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Licence 3 · Analyse fonctionnelle L3 — Espaces de Hilbert

Produit scalaire et espaces préhilbertiens

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 de la leçon

Exercice 1

Quelles sont les propriétés caractérisant un produit scalaire ?

Corrigé

Un produit scalaire doit être bilinéaire (linéaire en chaque variable), symétrique, et défini positif (x,x>0\langle x,x\rangle>0 pour x0x\neq0) — ces trois propriétés garantissent qu'il définit bien une norme via x=x,x\|x\|=\sqrt{\langle x,x\rangle}.

Exercice 2

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

Corrigé

Vrai. C'est l'inégalité fondamentale de tout espace préhilbertien, avec égalité si et seulement si x,yx,y sont colinéaires.

Exercice 3

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

Corrigé

Un espace de Hilbert est, par définition, un espace préhilbertien (muni d'un produit scalaire) qui est de plus complet pour la norme associée — toute suite de Cauchy y converge.

Exercice 4

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

Corrigé

Vrai. En dimension finie, toutes les normes sont équivalentes et l'espace est toujours complet (résultat classique de topologie) — la subtilité de la complétude n'apparaît qu'en dimension infinie.

Exercice 5

Que dit le théorème de Pythagore dans un espace préhilbertien ?

Corrigé

Le théorème de Pythagore généralisé dit que si xx et yy sont orthogonaux (x,y=0\langle x,y\rangle=0), alors x+y2=x2+2x,y+y2=x2+y2\|x+y\|^2=\|x\|^2+2\langle x,y\rangle+\|y\|^2=\|x\|^2+\|y\|^2.

Exercice 6

Dans R3\mathbb{R}^3 muni du produit scalaire usuel, calculer u,v\langle u,v\rangle pour u=(1,2,3)u=(1,2,3) et v=(4,1,2)v=(4,-1,2).

Corrigé

u,v=1×4+2×(1)+3×2=42+6=8\langle u,v\rangle=1\times4+2\times(-1)+3\times2=4-2+6=8.

Exercice 7

Vérifier que cos(x)\cos(x) et sin(2x)\sin(2x) sont orthogonaux pour le produit scalaire f,g=ππfgdt\langle f,g\rangle=\int_{-\pi}^\pi fg\,dt.

Corrigé

tcos(t)sin(2t)t\mapsto\cos(t)\sin(2t) est le produit d'une fonction paire (cos\cos) et d'une fonction impaire (sin(2)\sin(2\cdot)), donc impaire ; son intégrale sur l'intervalle symétrique [π,π][-\pi,\pi] est nulle.

Exercice 8

Pour x=(3,4)x=(3,4) dans R2\mathbb{R}^2 (norme euclidienne), vérifier l'inégalité de Cauchy-Schwarz avec y=(1,0)y=(1,0).

Corrigé

x,y=3×1+4×0=3\langle x,y\rangle=3\times1+4\times0=3. x=9+16=5\|x\|=\sqrt{9+16}=5, y=1\|y\|=1. On vérifie 35×1=53\leq5\times1=5 : l'inégalité est bien vérifiée (et non saturée, car x,yx,y ne sont pas colinéaires).

Exercice 9

Vrai ou faux : l'espace des polynômes (de degré quelconque) muni du produit scalaire P,Q=01PQdt\langle P,Q\rangle=\int_0^1PQ\,dt est un espace de Hilbert.

Corrigé

Faux. C'est un espace préhilbertien, mais il n'est pas complet : on peut construire une suite de Cauchy de polynômes dont la limite (pour cette norme) n'est pas un polynôme (par exemple une suite de polynômes approximant une fonction continue non polynomiale, comme les sommes partielles d'une série de Taylor d'une fonction transcendante). Sa complétion est l'espace L2([0,1])L^2([0,1]), qui lui est un espace de Hilbert.

Exercice 10

Démontrer l'identité du parallélogramme x+y2+xy2=2x2+2y2\|x+y\|^2+\|x-y\|^2=2\|x\|^2+2\|y\|^2 en développant les produits scalaires.

