$$\newcommand{\mtn}{\mathbb{N}}\newcommand{\mtns}{\mathbb{N}^*}\newcommand{\mtz}{\mathbb{Z}}\newcommand{\mtr}{\mathbb{R}}\newcommand{\mtk}{\mathbb{K}}\newcommand{\mtq}{\mathbb{Q}}\newcommand{\mtc}{\mathbb{C}}\newcommand{\mch}{\mathcal{H}}\newcommand{\mcp}{\mathcal{P}}\newcommand{\mcb}{\mathcal{B}}\newcommand{\mcl}{\mathcal{L}} \newcommand{\mcm}{\mathcal{M}}\newcommand{\mcc}{\mathcal{C}} \newcommand{\mcmn}{\mathcal{M}}\newcommand{\mcmnr}{\mathcal{M}_n(\mtr)} \newcommand{\mcmnk}{\mathcal{M}_n(\mtk)}\newcommand{\mcsn}{\mathcal{S}_n} \newcommand{\mcs}{\mathcal{S}}\newcommand{\mcd}{\mathcal{D}} \newcommand{\mcsns}{\mathcal{S}_n^{++}}\newcommand{\glnk}{GL_n(\mtk)} \newcommand{\mnr}{\mathcal{M}_n(\mtr)}\DeclareMathOperator{\ch}{ch} \DeclareMathOperator{\sh}{sh}\DeclareMathOperator{\th}{th} \DeclareMathOperator{\vect}{vect}\DeclareMathOperator{\card}{card} \DeclareMathOperator{\comat}{comat}\DeclareMathOperator{\imv}{Im} \DeclareMathOperator{\rang}{rg}\DeclareMathOperator{\Fr}{Fr} \DeclareMathOperator{\diam}{diam}\DeclareMathOperator{\supp}{supp} \newcommand{\veps}{\varepsilon}\newcommand{\mcu}{\mathcal{U}} \newcommand{\mcun}{\mcu_n}\newcommand{\dis}{\displaystyle} \newcommand{\croouv}{[\![}\newcommand{\crofer}{]\!]} \newcommand{\rab}{\mathcal{R}(a,b)}\newcommand{\pss}[2]{\langle #1,#2\rangle} $$
Bibm@th

Inégalité de Kantorovitch

Théorème (inégalité de Kantorovitch matricielle) : Soit $A\in\mathcal S_n^{++}(\mathbb R)$ une matrice symétrique définie positive, $\lambda_{\textrm{min}}$ et $\lambda_{\textrm{max}}$ la plus petite et la plus grande valeur propre de $A$. Alors pour tout $x\in\mathbb R^n$, $$\langle Ax,x\rangle \langle A^{-1}x,x\rangle \leq \frac 14\left(\sqrt{\frac{\lambda_{\textrm{min}}}{\lambda_{\textrm{max}}}} +\sqrt{\frac{\lambda_{\textrm{max}}}{\lambda_{\textrm{min}}}}\right)^2 \|x\|^4.$$

Cette inégalité est notamment utilisée pour étudier la convergence dans les méthodes de gradient à pas optimal. En utilisant une base orthonormée de vecteurs propres de $A$, elle se réduit à la version scalaire suivante :

Théorème (inégalité de Kantorovitch scalaire) : Soit $0<\lambda_1\leq\cdots\leq \lambda_n$ des nombres réels strictement positifs. Alors, pour tous réels positifs $x_1,\dots,x_n$ tels que $x_1+\cdots+x_n=1$, on a $$\left (\sum_{i=1}^n \lambda_i x_i\right)\left(\sum_{i=1}^n \lambda_i^{-1}x_i\right)\leq \frac 14\left(\sqrt{\frac{\lambda_{1}}{\lambda_{n}}} +\sqrt{\frac{\lambda_{n}}{\lambda_{1}}}\right)^2.$$
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