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Produit scalaire : définition (MPSI)

Définition

Produit scalaire

Un produit scalaire sur $E$ est une application $\varphi : E\times E\to\mathbb{R}$, notée $(x,y)\mapsto\langle x,y\rangle$, qui est :

  • bilinéaire : pour tout $y$, $x\mapsto\langle x,y\rangle$ est linéaire, et pour tout $x$, $y\mapsto\langle x,y\rangle$ est linéaire ;
  • symétrique : $\langle x,y\rangle=\langle y,x\rangle$ pour tous $x,y$ ;
  • positive : $\langle x,x\rangle\geqslant 0$ pour tout $x$ ;
  • définie : $\langle x,x\rangle=0\implies x=0$.

Un espace préhilbertien réel est un couple $(E,\langle\cdot,\cdot\rangle)$. S'il est de dimension finie, on parle d'espace euclidien.

Notations usuelles : $\langle x,y\rangle$, $(x\mid y)$, $x\cdot y$.

Remarque

Symétrie et bilinéarité

Si $\varphi$ est symétrique, il suffit de vérifier la linéarité par rapport à une seule variable : la linéarité par rapport à l'autre s'en déduit par symétrie. Par bilinéarité, $\langle 0,y\rangle=0$ pour tout $y$.

Exemple

Produits scalaires de référence

Ces produits scalaires sont dits canoniques ou usuels.

  • Sur $\mathbb{R}^n$ : $\langle x,y\rangle=\displaystyle\sum_{i=1}^n x_iy_i$. Matriciellement, $\langle X,Y\rangle=X^\top Y$ pour des colonnes $X,Y$.
  • Sur $\mathcal{M}_n(\mathbb{R})$ : $\langle A,B\rangle=\operatorname{tr}(A^\top B)=\displaystyle\sum_{1\leqslant i,j\leqslant n}a_{ij}b_{ij}$.
  • Sur $\mathcal{C}([a,b],\mathbb{R})$ avec $a<b$ : $\langle f,g\rangle=\displaystyle\int_a^b f(t)g(t)\,\mathrm{d}t$.

Pour la trace : le coefficient diagonal d'indice $(j,j)$ de $A^\top B$ vaut $\sum_i a_{ij}b_{ij}$, d'où la seconde écriture. On reconnaît le produit scalaire canonique de $\mathbb{R}^{n^2}$ appliqué aux coefficients.

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Dans le cours

Espaces préhilbertiens réels : Produit scalaire