Espaces préhilbertiens, inégalité de Cauchy-Schwarz et procédé de Gram-Schmidt
Comment parler d'angle entre deux fonctions, ou de distance entre deux polynômes, alors que ces objets n'ont rien de géométrique — et pourquoi une seule inégalité suffit-elle à donner un sens à tout cela ?
L'inégalité naît trois fois. Cauchy la démontre en 1821 pour des sommes finies, dans son Cours d'analyse. Bouniakovski en donne la version intégrale en 1859, et son travail passe inaperçu en Europe occidentale. Schwarz la redémontre en 1888 dans le cadre du calcul des variations, où il cherche à minimiser des énergies. La motivation profonde est identique dans les trois cas : contrôler un produit par les grandeurs individuelles, pour majorer une quantité qu'on ne sait pas calculer directement.
Pourquoi exiger que la forme soit DÉFINIE positive, et pas seulement positive ? Parce que doit entraîner : sans cela, la norme s'annulerait sur des vecteurs non nuls, et l'on ne pourrait plus distinguer deux points de distance nulle. Cette exigence est exactement ce qui échoue en relativité restreinte, où la forme de Minkowski est non dégénérée mais pas définie positive : il existe des vecteurs non nuls de norme nulle, les vecteurs de type lumière, et Cauchy-Schwarz y est faux.
Images Mentales & Modèles d'Intuition (3)
Le produit scalaire mesure l'ombre : est la longueur de l'ombre de portée sur la direction de , multipliée par la longueur de .
Ce qu'elle capture :
L'image suppose une géométrie euclidienne préexistante, alors que c'est justement le produit scalaire qui la crée. Elle ne dit rien non plus des espaces de fonctions, où l'ombre n'a aucun sens visuel mais où l'inégalité reste vraie et utile.
Gram-Schmidt est un redressement progressif : on prend les vecteurs un par un, et l'on retranche à chacun tout ce qu'il doit aux précédents.
Ce qu'elle capture :
L'image ne signale pas l'instabilité numérique : appliqué naïvement en machine, le procédé perd l'orthogonalité par accumulation d'erreurs d'arrondi. Les bibliothèques utilisent une version modifiée, ou des réflexions de Householder.
La projection orthogonale est le pied de la perpendiculaire : parmi tous les points d'un sous-espace, c'est celui d'où l'on voit le point cible sous un angle droit.
Ce qu'elle capture :
L'image suggère que la projection existe toujours. En dimension infinie, sans complétude, elle peut ne pas exister : c'est la limitation que les espaces de Hilbert lèveront en L3.
Les Pièges Conceptuels Classiques
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Glossaire des Notations Mathématiques
produit scalaire de x et y
mesure d'alignement ; nul exactement quand les vecteurs sont orthogonaux
orthogonal de F
sous-espace des vecteurs orthogonaux à tout $F$ ; UNIQUE, contrairement à un supplémentaire quelconque
projection orthogonale sur F
réalise la meilleure approximation de $x$ par un élément de $F$