Les espaces préhilbertiens généralisent la géométrie euclidienne à la dimension quelconque (y compris infinie). Le produit scalaire permet de définir angles, distances et orthogonalité, et la projection orthogonale est un outil central en analyse (approximation, moindres carrés) comme en algèbre.
Produit scalaire
Définition
Soit E un R-espace vectoriel. Un produit scalaire sur E est une forme bilinéaire symétrique définie positive⟨⋅,⋅⟩:E×E→R :
Bilinéarité : linéaire en chaque variable
Symétrie : ⟨x,y⟩=⟨y,x⟩
Positivité : ⟨x,x⟩≥0
Définie : ⟨x,x⟩=0⇒x=0
Un espace muni d'un produit scalaire est un espace préhilbertien. S'il est de dimension finie, c'est un espace euclidien.
Exemples :
Sur Rn : ⟨x,y⟩=∑i=1nxiyi (produit scalaire canonique)
Sur C([a,b],R) : ⟨f,g⟩=∫abf(t)g(t)dt
Sur Mn(R) : ⟨A,B⟩=tr(ATB)
Norme associée
La norme euclidienne associée est ∥x∥=⟨x,x⟩. Elle vérifie les propriétés d'une norme : positivité, homogénéité, inégalité triangulaire.
Inégalité de Cauchy-Schwarz
Théorème : pour tous x,y∈E :
∣⟨x,y⟩∣≤∥x∥⋅∥y∥
avec égalité si et seulement si x et y sont colinéaires.
Démonstration : pour y=0, considérons P(t)=∥x+ty∥2=∥x∥2+2t⟨x,y⟩+t2∥y∥2≥0 pour tout t. Ce trinôme en t est positif, donc son discriminant est négatif :
4⟨x,y⟩2−4∥x∥2∥y∥2≤0
L'égalité a lieu quand P s'annule, c'est-à-dire quand x+ty=0 pour un certain t.
Conséquence : l'inégalité triangulaire ∥x+y∥≤∥x∥+∥y∥ découle de Cauchy-Schwarz.
Angle entre deux vecteurs
En dimension finie, on définit l'angle θ entre deux vecteurs non nuls par :
cosθ=∥x∥⋅∥y∥⟨x,y⟩
Cauchy-Schwarz garantit que cosθ∈[−1,1].
Orthogonalité
Vecteurs orthogonaux
Deux vecteurs x,y sont orthogonaux (noté x⊥y) si ⟨x,y⟩=0.
Théorème de Pythagore : si x⊥y, alors ∥x+y∥2=∥x∥2+∥y∥2.
Familles orthogonales et orthonormées
Une famille (e1,…,en) est :
Orthogonale si ⟨ei,ej⟩=0 pour i=j
Orthonormée (ou orthonormale, ONF) si de plus ∥ei∥=1, i.e. ⟨ei,ej⟩=δij
Propriété clé : toute famille orthogonale de vecteurs non nuls est libre. En effet, si ∑λiei=0, en prenant le produit scalaire avec ek : λk∥ek∥2=0, donc λk=0.
Coordonnées dans une base orthonormée
Si (e1,…,en) est une base orthonormée de E, alors pour tout x∈E :
x=i=1∑n⟨x,ei⟩ei
et ∥x∥2=∑i=1n⟨x,ei⟩2 (identité de Parseval en dimension finie).
Procédé de Gram-Schmidt
Théorème : tout espace préhilbertien de dimension finie admet une base orthonormée. On la construit par le procédé de Gram-Schmidt.
Algorithme : à partir d'une base (v1,…,vn), on construit une base orthonormée (e1,…,en) :
e1=∥v1∥v1
Pour k=2,…,n :
- wk=vk−∑i=1k−1⟨vk,ei⟩ei (soustraction des projections)
- ek=∥wk∥wk (normalisation)
Propriété : pour tout k, Vect(e1,…,ek)=Vect(v1,…,vk).
Exemple. Dans R3 avec le produit scalaire canonique, orthonormalisons v1=(1,1,0), v2=(1,0,1).
Théorème : soit F un sous-espace vectoriel de dimension finie d'un espace préhilbertien E. Pour tout x∈E, il existe un unique pF(x)∈F tel que :
∥x−pF(x)∥=y∈Fmin∥x−y∥=d(x,F)
Ce vecteur pF(x) est la projection orthogonale de x sur F, caractérisée par :
pF(x)∈Fetx−pF(x)∈F⊥
Calcul dans une base orthonormée
Si (e1,…,er) est une base orthonormée de F, alors :
pF(x)=i=1∑r⟨x,ei⟩ei
et la distance de x à F est :
d(x,F)=∥x−pF(x)∥=∥x∥2−i=1∑r⟨x,ei⟩2
Décomposition en somme directe orthogonale
En dimension finie : E=F⊕F⊥. Tout vecteur x s'écrit de manière unique x=pF(x)+pF⊥(x).
Matrice de Gram et déterminant de Gram
La matrice de Gram d'une famille (v1,…,vk) est :
G=(⟨vi,vj⟩)1≤i,j≤k
Le déterminant de GramdetG est strictement positif si et seulement si la famille est libre. Il mesure le « volume » du parallélotope engendré :
vol2=detG
Moindres carrés
La projection orthogonale résout le problème des moindres carrés : trouver x∈Rn minimisant ∥Ax−b∥2 pour A∈Mm,n(R) et b∈Rm.
La solution vérifie les équations normales :
ATAx=ATb
Si A est de rang n (colonnes indépendantes), la solution est unique :
x=(ATA)−1ATb
C'est la base de la régression linéaire : on cherche la droite (ou l'hyperplan) qui minimise la somme des carrés des résidus.
Application : approcher f∈C([0,1]) par un polynôme de degré ≤n au sens de ∥⋅∥2 revient à projeter f sur Rn[X] pour le produit scalaire ⟨f,g⟩=∫01fg.
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