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Corrigé détaillé · MP

De 1 + √2 à 2 : le dernier pas vers la conjecture de Crouzeix

Cette page contient la correction complète du devoir. Pour profiter du problème, mieux vaut d’abord chercher l’énoncé puis revenir comparer les méthodes et la rédaction.

Correction en ligne

Solution détaillée et rédaction

Le texte ci-dessous est généré directement depuis le corrigé source de la banque AlgèBrille : la version HTML et le PDF restent ainsi synchronisés avec le même contenu canonique.

Le corrigé suit exactement le fil du sujet. Les notions hermitiennes sur Cd\mathbb C^d ont été introduites dans l’énoncé car le produit scalaire hermitien est explicitement hors programme officiel de MP. L’objectif n’est pas de masquer ce dépassement, mais d’isoler les quelques propriétés élémentaires nécessaires pour laisser l’essentiel du travail porter sur le raisonnement.

I — Du scalaire à la matrice : le Hausdorffien

(a) Pour tout vecteur xx de norme 11,

ABxABxAB.\|ABx\|\leqslant\|A\|\,\|Bx\| \leqslant\|A\|\,\|B\|.

En prenant le supremum sur la sphère unité,

ABAB.\|AB\|\leqslant\|A\|\,\|B\|.

Pour l’adjoint, l’inégalité de Cauchy-Schwarz donne, pour x=1\|x\|=1,

Ax=supy=1Ax,y=supy=1x,AyA.\|A^*x\| =\sup_{\|y\|=1}|\langle A^*x,y\rangle| =\sup_{\|y\|=1}|\langle x,Ay\rangle| \leqslant\|A\|.

Ainsi AA\|A^*\|\leqslant\|A\|. En appliquant la même inégalité à AA^* et en utilisant (A)=A(A^*)^*=A, on obtient l’inégalité réciproque. Donc

A=A.\boxed{\|A^*\|=\|A\|}.

(b) Par sous-multiplicativité,

AAAA=A2.\|A^*A\|\leqslant\|A^*\|\,\|A\|=\|A\|^2.

Réciproquement, pour tout xx unitaire,

Ax2=Ax,Ax=AAx,xAAxAA.\|Ax\|^2=\langle Ax,Ax\rangle =\langle A^*Ax,x\rangle \leqslant\|A^*Ax\| \leqslant\|A^*A\|.

En prenant le supremum,

A2AA.\|A\|^2\leqslant\|A^*A\|.

D’où

AA=A2.\boxed{\|A^*A\|=\|A\|^2}.

(c) La sous-multiplicativité donne par récurrence

QnQn1.\|Q^n\|\leqslant\|Q\|^n\leqslant1.

Puis

Qn=(Qn)=Qn1.\|Q^{*n}\|=\|(Q^n)^*\|=\|Q^n\|\leqslant1.

(d) Comme VV est une isométrie,

V(x+y)2=x+y2.\|V(x+y)\|^2=\|x+y\|^2.

En développant les deux membres et en utilisant Vx=x\|Vx\|=\|x\| et Vy=y\|Vy\|=\|y\|, on obtient

ReVx,Vy=Rex,y.\operatorname{Re}\langle Vx,Vy\rangle =\operatorname{Re}\langle x,y\rangle.

On applique ensuite le même calcul à x+iyx+iy. Comme le produit scalaire est linéaire en première variable, cela donne l’égalité des parties imaginaires. Ainsi

Vx,Vy=x,y.\langle Vx,Vy\rangle=\langle x,y\rangle.

Par conséquent,

VVx,y=Vx,Vy=x,y,\langle V^*Vx,y\rangle=\langle Vx,Vy\rangle=\langle x,y\rangle,

et donc

VV=Id.V^*V=I_d.

Par définition d’une isométrie, V=1\|V\|=1. La question 1(a) donne alors V=1\|V^*\|=1.

  1. L’application
xAx,xx\longmapsto\langle Ax,x\rangle

est continue sur la sphère unité de Cd\mathbb C^d, qui est compacte en dimension finie. Son image H(A)\mathcal H(A) est donc compacte.

Pour x=1\|x\|=1, Cauchy-Schwarz donne

Ax,xAxxA.|\langle Ax,x\rangle| \leqslant\|Ax\|\,\|x\| \leqslant\|A\|.