Corrigé

Développement de x+y2\|x+y\|^2. Par bilinéarité et symétrie du produit scalaire :

x+y2=x+y,x+y=x,x+2x,y+y,y=x2+2x,y+y2\|x+y\|^2 = \langle x+y,x+y\rangle = \langle x,x\rangle+2\langle x,y\rangle+\langle y,y\rangle = \|x\|^2+2\langle x,y\rangle+\|y\|^2

Développement de xy2\|x-y\|^2. De même :

xy2=xy,xy=x22x,y+y2\|x-y\|^2 = \langle x-y,x-y\rangle = \|x\|^2-2\langle x,y\rangle+\|y\|^2

Somme des deux. En additionnant les deux égalités, les termes croisés 2x,y2\langle x,y\rangle et 2x,y-2\langle x,y\rangle s'annulent :

x+y2+xy2=2x2+2y2\|x+y\|^2+\|x-y\|^2 = 2\|x\|^2+2\|y\|^2 \qquad \square

Exercice 11

Démontrer l'inégalité de Cauchy-Schwarz x,yxy|\langle x,y\rangle|\leq\|x\|\|y\| en étudiant le signe de xty2\|x-ty\|^2 pour tRt\in\mathbb{R} (cas y0y\neq0).

Corrigé

Construction du polynôme. Pour y0y\neq0 et tRt\in\mathbb{R} quelconque, on a xty20\|x-ty\|^2\geq0 (toujours, car c'est une norme au carré). En développant :

P(t)=xty2=x22tx,y+t2y20P(t) = \|x-ty\|^2 = \|x\|^2-2t\langle x,y\rangle+t^2\|y\|^2 \geq 0

Discriminant. PP est un polynôme du second degré en tt, à coefficient dominant y2>0\|y\|^2>0 (car y0y\neq0), toujours positif ou nul. Son discriminant doit donc être négatif ou nul :

Δ=4x,y24x2y20\Delta = 4\langle x,y\rangle^2 - 4\|x\|^2\|y\|^2 \leq 0

Conclusion. D'où x,y2x2y2\langle x,y\rangle^2\leq\|x\|^2\|y\|^2, et en prenant la racine carrée (quantités positives) :

x,yxy|\langle x,y\rangle| \leq \|x\|\,\|y\| \qquad \square

(Le cas y=0y=0 est trivial : les deux membres sont nuls.)

Exercice 12

Démontrer que dans 2\ell^2 (suites de carré sommable), le produit scalaire u,v=nunvn\langle u,v\rangle=\sum_{n}u_nv_n est bien défini (la série converge) pour tous u,v2u,v\in\ell^2.

Corrigé

Inégalité élémentaire. Pour tous réels a,ba,b, on a 2aba2+b22|ab|\leq a^2+b^2 (conséquence de (ab)20(|a|-|b|)^2\geq0). En appliquant à a=un,b=vna=u_n,b=v_n :

unvnun2+vn22|u_nv_n| \leq \frac{u_n^2+v_n^2}{2}

Sommation. En sommant sur nn :

nunvn12nun2+12nvn2\sum_n|u_nv_n| \leq \frac{1}{2}\sum_nu_n^2 + \frac{1}{2}\sum_nv_n^2

Comme u,v2u,v\in\ell^2, par définition nun2<\sum_nu_n^2<\infty et nvn2<\sum_nv_n^2<\infty, donc le membre de droite est fini.

Conclusion. La série nunvn\sum_nu_nv_n est donc absolument convergente (donc convergente), ce qui montre que u,v=nunvn\langle u,v\rangle=\sum_nu_nv_n est bien défini pour tous u,v2u,v\in\ell^2. \square Ce résultat est l'analogue, en dimension infinie, du fait évident qu'une somme finie de produits est toujours bien définie ; c'est précisément la condition « carré sommable » qui rend ce produit scalaire licite en dimension infinie.

Exercice 13

Vrai ou faux : si x+y=x+y\|x+y\|=\|x\|+\|y\| dans un espace préhilbertien, alors xx et yy sont nécessairement positivement colinéaires (l'un est un multiple positif de l'autre, ou l'un des deux est nul).

