Complement de Schur

En algèbre linéaire et plus précisément en théorie des matrices, le complément de Schur est défini comme suit. Soit

une matrice de dimension (p+q)×(p+q), où les blocs A, B, C, D sont des matrices de dimensions respectives p×p, p×q, q×p and q×q, avec D inversible. Alors, le complément de Schur du bloc D de la matrice M est constitué par la matrice de dimension p×p suivante :

A − BD ^{− 1}C.

Lorsque B est la transposée de C, la matrice M est symétrique définie-positive si et seulement si D et son complément de Schur dans M le sont.

Le complément de Schur apparaît en particulier comme le résultat d'une élimination de Gauss «partielle» en multipliant la matrice M à droite avec la matrice «triangulaire inférieure» par blocs suivante

Ici, I_p désigne la matrice identité de dimension p×p. Après multiplication par la matrice LT, le complément de Schur apparaît dans le bloc p×p supérieur. La matrice produit est

L'inverse de M peut ainsi être exprimée en termes de D ^{− 1} et de l'inverse du complément de Schur

ou encore plus simplement,

Application à la résolution d'équations linéaires

Le complément de Schur apparaît naturellement lors de la résolution d'un système d'équations linéaires de la forme

Ax + By = a

Cx + Dy = b

où

• x et a sont des vecteurs colonne de dimension p,
• y et b sont des vecteurs colonne de dimension q,
• A, B, C, D sont comme précédemment.

En multipliant la seconde équation par BD ^{− 1} puis en la soustrayant de la première, il vient

Ainsi, la résolution de cette équation en x est possible dès que D et son complément de Schur sont inversibles. Il est ensuite possible d'obtenir y en résolvant l'équation Cx + Dy = b. Cette méthode réduit le problème de l'inversion d'une matrice de dimension à celui de l'inversion de deux matrices de dimensions respectives p×p et q×q. En pratique, la matrice D doit être bien conditionnée pour rendre la méthode précise.

Applications aux probabilités et à la statistique

Soit (X,Y) un vecteur gaussien de R^n+m de matrice de covariance

Ici, X (respectivement Y) est un vecteur gaussien de Rⁿ (respectivement R^m) de matrice de covariance A (respectivement C).

La loi conditionnelle de X sachant Y est encore une loi gaussienne multivariée de dimension n. Supposons que la matrice V est inversible (elle est donc symétrique et définie positive). Alors, la matrice de covariance de la loi conditionnelle de X sachant Y ne dépend pas de Y et est donnée par le complément de Schur de C dans V.

Cela montre en particulier que le complément de Schur d'un bloc diagonal d'une matrice de covariance empirique d'un échantillon gaussien suit une loi de Wishart (tout comme la matrice de covariance empirique elle-même).

Bibliographie

• Chapitre 7 du livre de R. A. Horn et C. R. Johnson, intitulé « Matrix Analysis », plusieurs fois édité par Cambridge University Press.

Algèbre linéaire générale
Vecteur • Scalaire • Combinaison linéaire • Espace vectoriel • Matrice
Famille de vecteurs	Colinéarité • Indépendance linéaire • Famille libre • Rang • Famille génératrice • Base • Théorème de la base incomplète
Sous-espace	Somme d'ensembles • Somme directe • Sous-espace supplémentaire • Dimension d'un espace vectoriel • Codimension • Droite • Plan • Hyperplan
Morphisme et notions relatives	Application linéaire • Noyau • Conoyau • Lemme des noyaux • Pseudo-inverse • Théorème de factorisation • Théorème du rang • Équation linéaire • Système d'équations linéaires • Élimination de Gauss-Jordan • Forme linéaire • Espace dual • Orthogonalité • Base duale • Endomorphisme linéaire • Valeur propre, vecteur propre et espace propre • Spectre • Projecteur • Symétrie • Matrice diagonalisable • Endomorphisme nilpotent
En dimension finie	Trace • Déterminant • Polynôme caractéristique • Polynôme d'endomorphisme • Théorème de Cayley-Hamilton • Polynôme minimal d'un endomorphisme • Invariants de similitude • Réduction d'endomorphisme • Réduction de Jordan • Décomposition de Dunford
Enrichissements de structure	Norme • Produit scalaire • Forme quadratique • Espace vectoriel topologique • Orientation • Algèbre sur un corps • Algèbre de Lie • Complexe différentiel
Développements	Théorie des matrices • Représentation de groupe • Analyse fonctionnelle • Algèbre multilinéaire • Module sur un anneau

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