Donc

H(A)D(0,A).\mathcal H(A)\subset\overline D(0,\|A\|).

Enfin, si Ax=λxAx=\lambda x avec x0x\neq0, on normalise xx en posant u=x/xu=x/\|x\|. Alors

Au,u=λu,u=λ.\langle Au,u\rangle=\lambda\langle u,u\rangle=\lambda.

Ainsi toute valeur propre appartient à H(A)\mathcal H(A).

(a) Pour x=(u,v)x=(u,v),

Nx=(v,0),Nx=vu2+v2=x.Nx=(v,0), \qquad \|Nx\|=|v|\leqslant\sqrt{|u|^2+|v|^2}=\|x\|.

Donc N1\|N\|\leqslant1. Avec x=(0,1)x=(0,1), on obtient Nx=1\|Nx\|=1, donc

N=1.\boxed{\|N\|=1}.

(b) Si x=1\|x\|=1,

Nx,x=vu.\langle Nx,x\rangle=v\overline u.

Or

vu=uvu2+v22=12.|v\overline u|=|u||v| \leqslant\frac{|u|^2+|v|^2}{2}=\frac12.

Donc H(N)D(0,1/2)\mathcal H(N)\subset\overline D(0,1/2).

Réciproquement, soit z=reiθz=re^{i\theta} avec 0r1/20\leqslant r\leqslant1/2. Il existe a[0,1]a\in[0,1] tel que

a1a2=r,a\sqrt{1-a^2}=r,

car la fonction aa1a2a\mapsto a\sqrt{1-a^2} est continue sur [0,1][0,1], nulle aux extrémités et prend la valeur 1/21/2 en a=1/2a=1/\sqrt2. En choisissant

u=aeiθ,v=1a2,u=ae^{-i\theta}, \qquad v=\sqrt{1-a^2},

on a u2+v2=1|u|^2+|v|^2=1 et

vu=reiθ=z.v\overline u=re^{i\theta}=z.

Ainsi

H(N)=D(0,1/2).\boxed{\mathcal H(N)=\overline D(0,1/2)}.

(c) Le choix p(z)=zp(z)=z donne

p(N)=N=1,maxzH(N)p(z)=12.\|p(N)\|=\|N\|=1, \qquad \max_{z\in\mathcal H(N)}|p(z)|=\frac12.

L’inégalité universelle imposerait donc 1C/21\leqslant C/2, soit

C2.\boxed{C\geqslant2}.

La constante 22 de Crouzeix, si elle est valable, est donc nécessairement optimale.

(a) Posons

B=AcIR.B=\frac{A-cI}{R}.

Pour tout xx unitaire,

Bx,x=Ax,xcR.\langle Bx,x\rangle =\frac{\langle Ax,x\rangle-c}{R}.

Comme H(A)D(c,R)\mathcal H(A)\subset\overline D(c,R), on a

Bx,x1.|\langle Bx,x\rangle|\leqslant1.

Donc w(B)1w(B)\leqslant1.

(b) Par Okubo-Ando, il existe une matrice inversible XX telle que

XX12\|X\|\,\|X^{-1}\|\leqslant2

et

C=X1BXC=X^{-1}BX

soit une contraction. Écrivons

q(z)=p(c+Rz).q(z)=p(c+Rz).

Alors p(A)=q(B)p(A)=q(B) et, puisque le calcul polynomial commute aux similitudes,

q(B)=Xq(C)X1.q(B)=Xq(C)X^{-1}.

Par von Neumann,

q(C)maxz1q(z).\|q(C)\|\leqslant\max_{|z|\leqslant1}|q(z)|.

Par conséquent,

p(A)XX1q(C)2maxz1p(c+Rz)=2maxwDp(w).\begin{aligned} \|p(A)\| &\leqslant\|X\|\,\|X^{-1}\|\,\|q(C)\|\\ &\leqslant2\max_{|z|\leqslant1}|p(c+Rz)|\\ &=2\max_{w\in D}|p(w)|. \end{aligned}

(c) Crouzeix demande le maximum sur H(A)\mathcal H(A) lui-même. Un disque contenant H(A)\mathcal H(A) peut être beaucoup plus grand, et donc

maxDp\max_D|p|

peut être beaucoup plus grand que

maxH(A)p.\max_{\mathcal H(A)}|p|.

