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Produit scalaire suivant: Notion d'angle monter: Espace euclidien précédent: Espace euclidien Table des matières Index Définition 4. 1 Soit un espace vectoriel sur Un produit scalaire sur est une une forme bilinéaire sur symétrique et définie-positive, c'est à dire que vérifie les trois propriétés suivantes: i) est linéaire à gauche ii) est symétrique iii) est défini-positive Remarquer que i) et ii) implique que est aussi linéaire à droite Un espace vectoriel sur de dimension finie, muni d'un produit scalaire est appelé espace euclidien, on le note On adoptera les notations suivantes pour un produit scalaire ou Le produit scalaire canonique sur est donné par Remarque 4. 2 Si un espace vectoriel un produit scalaire sur est une fonction vérifiant les trois propriétés suivantes: ii) est hermitienne Remarquer que i) et ii) implique que est semi-linéaire à droite muni d'un produit scalaire est appelé espace hermitien, Si on prend les notations des physiciens, le produit scalaire Dans la suite, nous allons établir des résultats sur les espaces vectoriels euclidiens.
Ces résultats seront valables aussi dans le cas des espaces vectoriels hermitiens, mais quand il y aura une différence, nous la signalerons. Rappellons la définition d'une norme donnée dans le chapitre sur les séries de fonctions. Définition 4. 3 Soit un ensemble. Une distance sur est une fonction positive sur telle que La dernière propriété s'appelle inégalité triangulaire. Soit un espace vectoriel sur le corps Une norme sur est une fonction satisfaisant les trois propriétés suivantes: i) ii) iii) Dans ce cas définit une distance sur Proposition 4. 4 Si est un espace euclidien, alors la fonction définie sur E une norme appelée norme euclidienne: On a l'inégalité de Cauchy-Schwarz: est une distance appelée distance euclidienne. Preuve: On établit Cauchy-Schwarz avant en considérant le polynôme en Une conséquence immédiate est la propriété suivante. on a (4. 10) Remarque 4. 5. Si est un espace euclidien, alors La connaissance de la norme détermine complètement le produit scalaire. On note aussi au lieu de pour désigner un espace euclidien, désignant la norme euclidienne associée.
$$ Espace vectoriel euclidien L'exemple précédent est un modèle pour la définition d'un produit scalaire dans un cadre bien plus général que celui du plan. On cherche à le définir sur un espace de toute dimension. Les propriétés vérifiées par le produit scalaire dans le cas du plan conduisent à poser la définition suivante: Définition: Soit $E$ un espace vectoriel sur $\mathbb R$, et soit $f:E\times E\to \mathbb R$ une fonction. On dit que f est un produit scalaire si pour tous $u, v$ de $E$, $f(u, v)=f(v, u)$. pour tous $u, v, w$ de $E$, $f(u+v, w)=f(u, w)+f(v, w)$. pour tout $\lambda\in\mathbb R$, et tous $u, v$ de $E$, $f(\lambda u, v)=f(u, \lambda v)=\lambda f(u, v)$. pour tout $u$ de $E$, $f(u, u)>=0$, avec égalité si, et seulement si, $u=0$. Autrement dit, un produit scalaire est une forme bilinéaire symétrique définie positive. Définition: Un espace vectoriel sur $\mathbb R$ muni d'un produit scalaire est dit euclidien s'il est de dimension finie. préhilbertien s'il est de dimension infinie.
On pose, pour $f, g\in E$, $$\phi(f, g)=\sum_{n=0}^{+\infty}\frac1{2^n}f(a_n)g(a_n). $$ Donner une condition nécessaire et suffisante sur $a$ pour que $\phi$ définisse un produit scalaire sur $E$. Inégalité de Cauchy-Schwarz Enoncé Soit $x, y, z$ trois réels tels que $2x^2+y^2+5z^2\leq 1$. Démontrer que $(x+y+z)^2\leq\frac {17}{10}. $ Enoncé Soient $x_1, \dots, x_n\in\mathbb R$. Démontrer que $$\left(\sum_{k=1}^n x_k\right)^2\leq n\sum_{k=1}^n x_k^2$$ et étudier les cas d'égalité. On suppose en outre que $x_k>0$ pour chaque $k\in\{1, \dots, n\}$ et que $x_1+\dots+x_n=1$. $$\sum_{k=1}^n \frac 1{x_k}\geq n^2$$ Enoncé Étudier la nature de la série de terme général $u_n=\frac{1}{n^2(\sqrt 2)^n}\sum_{k=0}^n \sqrt{\binom nk}$. Enoncé Soit $E=\mathcal C([a, b], \mathbb R_+^*)$. Déterminer $\inf_{f\in E}\left(\int_a^b f\times \int_a^b \frac 1f\right)$. Cette borne inférieure est-elle atteinte? Norme Enoncé Soit $E$ un espace préhilbertien et soit $B=\{x\in E;\ \|x\|\leq 1\}$. Démontrer que $B$ est strictement convexe, c'est-à-dire que, pour tous $x, y\in B$, $x\neq y$ et tout $t\in]0, 1[$, $\|tx+(1-t)y\|<1$.
Enoncé Soit $a$ et $b$ des réels et $\varphi:\mathbb R^2\to \mathbb R$ définie par $$\varphi\big((x_1, x_2), (y_1, y_2)\big)=x_1y_1+4x_1y_2+bx_2y_1+ax_2y_2. $$ Donner une condition nécessaire et suffisante portant sur les réels $a$ et $b$ pour que $\varphi$ définisse un produit scalaire sur $\mathbb R^2$. Enoncé Soient $E$ un espace préhilbertien réel, $a\in E$ un vecteur unitaire et $k\in\mathbb R$. On définit $\phi:E\times E\to\mathbb R$ par $$\phi(x, y)=\langle x, y\rangle+k\langle x, a\rangle\langle y, a\rangle. $$ Déterminer une condition nécessaire et suffisante sur $k$ pour que $\phi$ soit un produit scalaire. Enoncé Soient $a, b, c, d\in\mathbb R$. Pour $u=(x, y)$ et $v=(x', y')$, on pose $$\phi(u, v)=axx'+bxy'+cx'y+dyy'. $$ Déterminer une condition nécessaire et suffisante portant sur $a, b, c, d$ pour que $\phi$ définisse un produit scalaire sur $\mathbb R^2$. Enoncé Soit $E=\mathcal C([0, 1])$ l'ensemble des fonctions continues de $[0, 1]$ dans $\mathbb R$, et soit $a=(a_n)$ une suite de $[0, 1]$.
Démontrer que $\langle u, v\rangle\in]-1, 1[$. Démontrer que $D_1=D_2^{\perp}$. Soit $x=\alpha u+\beta v$ un vecteur de $E$. Calculer $d(x, D)^2$ et $d(x, D')^2$ en fonction de $\alpha, \beta, u$ et $v$. Démontrer que $d(x, D)=d(x, D')\iff x\in D_1\cup D_2$. On suppose que $x$ est non nul. Démontrer que $x\in D_1$ si et seulement si $\cos\big(\widehat{(u, x)}\big)=\cos\big(\widehat{(v, x)}\big). $ En déduire le résultat annoncé au début de l'exercice.
Remarque 4. 6 Tout espace vectoriel E, de dimension finie n, peut être muni d'une structure euclidienne. Abderemane Morame 2006-06-07
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