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Espaces hermitiens : définition et exemples – bases orthonormales

    Définition et exemples

    Définition : Produit Scalaire Hermitien

    Soit $E$ un $\mathbb{C}$-espace vectoriel.

    1. Une forme hermitienne $f$ est dite positive si $\forall x \in E, f(x,x) \ge 0$.
    2. Une forme hermitienne $f$ est dite définie positive si elle est positive et si $f(x,x) = 0 \implies x=0$.
    3. Un produit scalaire hermitien sur $E$ est une forme hermitienne définie positive.
    4. Un $\mathbb{C}$-espace vectoriel muni d’un produit scalaire hermitien est un espace préhilbertien complexe.
    5. Un espace préhilbertien complexe de dimension finie est appelé un espace hermitien.

    Remarque

    Tout produit scalaire hermitien 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.

    Exemples

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

    Notations et règles de calcul

    Notations et Règles de Calcul

    Soit $E$ un espace préhilbertien complexe. On note le produit scalaire hermitien $\langle x, y \rangle$. La quantité $\langle x, x \rangle$ est toujours un réel positif. On définit la norme hermitienne par $\|x\| = \sqrt{\langle x, x \rangle}$.

    On a les identités remarquables suivantes :

    1. $\forall x, y \in E, \quad \|x+y\|^2 = \|x\|^2 + 2Re(\langle x, y \rangle) + \|y\|^2$
    2. $\forall x, y \in E, \quad \|x-y\|^2 = \|x\|^2 – 2Re(\langle x, y \rangle) + \|y\|^2$
    3. Identité du parallélogramme : $\|x+y\|^2 + \|x-y\|^2 = 2(\|x\|^2 + \|y\|^2)$
    4. Identité de polarisation : $\langle x, y \rangle = \frac{1}{4}(\|x+y\|^2 – \|x-y\|^2 + i\|x-iy\|^2 – i\|x+iy\|^2)$

    Utilisation des bases orthonormales

    Proposition : Calculs dans une Base Orthonormale

    Soit $E$ un espace hermitien de dimension $n$, muni d’une base orthonormale $(e_1, \dots, e_n)$.

    1. Coordonnées d’un vecteur : $x = \sum_{i=1}^n \langle e_i, x \rangle e_i$.
    2. Produit scalaire : $\langle x, y \rangle = \sum_{i=1}^n \overline{\langle e_i, x \rangle} \langle e_i, y \rangle$.
    3. Norme d’un vecteur : $\|x\|^2 = \sum_{i=1}^n |\langle e_i, x \rangle|^2$.