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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 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 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 ( pour ) — ces trois propriétés garantissent qu'il définit bien une norme via .
Exercice 2
Vrai ou faux : l'inégalité de Cauchy-Schwarz énonce .
Corrigé
Vrai. C'est l'inégalité fondamentale de tout espace préhilbertien, avec égalité si et seulement si 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 et sont orthogonaux (), alors .
Exercice 6
Dans muni du produit scalaire usuel, calculer pour et .
Corrigé
.
Exercice 7
Vérifier que et sont orthogonaux pour le produit scalaire .
Corrigé
est le produit d'une fonction paire () et d'une fonction impaire (), donc impaire ; son intégrale sur l'intervalle symétrique est nulle.
Exercice 8
Pour dans (norme euclidienne), vérifier l'inégalité de Cauchy-Schwarz avec .
Corrigé
. , . On vérifie : l'inégalité est bien vérifiée (et non saturée, car ne sont pas colinéaires).
Exercice 9
Vrai ou faux : l'espace des polynômes (de degré quelconque) muni du produit scalaire 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 , qui lui est un espace de Hilbert.
Exercice 10
Démontrer l'identité du parallélogramme en développant les produits scalaires.
Corrigé
Développement de . Par bilinéarité et symétrie du produit scalaire :
Développement de . De même :
Somme des deux. En additionnant les deux égalités, les termes croisés et s'annulent :
Exercice 11
Démontrer l'inégalité de Cauchy-Schwarz en étudiant le signe de pour (cas ).
Corrigé
Construction du polynôme. Pour et quelconque, on a (toujours, car c'est une norme au carré). En développant :
Discriminant. est un polynôme du second degré en , à coefficient dominant (car ), toujours positif ou nul. Son discriminant doit donc être négatif ou nul :
Conclusion. D'où , et en prenant la racine carrée (quantités positives) :
(Le cas est trivial : les deux membres sont nuls.)
Exercice 12
Démontrer que dans (suites de carré sommable), le produit scalaire est bien défini (la série converge) pour tous .
Corrigé
Inégalité élémentaire. Pour tous réels , on a (conséquence de ). En appliquant à :
Sommation. En sommant sur :
Comme , par définition et , donc le membre de droite est fini.
Conclusion. La série est donc absolument convergente (donc convergente), ce qui montre que est bien défini pour tous . 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 dans un espace préhilbertien, alors et 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 , 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 sur ne provient d'aucun produit scalaire, en exhibant un contre-exemple à l'identité du parallélogramme.
Corrigé
Choix du contre-exemple. Prenons et dans .
Calcul des normes. et . , donc . , donc .
Test de l'identité du parallélogramme. On devrait avoir . Calculons les deux membres :
Conclusion. Comme , 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), ne provient d'aucun produit scalaire. Cela illustre que toutes les normes ne sont pas « hilbertiennes » — seules certaines normes particulières (comme la norme euclidienne ou la norme ) ont cette structure géométrique enrichie.
Exercice 15
Démontrer que dans tout espace préhilbertien, (caractérisation variationnelle de la norme via le produit scalaire), pour .
Corrigé
Majoration via Cauchy-Schwarz. Pour tout avec , l'inégalité de Cauchy-Schwarz donne :
Donc .
Atteinte de la borne. Posons (bien défini car ), qui vérifie . Calculons :
Conclusion. La borne supérieure est donc atteinte par ce choix particulier de , ce qui montre que le supremum vaut exactement (et non une valeur strictement inférieure) :
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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