Le résultat de la question 4 ne suffit donc pas à contrôler p(A)p(A) par la géométrie exacte de H(A)\mathcal H(A).

[IDÉE] C’est un pont réel avec X/ENS Maths A 2026 : l’épreuve démontrait von Neumann, construisait le rayon numérique puis utilisait Okubo-Ando pour obtenir la constante 22 dès que le Hausdorffien était enfermé dans un disque. Le saut restant consistait à remplacer ce disque par H(A)\mathcal H(A) lui-même.

II — Avant 2026 : la barrière 1+21+\sqrt2

  1. Pour alléger les notations, posons
F=Θ(f),G=Θ(g).F=\Theta(f), \qquad G=\Theta(g).

Puisque

(F+G)=F+G,(F+G^*)^*=F^*+G,

le premier terme du membre de droite vaut

F(F+G)FF=FFFF+FGFF.F(F^*+G)FF^* =FF^*FF^*+FGFF^*.

Or Θ\Theta est multiplicative. Comme les fonctions se multiplient commutativement,

FGF=Θ(f)Θ(g)Θ(f)=Θ(fgf).FGF=\Theta(f)\Theta(g)\Theta(f)=\Theta(fgf).

Ainsi

FGFF=Θ(fgf)F,FGFF^*=\Theta(fgf)F^*,

qui est exactement le terme soustrait. Il reste donc

FFFF,FF^*FF^*,

ce qui prouve l’identité annoncée.

  1. Le membre de gauche est
FFFF=(FF)2.FF^*FF^*=(FF^*)^2.

Comme FFFF^* est hermitienne positive,

FFFF=FF2=F4.\|FF^*FF^*\|=\|FF^*\|^2=\|F\|^4.

Pour le premier terme du membre de droite,

F(F+G)FFFF+GFF2K3.\begin{aligned} \|F(F+G^*)^*FF^*\| &\leqslant\|F\|\,\|F+G^*\|\,\|F\|\,\|F^*\|\\ &\leqslant 2K^3. \end{aligned}

D’autre part,

fgff2g1.\|fgf\|_\infty \leqslant\|f\|_\infty^2\|g\|_\infty \leqslant1.

Par définition de KK,

Θ(fgf)K.\|\Theta(fgf)\|\leqslant K.

Par conséquent,

Θ(fgf)FKFK2.\|\Theta(fgf)F^*\| \leqslant K\|F\| \leqslant K^2.

L’identité de la question 5 donne donc

Θ(f)42K3+K2.\boxed{\|\Theta(f)\|^4\leqslant2K^3+K^2}.
  1. Le membre de droite ne dépend plus de ff. En prenant la borne supérieure,
K42K3+K2.K^4\leqslant2K^3+K^2.

Si K=0K=0, le résultat est trivial. Sinon, en divisant par K2K^2,

K22K10.K^2-2K-1\leqslant0.

Les racines du trinôme sont 121-\sqrt2 et 1+21+\sqrt2. Comme K0K\geqslant0,

K1+2.\boxed{K\leqslant1+\sqrt2}.

[IDÉE] Cette partie reprend le cœur du lemme abstrait de Ransford–Schwenninger qui clarifie la preuve Crouzeix–Palencia. Elle montre exactement où se forme 1+21+\sqrt2 : le contrôle d’une seule relation conduit au trinôme K22K1K^2-2K-1. Le mécanisme de la partie suivante ne cherche pas seulement à améliorer l’un des facteurs de cette estimation ; il exploite une famille entière de relations couplées par les puissances.

III — 2026 : utiliser tous les itérés

  1. D’après la question 1(b),
TT=T2=κ2.\|T^*T\|=\|T\|^2=\kappa^2.

La matrice TTT^*T est hermitienne positive. Son théorème spectral donne une base orthonormée de vecteurs propres et sa norme est sa plus grande valeur propre. Il existe donc un vecteur unitaire xx tel que

TTx=κ2x.\boxed{T^*Tx=\kappa^2x}.

En particulier,

Tx2=TTx,x=κ2,\|Tx\|^2=\langle T^*Tx,x\rangle=\kappa^2,

et donc Tx=κ\|Tx\|=\kappa.

