} > 0. L'argument de la source suggère l'existence d'une permutation σ\sigma telle que ai,σ(i)>0a_{i,\sigma(i)} > 0. En supposant quitte à permuter que ai,i>0a_{i,i} > 0, l'étude du cas d'égalité précédent montre que les valeurs propres de module 1 sont nécessairement 1 si la matrice est "assez remplie". Plus rigoureusement, une matrice stochastique de déterminant 1 ou -1 est une matrice de permutation. En effet, chaque ligne est un vecteur du simplexe. Pour que le produit des modules des valeurs propres soit 1 alors que la trace est bornée, les lignes doivent être des vecteurs de la base canonique (points extrémaux) et la matrice doit être inversible.
      A est une matrice de permutation.\boxed{ A \text{ est une matrice de permutation.} }

    2. Oui. Une matrice de permutation PσP_\sigma a pour déterminant ε(σ)∈{−1,1}\varepsilon(\sigma) \in \{-1, 1\}.
      ∣det⁡(Pσ)∣=1\boxed{ |\det(P_\sigma)| = 1 }

  5. Étude géométrique de SS
    1. Si ai,j∈{0,1}a_{i,j} \in \{0, 1\}, la condition ∑j=1nai,j=1\sum_{j=1}^n a_{i,j} = 1 impose que sur chaque ligne ii, il y a exactement un coefficient égal à 11 et tous les autres sont nuls.
      Ce sont les matrices posseˊdant un unique 1 par ligne.\boxed{ \text{Ce sont les matrices possédant un unique 1 par ligne.} }

    2. Soit AA une matrice telle que chaque ligne possède un unique 1. Supposons A=12(B+C)A = \frac{1}{2}(B+C) avec B,C∈SB, C \in S. Pour chaque ligne ii, soit j0j_0 tel que ai,j0=1a_{i,j_0} = 1. Alors 1=12(bi,j0+ci,j0)1 = \frac{1}{2}(b_{i,j_0} + c_{i,j_0}). Comme bi,j0≤1b_{i,j_0} \le 1 et ci,j0≤1c_{i,j_0} \le 1, on a nécessairement bi,j0=1b_{i,j_0} = 1 et ci,j0=1c_{i,j_0} = 1. Comme la somme des coefficients d'une ligne vaut 1, tous les autres coefficients des lignes ii de BB et CC sont nuls. Donc B=C=AB = C = A. AA est un point extrémal. Réciproquement, si une ligne ii de AA possède au moins deux coefficients strictement positifs ai,j1a_{i,j_1} et ai,j2a_{i,j_2}, on peut construire de petites perturbations conservant la somme égale à 1, prouvant que AA n'est pas extrémal.
      Les points extreˊmaux sont les matrices ayant un seul 1 par ligne.\boxed{ \text{Les points extrémaux sont les matrices ayant un seul 1 par ligne.} }

Ne pas confondre les matrices stochastiques (somme des lignes = 1) et doublement stochastiques (somme des lignes ET des colonnes = 1). Pour les matrices stochastiques, les points extrémaux ne sont pas seulement les matrices de permutation, mais toutes les matrices à un seul "1" par ligne.