Licence 3Analyse

Produit scalaire et espaces préhilbertiens

55 min15 exercicesSéquence 1.1Licence 3

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Durée : 55 min

Produit scalaire et espaces préhilbertiens

1. Produit scalaire sur un espace vectoriel réel

Un produit scalaire sur un espace vectoriel réel EE est une application ,:E×ER\langle\cdot,\cdot\rangle:E\times E\to\mathbb{R} bilinéaire, symétrique (x,y=y,x\langle x,y\rangle=\langle y,x\rangle) et définie positive (x,x>0\langle x,x\rangle>0 pour x0x\neq0). On note x=x,x\|x\|=\sqrt{\langle x,x\rangle} la norme associée. Un espace muni d'un produit scalaire est dit préhilbertien.

Exemples : Rn\mathbb{R}^n avec le produit scalaire usuel x,y=ixiyi\langle x,y\rangle=\sum_ix_iy_i ; l'espace C([a,b])C([a,b]) des fonctions continues avec f,g=abf(t)g(t)dt\langle f,g\rangle=\displaystyle\int_a^bf(t)g(t)\,dt ; l'espace 2\ell^2 des suites réelles (un)(u_n) telles que un2<\sum u_n^2<\infty, avec u,v=nunvn\langle u,v\rangle=\sum_nu_nv_n.

2. Inégalité de Cauchy-Schwarz et inégalité triangulaire

Théorème (Cauchy-Schwarz) : pour tous x,yEx,y\in E, x,yxy|\langle x,y\rangle|\leq\|x\|\,\|y\|, avec égalité si et seulement si x,yx,y sont colinéaires.

Conséquence — inégalité triangulaire : x+yx+y\|x+y\|\leq\|x\|+\|y\| (en développant x+y2=x2+2x,y+y2x2+2xy+y2=(x+y)2\|x+y\|^2=\|x\|^2+2\langle x,y\rangle+\|y\|^2\leq\|x\|^2+2\|x\|\|y\|+\|y\|^2=(\|x\|+\|y\|)^2). Cela confirme que \|\cdot\| est bien une norme au sens habituel.

3. Identité du parallélogramme et orthogonalité

Identité du parallélogramme : x+y2+xy2=2x2+2y2\|x+y\|^2+\|x-y\|^2=2\|x\|^2+2\|y\|^2 (se vérifie directement en développant les deux carrés scalaires). C'est une propriété caractéristique des normes issues d'un produit scalaire (théorème de Jordan-von Neumann : une norme vérifiant cette identité provient nécessairement d'un produit scalaire).

Deux vecteurs x,yx,y sont orthogonaux (xyx\perp y) si x,y=0\langle x,y\rangle=0. Théorème de Pythagore : si xyx\perp y, alors x+y2=x2+y2\|x+y\|^2=\|x\|^2+\|y\|^2 (cas particulier de l'identité ci-dessus avec x,y=0\langle x,y\rangle=0).

4. Exemple résolu — produit scalaire L2L^2 et orthogonalité trigonométrique

Sur E=C([π,π])E=C([-\pi,\pi]) muni de f,g=ππf(t)g(t)dt\langle f,g\rangle=\displaystyle\int_{-\pi}^{\pi}f(t)g(t)\,dt, vérifions que cos(x)\cos(x) et sin(x)\sin(x) sont orthogonaux :

cos,sin=ππcos(t)sin(t)dt=ππsin(2t)2dt=[cos(2t)4]ππ=0\langle\cos,\sin\rangle = \int_{-\pi}^{\pi}\cos(t)\sin(t)\,dt = \int_{-\pi}^{\pi}\frac{\sin(2t)}{2}\,dt = \left[-\frac{\cos(2t)}{4}\right]_{-\pi}^{\pi} = 0

(car cos(2π)=cos(2π)\cos(2\pi)=\cos(-2\pi), les deux bornes coïncident). C'est exactement la propriété exploitée — sans le dire formellement — dans les séries de Fourier déjà étudiées.

5. Complétude et espaces de Hilbert

Un espace préhilbertien EE est un espace de Hilbert s'il est complet pour la norme \|\cdot\| (toute suite de Cauchy converge dans EE). Rn\mathbb{R}^n (dimension finie) est toujours complet, donc toujours un espace de Hilbert. En dimension infinie, ce n'est pas automatique : 2\ell^2 est complet (donc un espace de Hilbert), mais l'espace des suites à support fini, muni de la même norme, ne l'est pas (on peut construire une suite de Cauchy de suites à support fini dont la limite a un support infini, donc sort de l'espace).

Pourquoi la complétude est essentielle : sans elle, de nombreux théorèmes de projection et de décomposition (étudiés à la leçon suivante) échouent, car la limite d'une suite minimisante pourrait « s'échapper » de l'espace.

6. Récapitulatif


NotionDéfinition / propriété
|---|---|




Produit scalairebilinéaire, symétrique, défini positif
Cauchy-Schwarzx,yxy|\langle x,y\rangle|\leq\|x\|\|y\|
Identité du parallélogrammex+y2+xy2=2x2+2y2\|x+y\|^2+\|x-y\|^2=2\|x\|^2+2\|y\|^2
Pythagorexyx+y2=x2+y2x\perp y\Rightarrow\|x+y\|^2=\|x\|^2+\|y\|^2
Espace de Hilbertpréhilbertien et complet

Exercices

Quelles sont les propriétés caractérisant un produit scalaire ?

Vrai ou faux : l'inégalité de Cauchy-Schwarz énonce x,yxy|\langle x,y\rangle|\leq\|x\|\,\|y\|.

Qu'est-ce qu'un espace de Hilbert ?

Vrai ou faux : tout espace vectoriel de dimension finie muni d'un produit scalaire est automatiquement complet, donc un espace de Hilbert.

Que dit le théorème de Pythagore dans un espace préhilbertien ?

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