Inégalité de Cauchy-Schwarz

Inégalité de Cauchy-Schwarz : encyclopédie mathématiques

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En mathématiques, l'inégalité de Cauchy-Schwarz, aussi appelée inégalité de Schwarz^[1], ou encore inégalité de Cauchy-Bunyakovski-Schwarz^[2], se rencontre dans de nombreux domaines tels que l'algèbre linéaire, l'analyse avec les séries et en intégration.

Cette inégalité s'applique dans le cas d'un espace vectoriel sur le corps des nombres réels ou complexes muni d'un produit scalaire. Dans le cas complexe, le produit scalaire désigne une forme hermitienne définie positive. Son contexte général est donc celui d'un espace préhilbertien.

Cette inégalité possède de nombreuses applications, comme le fait d'établir l'inégalité triangulaire montrant que la racine carrée de la forme quadratique associée au produit scalaire est une norme, ou encore que le produit scalaire est continu.

Elle doit son nom à Hermann Amandus Schwarz^[3] et à Augustin Louis Cauchy^[4].

Sommaire

[modifier] Énoncé

Le théorème s'énonce couramment de la façon suivante :

Théorème 1 — Soit $(E,\langle \cdot,\cdot\rangle)$ un espace préhilbertien réel ou complexe. Alors, pour tous vecteurs x et y de E,

$|\langle x,y\rangle|\leqslant \|x\|\ \|y\|.$

De plus, les deux membres sont égaux si et seulement si x et y sont linéairement dépendants.

[modifier] Démonstrations

Les démonstrations présentées ici sont valables aussi bien dans le cadre d'un espace préhilbertien complexe que réel, sauf bien sûr la dernière.

Lorsque y=0, l'énoncé est clairement vrai, par conséquent on supposera y non nul.

En outre, pour la première démonstration, qui est la plus connue, on suppose que le nombre $\langle x,y\rangle$ est réel. On obtient la généralisation du cas étudié par multiplication du vecteur x (ou y) par un nombre complexe convenable de module égal à 1. Ceci étant $\langle x,y\rangle$ devient réel sans changer de module; $\|\,x\,\|$ et $\|\,y\,\|$ ne varient pas non plus^[5].

[modifier] Inégalité

Posons, pour tout réel t,

$P(t)=\|\,x+ty\,\|^2=\|\,x\,\|^2+2t\langle x,y\rangle+ t^2\|\,y\,\|^2.$

Par construction, cette expression polynômiale du second degré est positive ou nulle pour tout réel t. On en déduit que son discriminant est négatif ou nul :

$4 \langle x,y\rangle^2 - 4 \|\,x\,\|^2\|\,y\,\|^2\le 0,$

d'où l'inégalité annoncée.

Une variante plus directe est de poser

$t_0=-\langle x,y\rangle/\|\,y\,\|^2$

et d'utiliser que

$0\le P(t_0)=\|\,x\,\|^2-\langle x,y\rangle^2/\|\,y\,\|^2.$

(Ce t₀ n'est autre que la valeur en laquelle P atteint son minimum, mais cette propriété n'est pas utilisée.)

[modifier] Cas d'égalité

Si (x,y) est lié alors x=λy pour un certain scalaire λ et l'on en déduit immédiatement :

$|\langle x,y\rangle|=|\lambda|\ \|\,y\,\|^2=\|\,x\,\|\ \|\,y\,\|.$

Réciproquement, si |<x,y>|=||x|| ||y|| alors le discriminant ci-dessus est nul donc P admet une racine réelle (double) t, et pour ce t on a

$\|\,x+ty\,\|^2=P(t)=0,$

donc x=-ty, donc (x,y) est lié.

Ou plus directement (avec le t₀ de la variante ci-dessus) : l'hypothèse équivaut à P(t₀)=0 donc à x=-t₀y.

[modifier] Variante géométrique

Une variante^[6] utilise l'identité du théorème de Pythagore.

Un calcul direct permet de voir que les vecteurs $\langle x,y \rangle y/\|y\|^2$ et $x-\langle x,y\rangle y/\|y\|^2$ sont orthogonaux. Alors, par le théorème de Pythagore on a :

$\|x\|^2 = \left\|\langle x,y\rangle y/\|y\|^2\right\|^2 + \left\|x-\langle x,y\rangle y/\|y\|^2\right\|^2$ ,

et donc

$\|x\|^2 \geq |\langle x,y\rangle |^2/\|y\|^2$

qui donne l'inégalité souhaitée.

