Identité de polarisation

En mathématiques, les identités de polarisation concernent l'algèbre multilinéaire. Elles correspondent à une caractérisation des formes bilinéaires symétriques, des formes sesquilinéaires hermitiennes. Si E est un espace vectoriel, ces formes sont des applications de E×E dans le corps des scalaires (réels ou complexes). Elles sont intégralement caractérisées par leur comportement sur la diagonale, c'est-à-dire par la connaissance d'une telle forme f sur l'ensemble des points (x, x) où x est un élément quelconque de E. L'application φ qui à x associe f(x, x) est la forme quadratique associée.

Il existe ainsi une équivalence entre les formes bilinéaires symétriques et les formes quadratiques. Une identité de polarisation permet d'exprimer une forme bilinéaire symétrique ou une forme sesquilinéaire hermitienne à partir de la forme quadratique associée.

Identités de polarisation

Les identités de polarisation sont de deux types différents, celles qui s'appliquent sur les formes bilinéaires et celles pour les formes sesquilinéaires.

Formes bilinéaires symétriques

Le contexte des identités de polarisation est celui d'un espace vectoriel E quelconque sur un corps K commutatif et de caractéristique différente de deux. Soit φ une forme quadratique sur E, non nécessairement définie et non nécessairement positive (si le corps K est ordonné).

En particulier, soit E un espace préhilbertien réel dont la norme d'un vecteur x est notée : $\Vert x\Vert$ et le produit scalaire de deux vecteurs x et y : $(x|y)$. Les deux égalités suivantes sont vérifiées :

$\mathrm{\forall }x,y\in E(x|y)=\frac{1}{2}(\Vert x+y{\Vert }^2-\Vert x{\Vert }^2-\Vert y{\Vert }^2)$ et $(x|y)=\frac{1}{4}(\Vert x+y{\Vert }^2-\Vert x-y{\Vert }^2).$

Les identités de polarisation proviennent de la propriété suivante, si f est une forme bilinéaire de E×E quelconque :

$\mathrm{\forall }x,y\in Ef(x+y,x+y)=f(x,x)+f(y,y)+f(x,y)+f(y,x)$

et l'application qui à (x, y) associe (f(x, y) + f(y, x))/2 est symétrique.

Une conséquence des identités de polarisation est que si f est une forme bilinéaire symétrique telle que f (x,x) = 0 sur un sous-espace vectoriel F, alors f est nulle sur le sous-espace vectoriel F x F (f (x,y) = 0 pour tous éléments de F).

Formes sesquilinéaires à gauche

Si le corps K sous-jacent à E n'est pas celui des réels mais est, comme lui, muni d'une valeur absolue, la notion de norme conserve un sens. Si K est le corps des complexes, la « valeur absolue » est le module. De ce point de vue, la notion de forme sesquilinéaire est l'analogue, sur un espace vectoriel complexe, de celle de forme bilinéaire sur un espace vectoriel réel. Dans ce paragraphe E est un espace vectoriel complexe.

Soit g une forme sesquilinéaire (non nécessairement hermitienne) sur E. On la suppose sesquilinéaire à gauche, c'est-à-dire semi-linéaire par rapport à la première variable et C-linéaire par rapport à la seconde. On note φ(x) = g(x, x).

Modèle:Théorème Ici Modèle:Math désigne l'unité imaginaire.

Une conséquence de la formule de polarisation est que si g est une forme sesquilinéaire telle que g (x,x) = 0 sur un sous-espace vectoriel complexe F, alors g est nulle sur le sous-espace vectoriel F x F ; g (x,y) = 0 pour tous éléments x et y de F.

Formes hermitiennes (à gauche)

Si la forme sesquilinéaire Modèle:Math de départ est hermitienne, alors l'application Modèle:Math est à valeurs réelles.

Réciproquement, si g est une forme sesquilinéaire (à gauche) et si la fonction Modèle:Math est à valeurs réelles, la formule de polarisation montre que Modèle:Math est hermitienne :

$g(y,x)=\overline{g(x,y)}$.

Si l'application φ (définie par φ(x) = g(x, x)) est à valeur réelle, cette application définit une forme quadratique sur l'espace vectoriel réel associé à E, c'est-à-dire qu'elle vérifie : φ (αx) = α² φ (x) si α est un nombre réel. φ est appelée la forme quadratique hermitienne associée à g.

