Identité du parallélogramme et produit scalaire
Exercice de TD · niveau 3 (difficile) · mathématiques (PSI), chapitre 5 — Espaces Vectoriels Normés et Topologie
Énoncé
Montrer qu'une norme provient d'un produit scalaire si et seulement si elle vérifie l'identité du parallélogramme (sens direct : première année ; pour la réciproque, on admettra que la polarisation définit alors un produit scalaire — vérifier au moins la symétrie et la valeur ).
Corrigé
Stratégie. Le sens direct est un simple développement. La réciproque demande de reconstruire le produit scalaire à partir de la seule norme : la formule de polarisation est le seul candidat possible, et l'identité du parallélogramme est exactement ce qui lui donne l'additivité.
Sens direct. Supposons pour un produit scalaire . Par bilinéarité et symétrie, En additionnant, les termes croisés s'éliminent : L'identité du parallélogramme est donc nécessaire.
Réciproque. Supposons que vérifie cette identité, et posons la forme de polarisation C'est le seul candidat : si était un produit scalaire de norme , le sens direct imposerait cette formule.
- Symétrie. (homogénéité de la norme), donc .
- Valeur en — le point qui fait tout. . La forme quadratique associée à redonne donc bien la norme de départ : c'est ce qu'on cherchait.
- Positivité et séparation. , et (axiome de séparation de la norme).
- Additivité — c'est ici, et seulement ici, que l'identité du parallélogramme sert. Appliquons-la deux fois. Avec et (de sorte que et ) : Avec et (alors et ) : En soustrayant, le terme disparaît et c'est-à-dire .
Faisons dans cette relation : comme , il vient , autrement dit pour tout . En reportant : L'additivité en la première variable est acquise (et par symétrie, en la seconde).
- Homogénéité. L'additivité donne pour , puis pour , puis pour . Le passage à se fait par densité de dans et continuité de (la norme est continue) — c'est le point que l'énoncé autorise à admettre.
Ainsi est une forme bilinéaire symétrique définie positive, et sa norme associée est : la norme provient d'un produit scalaire.
Le point délicat. La formule de polarisation se définit toujours, pour n'importe quelle norme ; ce qui n'est pas toujours vrai, c'est qu'elle soit bilinéaire. L'identité du parallélogramme n'intervient nulle part ailleurs que dans l'additivité — c'est précisément l'hypothèse qui manque au cas général.
Contrôle : deux normes qui échouent. Sur , prenons et , donc et .
| norme | verdict | ||
|---|---|---|---|
| : pas euclidienne | |||
| : pas euclidienne | |||
| égalité ✓ |
Un tirage numérique de couples dans confirme l'écart : nul à près pour , atteignant pour et pour .
Acquis. Parmi toutes les normes, les normes euclidiennes se reconnaissent à une identité algébrique portant sur la seule norme — sans jamais mentionner de produit scalaire. Et lorsqu'elle est vérifiée, le produit scalaire se lit directement dans la norme par polarisation.
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