Cette démonstration consiste en fait^[6] à calculer la norme du projeté orthogonal du vecteur x sur la droite vectorielle engendrée par y. L'égalité correspond donc au cas où x et y sont linéairement dépendants.

[modifier] Le cas particulier Rⁿ

Dans l'espace euclidien $\mathbb{R}^n$ muni du produit scalaire usuel $\langle x,y\rangle=\sum_{i=1}^nx_iy_i$ , où $x=(x_1,\dots,x_n)\in\mathbb{R}^n$ et $y=(y_1,\dots,y_n)\in\mathbb{R}^n$ , une alternative aux démonstrations générales ci-dessus est de déduire l'inégalité (et le cas d'égalité) d'une identité très similaire à celle de la variante géométrique, l'identité de Lagrange, qui s'écrit :

$\langle x,y\rangle^2+\sum_{1\le i<j\le n}(x_iy_j-x_jy_i)^2= \|x\|^2\ \|y\|^2.$

(Pour n=3, une preuve et une interprétation géométrique figurent dans identité de Lagrange dans R³).

Cette identité se démontre de la façon suivante.

$\begin{align} 2\sum_{1\le i<j\le n}(x_iy_j-x_jy_i)^2&=\sum_{1\le i<j\le n}(x_iy_j-x_jy_i)^2+\sum_{1\le j<i\le n}(x_jy_i-x_iy_j)^2\\ &=\sum_{1\le i,j\le n}(x_iy_j-x_jy_i)^2\\ &= (\sum x_i^2)( \sum y_j^2) + (\sum x_j^2)( \sum y_i^2 ) - 2 (\sum x_i y_i)(\sum x_j y_j)\\ &=2\|x\|^2\ \|y\|^2-2\langle x,y\rangle^2\end{align}.$

[modifier] Conséquences et applications

[modifier] Conséquences

L'inégalité de Cauchy-Schwarz a des applications importantes. Elle permet notamment de montrer que l'application $x\mapsto\sqrt{\langle x,x\rangle}$ est une norme car elle vérifie l'inégalité triangulaire. Une conséquence est que le produit scalaire est une fonction continue pour la topologie induite par cette norme.

Elle permet également de définir l'angle non orienté entre deux vecteurs non nuls d'un espace préhilbertien réel, par la formule :

$\cos\widehat{(x,y)}=\frac{\langle x,y\rangle}{\|x\| \|y\|}.$

Dans le cas de l'espace euclidien $\quad \mathbb R ^n$ muni du produit scalaire canonique, l'inégalité de Cauchy-Schwarz s'écrit :

$\left|\sum_{i=1}^n x_{i}y_{i}\right|\leqslant\left (\sum_{i=1}^n x_{i}^{2}\right)^{1/2}.\left (\sum_{i=1}^n y_{i}^{2}\right)^{1/2}$

Dans le cas des fonctions à valeurs complexes de carré intégrable^[7], elle s'écrit

$\left|\int f. \overline g\, \right| \leqslant \left( \int |f|^2\,\right)^{1/2}. \left( \int |g|^2\, \right)^{1/2}$ .

Cette inégalité est un cas particulier des inégalités de Hölder.

[modifier] Autres applications

L'inégalité de Cauchy-Schwarz est aussi un outil fondamental de l'analyse dans les espaces de Hilbert. Grâce à elle, on peut construire une injection du préhilbert E dans son dual topologique : pour tout vecteur y, la forme linéaire qui à x associe <x,y> est continue, de norme égale à celle de y. Ceci permet d'énoncer le théorème de représentation de Riesz selon lequel si E est un espace de Hilbert alors cette injection est un isomorphisme.
On la retrouve aussi dans le théorème de Lax-Milgram.