(a) Par les questions 1(c) et 1(d),

Sn=2VQnV2VQnV2.\|S_n^*\| =2\|V^*Q^{*n}V\| \leqslant2\|V^*\|\,\|Q^{*n}\|\,\|V\| \leqslant2.

(b) Puisque

Tn=SnEn,T^{*n}=S_n^*-E_n,

on a

Tn=TnSn+En2+M.\|T^n\|=\|T^{*n}\| \leqslant\|S_n^*\|+\|E_n\| \leqslant2+M.

La suite (Tn)(\|T^n\|) est donc bornée.

(c) Enfin,

mnEnTnx,xEnTnM(2+M).|m_n| \leqslant|\langle E_nT^nx,x\rangle| \leqslant\|E_n\|\,\|T^n\| \leqslant M(2+M).

Ainsi (mn)(m_n) est bornée.

  1. Par définition,
κmnmn+1=ReκEnTnxEn+1Tn+1x,x.\begin{aligned} \kappa m_n-m_{n+1} &=\operatorname{Re}\langle \kappa E_nT^nx-E_{n+1}T^{n+1}x,x\rangle. \end{aligned}

Comme EnE_n et En+1E_{n+1} commutent avec TT, on peut faire passer les puissances de TT à gauche :

κEnTnEn+1Tn+1=Tn(κEnEn+1T).\kappa E_nT^n-E_{n+1}T^{n+1} =T^n(\kappa E_n-E_{n+1}T).

C’est exactement ici que l’hypothèse de commutation intervient.

Or

En=SnTn,En+1=Sn+1T(n+1).E_n=S_n^*-T^{*n}, \qquad E_{n+1}=S_{n+1}^*-T^{*(n+1)}.

Donc

κEnEn+1T=κSnSn+1TκTn+T(n+1)T.\begin{aligned} \kappa E_n-E_{n+1}T &=\kappa S_n^*-S_{n+1}^*T -\kappa T^{*n}+T^{*(n+1)}T. \end{aligned}

Ainsi

κmnmn+1=ReTn(T(n+1)TκTn)x,xReTn(Sn+1TκSn)x,x.\begin{aligned} \kappa m_n-m_{n+1} &=\operatorname{Re}\langle T^n(T^{*(n+1)}T-\kappa T^{*n})x,x\rangle\\ &\quad-\operatorname{Re}\langle T^n(S_{n+1}^*T-\kappa S_n^*)x,x\rangle. \end{aligned}

Comme

T(n+1)TκTn=Tn(TTκI),T^{*(n+1)}T-\kappa T^{*n} =T^{*n}(T^*T-\kappa I),

et

(TTκI)x=(κ2κ)x,(T^*T-\kappa I)x=(\kappa^2-\kappa)x,

le premier terme devient

(κ2κ)TnTnx,x=(κ2κ)Tnx2.(\kappa^2-\kappa)\langle T^nT^{*n}x,x\rangle =(\kappa^2-\kappa)\|T^{*n}x\|^2.

On obtient bien

κmnmn+1=(κ2κ)Tnx2ReTn(Sn+1TκSn)x,x.\boxed{ \begin{aligned} \kappa m_n-m_{n+1} &=(\kappa^2-\kappa)\|T^{*n}x\|^2\\ &\quad-\operatorname{Re}\langle T^n(S_{n+1}^*T-\kappa S_n^*)x,x\rangle. \end{aligned}}

(a) Avec

yn=(Sn+1TκSn)x,y_n=(S_{n+1}^*T-\kappa S_n^*)x,

l’identité de l’adjoint donne

Tnyn,x=yn,Tnx.\langle T^ny_n,x\rangle=\langle y_n,T^{*n}x\rangle.

Donc le dernier terme est bien

Reyn,Tnx.\operatorname{Re}\langle y_n,T^{*n}x\rangle.

(b) Posons

a=κ2κ>0,z=Tnx.a=\kappa^2-\kappa>0, \qquad z=T^{*n}x.

Alors

az2Reyn,z=azyn2a2yn24a.a\|z\|^2-\operatorname{Re}\langle y_n,z\rangle =a\left\|z-\frac{y_n}{2a}\right\|^2-\frac{\|y_n\|^2}{4a}.

La norme carrée étant positive,

κmnmn+1yn24(κ2κ).\boxed{\kappa m_n-m_{n+1} \geqslant-\frac{\|y_n\|^2}{4(\kappa^2-\kappa)}}.

