3. (Aronszajn) 设 \bex C=\sex{\ba{cc} A&X\\ X^*&B \ea} \eex
为 Hermite 矩阵, C∈Mn, A∈Mk. 设 A,B,C 的特征值分别为 \al1≥⋯≥\alk, β1≥⋯βn−k, γ1≥⋯≥γn. 则对于满足 i+j−1≤n 的任意的 i,j, \bexγi+j−1+γn≤\ali+βj.\eex
证明:
(1). 仅须证明在 C 半正定的情形, \beeγi+j−1≤\ali+βj.\eee
事实上, 对一般的 C, \bex C-\gamma_nI =\sex{\ba{cc} A-\gamma_nI&X\\ X^*&B-\gamma_nI \ea} \eex
半正定, 而由 (???), \bexγi+j−1−γn≤(\ali−γ−n)+(βj−γn),\eex
\bexγi+j−1+γn≤\ali+βj.\eex
(2). 当 C 半正定时, 由 Courant-Fischer 极大极小刻画, \bex∃ S⊂\bbCk, dimS=k−i+1;∃ T⊂\bbCn−k, dimT=(n−k)−j+1\eex
使得 \bex\ali=maxx∈S\senx=1x∗Ax,βj=maxy∈T\seny=1y∗By.\eex
对 \bexz∈S⊕T=\sed\sex˜x˜y∈\bbCn; ˜x∈S, ˜y∈T,\senz=1\eex
可写成 \bexz=\sexsxty;s,t∈\bbC,|s|2+|t|2=1;x∈S, \senx=1;y∈T, \seny=1.\eex
于是 \beex \bea 0\leq z^*Cz&=\sex{\bar sx^*,\bar t y^*} \sex{\ba{cc} A&X\\ X^*&B \ea}\sex{sx\atop ty}\\ &=|s|^2x^*Ax +\bar stx^*Xy +\bar tsy^*X^*x +|t|^2 y^*By\\ &\leq |s|^2\al_i +\bar st\delta +\bar ts\bar \delta +|t|^2\beta_j\quad\sex{\delta=x^*Xy}. \eea \eeex
若 t≠0, 则 \bee0≤z∗Cz|t|2≤\aliwˉw+δˉw+ˉδw+βj,w=st.\eee
令 \bexf(w)=\aliwˉw+δˉw+ˉδw+βj,w∈\bbC,\eex
则 \beef(w)≥0,∀ w∈\bbC.\eee
而 \bexf\sex−1ˉw=\aliˉww−δw−ˉδˉw+βj≥0,\eex
\bee|w|2f\sex−1ˉw=\ali−δˉw−ˉδw+βjwˉw≥0.\eee
将 (???) 与 (???) 联立有 \bex0≤f(w)+|w|2f\sex−1ˉw=(\ali+βj)(1+wˉw),\eex
\bexf(z)≤(\ali+βj)(1+wˉw),\eex
\bexf\sexst≤(\ali+βj)\sex1+\sevst2,\eex
\bee|t|2f\sexst≤\ali+βj.\eee
当 t=0 时, (???) 也成立. 将 (???) 与 (???) 联立有 \bexz∗Cz≤|t|2f\sexst≤\ali+βj,∀ z∈S⊕T:\senz=1.\eex
由 \beex \bea \dim S\oplus T &=\dim S+\dim T\\ &=(k-i+1)+[(n-k)-j+1]\\ &=n-(i+j-1)+1 \eea \eeex
及 Courant-Fischer 极大极小刻画, \bexγi+j−1≤maxz∈S⊕T\senz=1z∗Cz≤\ali+βj.\eex