Formes hermitiennes positives

La remarque sur les espaces préhilbertiens réels (paragraphe sur les formes bilinéaires) se généralise si E est un espace préhilbertien complexe dont la norme d'un vecteur x est notée : $\Vert x\Vert$ et le produit scalaire de deux vecteurs x et y, noté $(x|y)$ est une forme hermitienne à gauche :

$\mathrm{\forall }x,y\in E(x|y)=\frac{1}{4}(\Vert x+y{\Vert }^2-\Vert x-y{\Vert }^2+\mathrm{i}\Vert x-\mathrm{i}y{\Vert }^2-\mathrm{i}\Vert x+\mathrm{i}y{\Vert }^2).$

Cas des formes sesquilinéaires à droite

Si la forme de départ était sesquilinéaire à droite, la formule de polarisation serait la suivante :

$\mathrm{\forall }x,y\in Eh(x,y)=\frac{1}{4}(\phi (x+y)-\phi (x-y)+\mathrm{i}\phi (x+\mathrm{i}y)-\mathrm{i}\phi (x-\mathrm{i}y))=\frac{1}{4}\sum _{k=0}^3{\mathrm{i}}^k\phi (x+{\mathrm{i}}^{k}y).$

Autres formules de polarisation

Il existe d'autres formules de polarisation (données ici pour une forme sesquilinéaire à droite) :

$\mathrm{\forall }x,y\in Eh(x,y)=\frac{1}{2}(\phi (x+y)+\mathrm{i}\phi (x+\mathrm{i}y)-(1+\mathrm{i})(\phi (x)+\phi (y)))$

$\mathrm{\forall }x,y\in Eh(x,y)=-\frac{1}{2}(\phi (x-y)+\mathrm{i}\phi (x-\mathrm{i}y)-(1+\mathrm{i})(\phi (x)+\phi (y))).$

Pour une forme hermitienne positive, à partir des formules précédentes, on obtient en isolant la partie réelle :

$\begin{array}{c}\text{Re}⟨u,v⟩=\frac{1}{2}(\Vert u+v{\Vert }^2-\Vert u{\Vert }^2-\Vert v{\Vert }^2),\\ \text{Re}⟨u,v⟩=\frac{1}{2}(\Vert u{\Vert }^2+\Vert v{\Vert }^2-\Vert u-v{\Vert }^2),\\ \text{Re}⟨u,v⟩=\frac{1}{4}(\Vert u+v{\Vert }^2-\Vert u-v{\Vert }^2).\end{array}$

Pour la partie imaginaire d'une forme hermitienne (positive) à droite :

$\begin{array}{c}\text{Im}⟨u,v⟩=\frac{1}{2}(\Vert u+\mathrm{i}v{\Vert }^2-\Vert u{\Vert }^2-\Vert v{\Vert }^2),\\ \text{Im}⟨u,v⟩=\frac{1}{2}(\Vert u{\Vert }^2+\Vert v{\Vert }^2-\Vert u-\mathrm{i}v{\Vert }^2),\\ \text{Im}⟨u,v⟩=\frac{1}{4}(\Vert u+\mathrm{i}v{\Vert }^2-\Vert u-\mathrm{i}v{\Vert }^2).\end{array}$

Ces formules peuvent être réécrites pour des formes hermitiennes non nécessairement positives.

Correspondance entre formes bilinéaires symétriques (ou hermitiennes) et formes quadratiques

L'application qui, à une forme bilinéaire symétrique (resp. une forme sesquilinéaire à gauche) associe sa forme quadratique (respectivement l'application φ associée) est une application linéaire injective et donc induit un isomorphisme d'espaces vectoriels (toujours en caractéristique différente de 2) sur son image (l'espace vectoriel des formes quadratiques dans le cas d'une forme bilinéaire symétrique). La forme polaire correspond à l'isomorphisme réciproque. Dans le cas des formes sesquilinéaires hermitiennes, l'image est le sous-espace réel des formes quadratiques hermitiennes.

Normes issues d'un produit scalaire

Il est possible d'aller plus loin à l'aide de la règle du parallélogramme.

Cas réel

Dans ce paragraphe E désigne un espace vectoriel réel. Si Modèle:Math est une forme quadratique, elle vérifie l'égalité suivante dite règle du parallélogramme :

$\mathrm{\forall }x,y\in E\phi (x+y)+\phi (x-y)=2(\phi (x)+\phi (y)).$

La réciproque est vraie sous l'hypothèse que pour tous vecteurs x et y, la fonction numérique t ↦ Modèle:Math(x + ty) est continue, ou même seulement mesurable.