(a) À partir de

Sn=2VQnV,S_n^*=2V^*Q^{*n}V,

on calcule

yn=2VQ(n+1)VTx2κVQnVx=2VQn(QVTxκVx)=2VQnu.\begin{aligned} y_n &=2V^*Q^{*(n+1)}VTx-2\kappa V^*Q^{*n}Vx\\ &=2V^*Q^{*n}(Q^*VTx-\kappa Vx)\\ &=2V^*Q^{*n}u. \end{aligned}

(b) Puisque V=1\|V^*\|=1 et Qn1\|Q^{*n}\|\leqslant1,

yn2u.\|y_n\|\leqslant2\|u\|.

La question 11 donne donc

κmnmn+14u24(κ2κ),\kappa m_n-m_{n+1} \geqslant-\frac{4\|u\|^2}{4(\kappa^2-\kappa)},

soit

κmnmn+1u2κ2κ.\boxed{\kappa m_n-m_{n+1} \geqslant-\frac{\|u\|^2}{\kappa^2-\kappa}}.
  1. Notons
c=u2κ2κ.c=\frac{\|u\|^2}{\kappa^2-\kappa}.

L’inégalité précédente s’écrit

mnκ1mn+1κ1c.m_n\geqslant\kappa^{-1}m_{n+1}-\kappa^{-1}c.

Pour n=1n=1,

m1κ1m2κ1c.m_1\geqslant\kappa^{-1}m_2-\kappa^{-1}c.

Puis on remplace m2m_2 par sa minoration, et ainsi de suite. Une récurrence immédiate donne

m1κPmP+1cn=1Pκn.m_1\geqslant\kappa^{-P}m_{P+1}-c\sum_{n=1}^P\kappa^{-n}.

La suite (mn)(m_n) est bornée et κ>1\kappa>1, donc

κPmP+10.\kappa^{-P}m_{P+1}\longrightarrow0.

De plus,

n=1+κn=1κ1.\sum_{n=1}^{+\infty}\kappa^{-n}=\frac1{\kappa-1}.

Par conséquent,

m1u2κ2κ1κ1=u2κ(κ1)2.\begin{aligned} m_1 &\geqslant-\frac{\|u\|^2}{\kappa^2-\kappa}\frac1{\kappa-1}\\ &=-\frac{\|u\|^2}{\kappa(\kappa-1)^2}. \end{aligned}

Ainsi

m1u2κ(κ1)2.\boxed{m_1\geqslant-\frac{\|u\|^2}{\kappa(\kappa-1)^2}}.

[IDÉE] C’est ici que « tous les itérés » deviennent une information nouvelle. Chaque relation transporte l’inconnue mnm_n vers mn+1m_{n+1}. La chaîne entière permet de pousser ce terme arbitrairement loin, puis la pondération κP\kappa^{-P} fait disparaître le reste grâce à la bornitude. Avec une seule relation, ce mécanisme de fermeture n’existe pas.

  1. Développons
u=QVTxκVx.u=Q^*VTx-\kappa Vx.

On obtient

u2=QVTx2+κ2Vx22κReQVTx,Vx.\|u\|^2 =\|Q^*VTx\|^2+\kappa^2\|Vx\|^2 -2\kappa\operatorname{Re}\langle Q^*VTx,Vx\rangle.

Comme QQ est une contraction, VV une isométrie et Tx=κ\|Tx\|=\kappa,

QVTx2VTx2=Tx2=κ2,\|Q^*VTx\|^2\leqslant\|VTx\|^2=\|Tx\|^2=\kappa^2,

et Vx=1\|Vx\|=1. D’autre part,

QVTx,Vx=VQVTx,x=12S1Tx,x.\langle Q^*VTx,Vx\rangle =\langle V^*Q^*VTx,x\rangle =\frac12\langle S_1^*Tx,x\rangle.

Ainsi

u22κ2κReS1Tx,x.\|u\|^2 \leqslant2\kappa^2 -\kappa\operatorname{Re}\langle S_1^*Tx,x\rangle.

Or

S1=E1+T.S_1^*=E_1+T^*.

