Produit scalaire et espaces préhilbertiens
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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 est une application bilinéaire, symétrique () et définie positive ( pour ). On note la norme associée. Un espace muni d'un produit scalaire est dit préhilbertien.
Exemples : avec le produit scalaire usuel ; l'espace des fonctions continues avec ; l'espace des suites réelles telles que , avec .
2. Inégalité de Cauchy-Schwarz et inégalité triangulaire
Théorème (Cauchy-Schwarz) : pour tous , , avec égalité si et seulement si sont colinéaires.
Conséquence — inégalité triangulaire : (en développant ). Cela confirme que est bien une norme au sens habituel.
3. Identité du parallélogramme et orthogonalité
Identité du parallélogramme : (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 sont orthogonaux () si . Théorème de Pythagore : si , alors (cas particulier de l'identité ci-dessus avec ).
4. Exemple résolu — produit scalaire et orthogonalité trigonométrique
Sur muni de , vérifions que et sont orthogonaux :
(car , 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 est un espace de Hilbert s'il est complet pour la norme (toute suite de Cauchy converge dans ). (dimension finie) est toujours complet, donc toujours un espace de Hilbert. En dimension infinie, ce n'est pas automatique : 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
| Notion | Définition / propriété |
| Produit scalaire | bilinéaire, symétrique, défini positif |
| Cauchy-Schwarz | |
| Identité du parallélogramme | |
| Pythagore | |
| Espace de Hilbert | préhilbertien et complet |
Exercices
Quelles sont les propriétés caractérisant un produit scalaire ?
Vrai ou faux : l'inégalité de Cauchy-Schwarz énonce .
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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