Modèle:Démonstration/début Définissons Modèle:Math par l'identité de polarisation :

$\mathrm{\forall }x,y\in Ef(x,y)=\frac{1}{4}(\phi (x+y)-\phi (x-y)).$

• Modèle:Math(x, x) = Modèle:Math(x) = Modèle:Math(–x) :
  • l'identité du parallélogramme, appliquée à y = x, donne : Modèle:Math(2x) + Modèle:Math(0) = 4Modèle:Math(x), en particulier Modèle:Math(0) = 0, donc Modèle:Math(x, x) = (Modèle:Math(2x) – Modèle:Math(0))/4 = Modèle:Math(x) ;
  • appliquée à x = 0, elle donne (en réutilisant que Modèle:Math(0) = 0) : Modèle:Math(–y) = Modèle:Math(y).
• Modèle:Math (x + y, z) = Modèle:Math (x, z) + Modèle:Math (y, z) :

Modèle:Note autre projet

• Pour tout vecteur z, l'application Modèle:Math (∙, z) est ℝ-linéaire :
  Voir l'article Équation fonctionnelle de Cauchy.
• L'application Modèle:Math est bilinéaire symétrique :
  Le caractère symétrique de Modèle:Math provient de la parité de Modèle:Math et la bilinéarité se déduit alors du point précédent.

On en déduit le théorème suivant :

Conditions suffisantes. Pour qu'une norme N sur un espace vectoriel réel E dérive d'un produit scalaire, l'une quelconque des conditions nécessaires suivantes suffitModèle:, :

1. $\mathrm{\forall }x,y\in E\text{tels que}N(x)=N(y)=1,N(x+y{)}^2+N(x-y{)}^2\le 4.$
2. $\mathrm{\forall }x,y\in E\text{tels que}N(x)=N(y)=1,N(x+y{)}^2+N(x-y{)}^2\ge 4.$
3. Il existe une application F : [0, 2] → ℝ telle que :
   $\mathrm{\forall }x,y\in E\text{tels que}N(x)=N(y)=1,N(x-y)=F(N(x+y)).$

Cas complexe

Dans ce paragraphe E désigne un espace vectoriel complexe préhilbertien. L'identité du parallélogramme est encore valable pour la norme.

La situation est ici encore analogue à celle des espaces réels. La norme d'un produit scalaire hermitien le caractérise. Toute norme satisfaisant l'égalité du parallélogramme est issue d'un produit scalaire.

Modèle:Théorème Remarque : suivant le choix de la formule de polarisation, on obtient une forme hermitienne à gauche ou à droite (avec unicité dans chacun des deux cas).

Modèle:Démonstration/début Comme le cas réel est déjà traité, si E est considéré comme un espace vectoriel réel, il est équipé d'un produit scalaire Modèle:Math dont la norme dérive. Définissons Modèle:Math par :

$\mathrm{\forall }x,y\in E,h(x,y)=f(x,y)+\mathrm{i}f(x,\mathrm{i}y).$

Compte tenu des propriétés acquises pour Modèle:Math, il suffit alors, pour démontrer que Modèle:Math est une forme sesquilinéaire à droite dont la norme dérive, de vérifier les trois points suivants :

1. $\mathrm{\forall }x\in E,h(x,x)=f(x,x);$
2. $\mathrm{\forall }x,y\in E,h(\mathrm{i}x,y)=\mathrm{i}h(x,y);$
3. $\mathrm{\forall }x,y\in E,h(y,x)=\overline{h(x,y)}.$

• Pour tous vecteurs x et y, Modèle:Math(Modèle:Mathx, y) = Modèle:MathModèle:Math(x, y) et Modèle:Math(y, x) = Modèle:Surligner :
  En identifiant parties réelles et parties imaginaires, on se ramène à montrer que pour tous vecteurs z et y, Modèle:Math(Modèle:Mathz, Modèle:Mathy) = Modèle:Math(z, y), c'est-à-dire que l'opérateur de multiplication par Modèle:Math préserve le produit scalaire Modèle:Math. Cela résulte (via l'une quelconque des trois identités de polarisation dans le cas réel) de ce qu'il est ℝ-linéaire et préserve la norme.
• Pour tout vecteur x, Modèle:Math(x, x) = Modèle:Math(x, x) :
  D'après le point précédent, Modèle:Math(x, x) est égal à sa partie réelle.

Notes et références

Modèle:En Kōsaku Yosida, Functional Analysis, Springer, 1980 Modèle:ISBN

Liens externes

• Forme quadratique,polarisation par V. et F. Bayart dans bibmath.net
• Espaces préhilbertiens par C. Antonini Modèle:Et al. dans les-mathematiques.net 2001