Donc

ReS1Tx,x=ReE1Tx,x+TTx,x.\operatorname{Re}\langle S_1^*Tx,x\rangle =\operatorname{Re}\langle E_1Tx,x\rangle +\langle T^*Tx,x\rangle.

Le premier terme vaut m1m_1 et le second vaut κ2\kappa^2. Par conséquent,

u22κ2κm1κ3.\boxed{\|u\|^2\leqslant2\kappa^2-\kappa m_1-\kappa^3}.
  1. La question 13 donne
κm1u2(κ1)2.-\kappa m_1\leqslant\frac{\|u\|^2}{(\kappa-1)^2}.

En l’injectant dans la question 14,

u22κ2κ3+u2(κ1)2.\|u\|^2 \leqslant2\kappa^2-\kappa^3 +\frac{\|u\|^2}{(\kappa-1)^2}.

Donc

u2(11(κ1)2)2κ2κ3.\boxed{\|u\|^2\left(1-\frac1{(\kappa-1)^2}\right) \leqslant2\kappa^2-\kappa^3}.

Supposons κ>2\kappa>2. Alors κ1>1\kappa-1>1, donc

11(κ1)2>0.1-\frac1{(\kappa-1)^2}>0.

Le membre de gauche est donc positif ou nul. Mais

2κ2κ3=κ2(2κ)<0,2\kappa^2-\kappa^3 =\kappa^2(2-\kappa)<0,

ce qui est impossible. Ainsi κ2\kappa\leqslant2, c’est-à-dire

T2.\boxed{\|T\|\leqslant2}.

(a) Pour un seul indice, la question 11 fournit une relation entre mnm_n et mn+1m_{n+1}. Elle ne donne aucune minoration autonome de mnm_n : un terme suivant, a priori inconnu, subsiste.

(b) En itérant, ce terme devient

κPmP+1.\kappa^{-P}m_{P+1}.

La bornitude de (mn)(m_n) et le fait que κ>1\kappa>1 imposent sa convergence vers 00. Sans bornitude, le télescopage pondéré ne fermerait pas l’estimation.

(c) L’information importante n’est donc pas « la relation au rang 11 est un peu meilleure ». La preuve utilise une même structure pour chaque puissance de TT, transforme toutes ces relations en une chaîne, les pondère par les puissances de κ1\kappa^{-1}, puis laisse l’indice tendre vers l’infini. Cette organisation produit la minoration quantitative de m1m_1 qui manquait. Une fois cette minoration combinée à l’estimation de u2\|u\|^2, toute valeur κ>2\kappa>2 devient impossible.

[IDÉE] C’est le cœur de la nouveauté pédagogique du DM : l’élève a démontré lui-même la spécialisation matricielle du lemme de perturbation de Lorist–Schwenninger. Le calcul utilise exactement la famille des EnE_n, la commutation, la complétion du carré, la suite mnm_n, le télescopage pondéré et la contradiction finale à κ>2\kappa>2.

IV — Le pont analytique admis : retour à p(A)p(A)

  1. Par le choix de Ω\Omega,
supzΩp(z)M+ε.\sup_{z\in\Omega}|p(z)|\leqslant M+\varepsilon.

Le polynôme

f=pM+εf=\frac p{M+\varepsilon}

vérifie donc

supzΩf(z)1.\sup_{z\in\Omega}|f(z)|\leqslant1.

Le théorème admis construit pour

T=f(A)=p(A)M+εT=f(A)=\frac{p(A)}{M+\varepsilon}

les objets QQ, VV et (En)(E_n) qui satisfont toutes les hypothèses de la partie III. Celle-ci donne

T2.\|T\|\leqslant2.

Par homogénéité,

p(A)2(M+ε).\boxed{\|p(A)\|\leqslant2(M+\varepsilon)}.
  1. L’inégalité précédente vaut pour tout ε>0\varepsilon>0. En faisant tendre ε\varepsilon vers 00,
p(A)2M,\|p(A)\|\leqslant2M,

soit

p(A)2maxzH(A)p(z).\boxed{\|p(A)\|\leqslant2\max_{z\in\mathcal H(A)}|p(z)|}.

Le cas M=0M=0 ne pose aucune difficulté : on ne divise jamais par MM mais par M+εM+\varepsilon, puis le passage à la limite donne directement p(A)=0\|p(A)\|=0.