Cependant ses applications peuvent sortir du cadre strict de l'analyse dans les espaces de Hilbert. En effet elle se retrouve parmi les ingrédients utiles à l'inégalité de Paley-Zygmund en théorie des probabilités et du traitement du signal.
En théorie des probabilités toujours, dans l'espace des variables aléatoires admettant un moment d'ordre 2, l'inégalité de Cauchy-Schwarz fournit l'inégalité $\mathbb{E}(X Y) \le \sqrt {\mathbb{E}(X^2) \mathbb{E}(Y^2)}$ , qui compare l'espérance du produit de deux variables aléatoires au produit des espérances de leurs carrés^[8]. Elle permet d'établir que le coefficient de corrélation de deux variables aléatoires est un réel compris entre -1 et 1^[9].

En physique, l'inégalité de Cauchy-Schwarz joue un rôle important dans le principe d'incertitude d'Heisenberg et a pris place dans le débat sur l'hypothèse des quanta de lumière. Elle serait utilisée en informatique quantique.

[modifier] Généralisation

L'inégalité seule est vraie dans le contexte un peu plus général d'un semi-produit scalaire (i.e. sans supposer que la forme quadratique associée est définie), en notant encore || || la semi-norme associée :

Théorème 2^[10] — Soit $(E,\langle \cdot,\cdot\rangle)$ un espace vectoriel réel (resp. complexe) muni d'une forme bilinéaire symétrique positive (resp. d'une forme hermitienne positive). Alors, pour tous vecteurs x et y de E,

$|\langle x,y\rangle|\leqslant \|x\|\ \|y\|.$

Pour démontrer ce théorème 2, il suffit^[10] d'ajouter à la preuve algébrique de l'inégalité du théorème 1 un petit argument dans le cas où ||y||=0.

Cette inégalité fournit le corollaire suivant.

Corollaire^[10] — Pour qu'une forme bilinéaire symétrique positive (resp. une forme hermitienne positive) soit définie, (il faut et) il suffit qu'elle soit non dégénérée.

Le corollaire se démontre de la façon suivante.

Pour prouver le sens non immédiat de l'équivalence, supposons que la forme $\langle,\rangle$ est positive et non dégénérée, et montrons qu'elle est définie. Soit x un vecteur dont la semi-norme est nulle. Le théorème 2 montre que pour tout vecteur y on a $\langle x,y\rangle=0$ , donc, par non dégénérescence, $x = 0$ .

[modifier] Références

[modifier] Notes et références

↑ On trouve par exemple cette expression chez S. Lang Analyse Réelle InterEditions, Paris 1977 (ISBN 2729600595) p 148
↑ Par exemple O. A. Ladyzhenskaya The boundary value problems of mathematical physics Springer-Verlag 1985 (ISBN 3-540-90989-3) p 2
↑ Hermann Amandus Schwarz Ueber ein Flachen kleinsten Flacheninhalts betreffendes Problem der Variationsrechnung Acta Societatis scientiarum Fennicae Vol XV p 318 1888 Lire
↑ Augustin Louis Cauchy Oeuvres 2 III p 373 1821
↑ A Kirillov, A. Gvichiani, Théorèmes et problèmes d'analyse fonctionnelle, éd. Mir, 1982, p.88.
↑ ^{a et b} Michel Reed, Barry Simon, Functional Analysis
↑ f et g sont vues comme éléments de l'espace de Lebesgue L² ou $\mathcal{L}^2$ , selon qu'on applique le théorème 1 énoncé en début d'article ou le théorème 2 du paragraphe Généralisation.
↑ Francine et Marc Diener, Chapitre 5 Expression et mesure de l'interdépendance p.27 Lire en ligne
↑ Laurent Albera, Résumé de cours en calcul des probabilités (JJ bellanger), Université de Rennes I, III Espérance mathématique, pp.6&7 Lire en ligne
↑ ^{a, b et c} Roger Godement, Cours d'algèbre, Hermann (1966) p. 476-477 (Selon cet auteur, l'inégalité de Cauchy-Schwarz n'est pas le théorème 1 (qu'il ne mentionne même pas) mais le théorème 2.)

[modifier] Liens externes

(fr) Inégalité de Cauchy-Schwarz par DicoMaths
(fr) Espaces préhilbertiens complexes par Les-Mathématiques.net
(fr) Espaces euclidiens par F. Wlazinski de l'Université de Picardie

[modifier] Bibliographie

Serge Lang, Algèbre, Dunod, 2004, 926 p. (ISBN 2100079808) [détail des éditions]

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