Produit scalaire, orthogonalité Enoncé Les applications suivantes définissent-elles un produit scalaire sur $\mathbb R^2$? $\varphi_1\big((x_1, x_2), (y_1, y_2)\big)=\sqrt{x_1^2+y_1^2+x_2^2+y_2^2}$; $\varphi_2\big((x_1, x_2), (y_1, y_2)\big)=4x_1y_1-x_2y_2$; $\varphi_3\big((x_1, x_2), (y_1, y_2)\big)=x_1y_1-3x_1y_2-3x_2y_1+10x_2y_2$. Enoncé Pour $A, B\in\mathcal M_n(\mathbb R)$, on définit $$\langle A, B\rangle=\textrm{tr}(A^T B). $$ Démontrer que cette formule définit un produit scalaire sur $\mathcal M_n(\mathbb R)$. En déduire que, pour tous $A, B\in\mathcal S_n(\mathbb R)$, on a $$\big(\textrm{tr}(AB))^2\leq \textrm{tr}(A^2)\textrm{tr}(B^2). $$ Enoncé Soit $n\geq 1$ et soit $a_0, \dots, a_n$ des réels distincts deux à deux. Montrer que l'application $\varphi:\mathbb R_n[X]\times\mathbb R_n[X]\to\mathbb R$ définie par $\varphi(P, Q)=\sum_{i=0}^n P(a_i)Q(a_i)$ définit un produit scalaire sur $\mathbb R_n[X]$. Enoncé Démontrer que les formules suivantes définissent des produits scalaires sur l'espace vectoriel associé: $\langle f, g\rangle=f(0)g(0)+\int_0^1 f'(t)g'(t)dt$ sur $E=\mathcal C^1([0, 1], \mathbb R)$; $\langle f, g\rangle=\int_a^b f(t)g(t)w(t)dt$ sur $E=\mathcal C([a, b], \mathbb R)$ où $w\in E$ satisfait $w>0$ sur $]a, b[$.
$$ 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.
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