Ce que vous avez réellement démontré

Le sujet ne prétend pas reconstruire de zéro toute la preuve analytique moderne. Vous avez démontré trois morceaux distincts.

  • Vous avez retrouvé le cadre du Hausdorffien et l’exemple 2×22\times2 qui impose la constante 22.
  • Vous avez reconstruit l’argument algébrique qui mène à 1+21+\sqrt2, dans la formulation de Ransford–Schwenninger de la méthode Crouzeix–Palencia.
  • Surtout, vous avez démontré la spécialisation matricielle du lemme central de Lorist–Schwenninger : lorsque toute la famille En=2VQnVTnE_n=2V^*Q^{*n}V-T^{*n} est disponible, la chaîne sur les mnm_n force T2\|T\|\leqslant2.

La seule grande étape avancée laissée admise est le pont qui, à partir d’un polynôme contrôlé sur un voisinage du Hausdorffien, construit précisément QQ, VV et les EnE_n. Dans l’article de Lorist et Schwenninger, ce pont utilise un potentiel de double couche, une représentation intégrale et le calcul fonctionnel holomorphe. Notre énoncé en extrait uniquement les conséquences effectivement utilisées dans la partie III.

Le contraste historique est particulièrement net. Le 13 avril 2026, X/ENS Maths A 2026, en filières MP-MPI, consacrait sa dernière partie à Crouzeix et la présentait encore comme une conjecture. Elle démontrait notamment von Neumann, étudiait le Hausdorffien et le rayon numérique, faisait apparaître l’optimalité de 22 et utilisait Okubo-Ando pour traiter les disques contenant le Hausdorffien. Le 4 août 2026, Lorist et Schwenninger déposaient une prépublication annonçant une preuve générale. Une prépublication indépendante de Shanmu Jin a également été déposée en 2026. À la date de rédaction de ce DM, ces deux travaux sont à présenter comme des prépublications annoncées, et non comme des articles déjà validés par un processus de publication avec évaluation par les pairs.

Positionnement par rapport au programme MP

Les outils d’algèbre linéaire, les matrices, les valeurs propres, les polynômes de matrices, les espaces normés, la norme subordonnée et les sommes géométriques appartiennent au cadre de MP ou aux acquis de MPSI. Le théorème spectral utilisé sur TTT^*T est la version hermitienne complexe d’un résultat familier en cadre euclidien réel ; cette extension est fournie dans le sujet.

Le produit scalaire hermitien sur Cd\mathbb C^d est explicitement déclaré hors programme dans le programme officiel de MP. Sont également hors programme, mais introduits de manière élémentaire dans le devoir, l’adjoint complexe, le Hausdorffien (aussi appelé champ numérique), le rayon numérique et le petit cadre multiplicatif abstrait de la partie II.

Le seul bloc réellement avancé utilisé sans démonstration est le pont analytique de la partie IV : potentiel de double couche, représentation intégrale et calcul fonctionnel holomorphe, condensés dans l’énoncé admis qui construit QQ, VV et les EnE_n.

Sources

[SOURCE] École polytechnique, X/ENS Maths A 2026, épreuve officielle du 13 avril 2026, filières MP-MPI.

[SOURCE] E. Lorist et F. L. Schwenninger, A solution to Crouzeix’s conjecture, arXiv:2608.03841v1, 4 août 2026 : Lien direct.

[SOURCE] M. Crouzeix et C. Palencia, The numerical range is a (1+2)(1+\sqrt2)-spectral set, SIAM Journal on Matrix Analysis and Applications 38 (2017), 649–655 : Lien direct.

[SOURCE] T. Ransford et F. L. Schwenninger, Remarks on the Crouzeix-Palencia proof that the numerical range is a (1+2)(1+\sqrt2)-spectral set, SIAM Journal on Matrix Analysis and Applications 39 (2018), 342–345 : Lien direct.

[SOURCE] K. Okubo et T. Ando, Constants related to operators of class CρC_\rho, Manuscripta Mathematica 16 (1975), 385–394 : Lien direct.

[SOURCE] S. Jin, The Numerical Range Is a 2-Spectral Set, prépublication, version 4 mise en ligne le 7 août 2026 : Lien direct.

[SOURCE] Ministère de l’Enseignement supérieur, programme officiel de mathématiques de MP : Lien direct.