$$ Espace vectoriel euclidien L'exemple précédent est un modèle pour la définition d'un produit scalaire dans un cadre bien plus général que celui du plan. On cherche à le définir sur un espace de toute dimension. Les propriétés vérifiées par le produit scalaire dans le cas du plan conduisent à poser la définition suivante: Définition: Soit $E$ un espace vectoriel sur $\mathbb R$, et soit $f:E\times E\to \mathbb R$ une fonction. On dit que f est un produit scalaire si pour tous $u, v$ de $E$, $f(u, v)=f(v, u)$. pour tous $u, v, w$ de $E$, $f(u+v, w)=f(u, w)+f(v, w)$. pour tout $\lambda\in\mathbb R$, et tous $u, v$ de $E$, $f(\lambda u, v)=f(u, \lambda v)=\lambda f(u, v)$. pour tout $u$ de $E$, $f(u, u)>=0$, avec égalité si, et seulement si, $u=0$. Autrement dit, un produit scalaire est une forme bilinéaire symétrique définie positive. Définition: Un espace vectoriel sur $\mathbb R$ muni d'un produit scalaire est dit euclidien s'il est de dimension finie. préhilbertien s'il est de dimension infinie.
A posteriori, on peut maintenant définir dans un espace vectoriel euclidien les notions d'orthogonalité,... Ex: Soit $E$ l'ensemble des polynômes, $w$ une fonction continue strictement positive sur l'intervalle $[a, b]$. On définit un produit scalaire sur E en posant $f(P, Q)=\int_a^b P(x)Q(x)w(x)dx. $$ Cet exemple donne naissance à la riche théorie des polynômes orthogonaux. Cas complexe Pour des raisons techniques, il faut légèrement changer la définition d'un produit scalaire dans le cas d'un espace vectoriel sur $\mathbb C$. Définition: Soit $E$ un espace vectoriel sur $\mathbb C$, et soit $f:E\times;E \to\mathbb C$ une fonction. On dit que $f$ pour tous $u, v$ de $E$, $f(u, v)=\overline{f(v, u)}$. pour tout $\lambda \in\mathbb C$, et tous $u, v$ de $E$, $f(\lambda u, v)=\lambda f(u, v)$. Définition: Un espace vectoriel sur $\mathbb C$ muni d'un produit scalaire est dit hermitien s'il est de dimension finie. préhilbertien (complexe) s'il est de dimension infinie. Le concept de produit linéaire de vecteurs est né de la physique, sous la plume de Grassman et Gibbs.
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 Il est bien connu que si $E$ est un espace préhilbertien muni de la norme $\|. \|$, alors l'identité de la médiane (ou du parallélogramme) est vérifiée, à savoir: pour tous $x, y$ de $E$, on a: $$\|x+y\|^2+\|x-y\|^2=2\|x\|^2+2\|y\|^2. $$ L'objectif de cet exercice est de montrer une sorte de réciproque à cette propriété, à savoir le résultat suivant: si $E$ est un espace vectoriel normé réel dont la norme vérifie l'identité de la médiane, alors $E$ est nécessairement un espace préhilbertien, c'est-à-dire qu'il existe un produit scalaire $(.,. )$ sur $E$ tel que pour tout $x$ de $E$, on a $(x, x)=\|x\|^2$. Il s'agit donc de construire un produit scalaire, et compte tenu des formules de polarisation, on pose: $$(x, y)=\frac{1}{4}\left(\|x+y\|^2-\|x-y\|^2\right). $$ Il reste à vérifier que l'on a bien défini ainsi un produit scalaire. Montrer que pour tout $x, y$ de $E$, on a $(x, y)=(y, x)$ et $(x, x)=\|x\|^2$. Montrer que pour $x_1, \ x_2, \ y\in E$, on a $(x_1+x_2, y)-(x_1, y)-(x_2, y)=0$ (on utilisera l'identité de la médiane avec les paires $(x_1+y, x_2+y)$ et $(x_1-y, x_2-y)$).
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