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mathématiques (PC) · Chapitre 3 · Exercice de TD

Cauchy-Schwarz sans le caractère défini

Espaces Préhilbertiens Réels et Espaces Euclidiens · A. Produit scalaire, norme euclidienne, Cauchy-Schwarz · niveau 3 (difficile)

Énoncé

Soit un -espace vectoriel et une forme bilinéaire symétrique positive — pour tout —, que l'on ne suppose pas définie.

a) Montrer que pour tous , . (Étudier le signe de , en traitant à part le cas .)

b) Soit . Montrer que , et en déduire que est un sous-espace vectoriel de . Que vaut lorsque est un produit scalaire ?

c) Soit un supplémentaire de dans . Montrer que la restriction de à est un produit scalaire.

d) Déterminer dans chacun des cas suivants : (i) , ; (ii) , ; (iii) , avec .

Corrigé

Ce qu'on a le droit d'utiliser. La bilinéarité, la symétrie et la positivité de — surtout pas le caractère défini. La stratégie : reprendre la démonstration du cours par le trinôme, repérer l'endroit où elle se servait de , et y substituer un argument qui s'en passe.

a) L'inégalité. Fixons et posons, pour , . Par bilinéarité et symétrie, et par positivité pour tout réel . Deux cas.

Premier cas : . Alors est un trinôme du second degré qui ne prend que des valeurs positives ; il n'a donc pas deux racines réelles distinctes (entre elles, il serait strictement négatif), et son discriminant réduit est négatif ou nul : .

Second cas : . C'est ici que la démonstration du cours ne s'applique plus : est une fonction affine, positive sur tout entier. Une fonction affine de pente non nulle prend des valeurs strictement négatives — elle tend vers d'un côté — ; la pente est donc nulle : . L'inégalité voulue s'écrit alors , qui est vraie.

Dans les deux cas, .

b) Le défaut de définition est un sous-espace. Si pour tout , alors en particulier : . Réciproquement, si , l'inégalité du a) donne, pour tout , , donc . Ainsi intersection de noyaux de formes linéaires : est un sous-espace vectoriel. Si est un produit scalaire, le caractère défini dit exactement .

Le point délicat. L'ensemble des tels que n'a, a priori, aucune raison d'être stable par addition. Pour la forme non positive sur , on a , qui s'annule sur la réunion des deux droites d'équations et : les vecteurs et en font partie, pas leur somme . C'est la positivité, par l'intermédiaire de Cauchy-Schwarz, qui fait de un sous-espace.

c) Un produit scalaire sur tout supplémentaire. La restriction de à reste bilinéaire, symétrique et positive. Si vérifie , alors : elle est définie. C'est un produit scalaire sur .

d) Trois exemples.

(i) est nul si et seulement si ; un polynôme de degré au plus qui s'annule en et en est de la forme . Donc . Un supplémentaire est , sur lequel est un produit scalaire : un polynôme de degré au plus qui a deux racines est nul.

(ii) si et seulement si la fonction , continue et positive, est nulle sur : est l'ensemble des fonctions continues nulles sur , un sous-espace de dimension infinie. Un supplémentaire est formé des fonctions constantes sur : toute est la somme de la fonction égale à sur et à ensuite, et d'une fonction de .

(iii) : la forme est bien positive, et est la droite d'équation , engendrée par la colonne de coordonnées . Par le b), si et seulement si pour toute colonne , c'est-à-dire , soit en transposant, puisque est symétrique : , ce que l'on vérifie directement.

Ce que l'exercice installe. L'inégalité de Cauchy-Schwarz est un énoncé sur les formes positives ; le caractère défini ne sert qu'à son cas d'égalité. C'est ce qu'il faut en probabilités (chapitre 11) : est positive sans être définie, et l'inégalité du programme se démontre par le a), trinôme dégénéré compris ; appliquée aux variables centrées, elle donne . En mécanique, l'énergie potentielle d'une chaîne de masses et de ressorts qui n'est fixée à aucun mur est positive sans être définie : est formé des translations d'ensemble, le « mode de pulsation nulle ». Et le (iii) annonce les matrices symétriques positives du chapitre 4.

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