Produit Scalaire : Définition et Propriétés Élémentaires
Définition et Propriétés Élémentaires

Soit $E$ un $\mathbb{R}$-espace vectoriel doté d’une forme bilinéaire symétrique $f$.

  1. $f$ est dite positive si, pour tout vecteur $x \in E$, on a $f(x,x) \ge 0$.
  2. $f$ est dite définie positive si elle est positive et si $f(x,x) = 0 \implies x=0$.
  3. Un produit scalaire sur $E$ est une forme bilinéaire symétrique définie positive.
  4. Un $\mathbb{R}$-espace vectoriel muni d’un produit scalaire est un espace préhilbertien réel.
  5. Un espace préhilbertien réel de dimension finie est appelé un espace euclidien.

Remarque

  1. Tout produit scalaire est non dégénéré. En effet, si $f(x,y)=0$ pour tout $x$, alors en particulier $f(y,y)=0$, ce qui implique $y=0$ car la forme est définie positive.
  2. Une forme quadratique $q$ est dite positive (resp. définie positive) si sa forme polaire associée l’est.
  3. Une matrice symétrique réelle $A$ est dite positive (resp. définie positive) si la forme quadratique $X \mapsto {}^tXAX$ l’est.

Exemples

  • Le produit scalaire usuel sur $\mathbb{R}^n$, défini par $\langle x, y \rangle = \sum_{i=1}^n x_i y_i$, en fait un espace euclidien.
  • Sur l’espace des matrices carrées réelles $\mathcal{M}_n(\mathbb{R})$, l’application $(A,B) \mapsto tr({}^tAB)$ définit un produit scalaire.
  • L’espace $l^2(\mathbb{R})$ des suites réelles de carré sommable est un espace préhilbertien pour le produit scalaire $\langle (x_n), (y_n) \rangle = \sum_{n=0}^\infty x_n y_n$.
  • L’espace $C([a,b], \mathbb{R})$ des fonctions continues sur un segment est un espace préhilbertien pour le produit scalaire $\langle f, g \rangle = \int_a^b f(t)g(t)dt$.
Proposition : Propriétés des Espaces Euclidiens

Soit $E$ un espace euclidien.

  1. $E$ possède au moins une base orthonormale.
  2. Pour tout sous-espace vectoriel $F$ de $E$, on a $E = F \oplus F^\perp$.
  3. Pour tout sous-espace vectoriel $F$ de $E$, on a $(F^\perp)^\perp = F$.

Démonstration

i) Un produit scalaire est une forme bilinéaire symétrique. Il admet donc une base orthogonale $(e_1, \dots, e_n)$. Comme il est défini positif, $f(e_i, e_i) > 0$ pour tout $i$. On peut alors « normaliser » cette base en posant $v_i = \frac{1}{\sqrt{f(e_i, e_i)}} e_i$. La famille $(v_i)$ est alors une base orthonormale.

ii) Il suffit de montrer que $F$ est non isotrope, c’est-à-dire $F \cap F^\perp = \{0\}$. Soit $x \in F \cap F^\perp$. Alors $f(x,x)=0$. Comme $f$ est définie positive, cela implique $x=0$.

iii) Un produit scalaire est non dégénéré. La propriété $(F^\perp)^\perp = F$ est donc une conséquence directe des théorèmes sur les orthogonaux pour les formes non dégénérées en dimension finie.