Corrigé

Vrai. C'est le cas d'égalité dans l'inégalité triangulaire, qui se ramène au cas d'égalité de Cauchy-Schwarz (avec x,y=xy\langle x,y\rangle=\|x\|\|y\|, qui exige non seulement la colinéarité mais un coefficient de proportionnalité positif, contrairement au cas d'égalité général de Cauchy-Schwarz qui autorise un coefficient de signe quelconque).

Exercice 14

Démontrer que la norme x=supixi\|x\|_\infty=\sup_i|x_i| sur R2\mathbb{R}^2 ne provient d'aucun produit scalaire, en exhibant un contre-exemple à l'identité du parallélogramme.

Corrigé

Choix du contre-exemple. Prenons x=(1,0)x=(1,0) et y=(0,1)y=(0,1) dans R2\mathbb{R}^2.

Calcul des normes. x=max(1,0)=1\|x\|_\infty=\max(|1|,|0|)=1 et y=max(0,1)=1\|y\|_\infty=\max(|0|,|1|)=1. x+y=(1,1)x+y=(1,1), donc x+y=max(1,1)=1\|x+y\|_\infty=\max(1,1)=1. xy=(1,1)x-y=(1,-1), donc xy=max(1,1)=1\|x-y\|_\infty=\max(1,1)=1.

Test de l'identité du parallélogramme. On devrait avoir x+y2+xy2=2x2+2y2\|x+y\|_\infty^2+\|x-y\|_\infty^2=2\|x\|_\infty^2+2\|y\|_\infty^2. Calculons les deux membres :

Membre de gauche=12+12=2Membre de droite=2×12+2×12=4\text{Membre de gauche} = 1^2+1^2 = 2 \qquad \text{Membre de droite} = 2\times1^2+2\times1^2 = 4

Conclusion. Comme 242\neq4, l'identité du parallélogramme échoue pour cette norme. Par la contraposée du théorème de Jordan-von Neumann (une norme provenant d'un produit scalaire vérifie nécessairement cette identité), \|\cdot\|_\infty ne provient d'aucun produit scalaire. \square Cela illustre que toutes les normes ne sont pas « hilbertiennes » — seules certaines normes particulières (comme la norme euclidienne ou la norme L2L^2) ont cette structure géométrique enrichie.

Exercice 15

Démontrer que dans tout espace préhilbertien, x=supy=1x,y\|x\|=\displaystyle\sup_{\|y\|=1}\langle x,y\rangle (caractérisation variationnelle de la norme via le produit scalaire), pour x0x\neq0.

Corrigé

Majoration via Cauchy-Schwarz. Pour tout yy avec y=1\|y\|=1, l'inégalité de Cauchy-Schwarz donne :

x,yx,yxy=x\langle x,y\rangle \leq |\langle x,y\rangle| \leq \|x\|\,\|y\| = \|x\|

Donc supy=1x,yx\displaystyle\sup_{\|y\|=1}\langle x,y\rangle \leq \|x\|.

Atteinte de la borne. Posons y0=xxy_0=\dfrac{x}{\|x\|} (bien défini car x0x\neq0), qui vérifie y0=1\|y_0\|=1. Calculons :

x,y0=x,xx=x,xx=x2x=x\langle x,y_0\rangle = \left\langle x,\frac{x}{\|x\|}\right\rangle = \frac{\langle x,x\rangle}{\|x\|} = \frac{\|x\|^2}{\|x\|} = \|x\|

Conclusion. La borne supérieure x\|x\| est donc atteinte par ce choix particulier de y0y_0, ce qui montre que le supremum vaut exactement x\|x\| (et non une valeur strictement inférieure) :

supy=1x,y=x\sup_{\|y\|=1}\langle x,y\rangle = \|x\| \qquad \square

Cette caractérisation variationnelle est très utilisée en analyse fonctionnelle, notamment pour définir la norme d'opérateurs linéaires continus entre espaces de Hilbert (norme d'opérateur comme un supremum de ce type).

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