Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Espaces préhilbertiens de dimension finie

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Solution by Ancient Tree · FR

Soit EE un espace préhilbertien de dimension n∈Nn\in \N, avec son produit scalaire ⟨,⟩\langle,\rangle. Il suffit de montrer que EE est complet pour la norme issue du produit scalaire.
Soit donc (uk)k∈N(u_{k})_{k\in \N} une suite de Cauchy de EE. Il faut montrer qu’elle converge dans EE.
Comme EE est de dimension finie, il existe une base (e1,…,en)(e_{1},\ldots,e_{n}) de EE, que l’on peut même supposer orthonormée d’après le procédé d'orthonormalisation de Gram-Schmidt. Décomposons les termes de notre suite dans cette base :
uk=uk1e1+…+uknen.u_{k}=u_{k}^{1}e_{1}+\ldots+u_{k}^{n}e_{n}.

Montrons que chaque suite de coordonnées selon une direction eie_{i}, à savoir (uki)k∈N(u_{k}^{i})_{k\in \N}, est de Cauchy.
Pour cela, on utilise le théorème de Pythagore. Pour tout m∈Nm\in \N :
∥uk−uk+m∥2=∑i=1n∥(uki−uk+mi)ei∥2=∑i=1n∣uki−uk+mi∣2.\|u_{k}-u_{k+m}\|^{2}=\sum_{i=1}^{n}\|(u_{k}^{i}-u_{k+m}^{i})e_{i}\|^{2}=\sum_{i=1}^{n}|u_{k}^{i}-u_{k+m}^{i}|^{2}.En particulier, on a que , pour tout ii, ∣uki−uk+mi∣⩽∥uk−uk+m∥|u_{k}^{i}-u_{k+m}^{i}|\leqslant \|u_{k}-u_{k+m}\|, et donc (uki)k∈N(u_{k}^{i})_{k\in \N} est de Cauchy.

Or, ces suites de coordonnées sont des suites à valeurs dans R\R, qui est fameusement complet. Donc elles convergent : notons, pour tout ii,
lim⁡k→+∞uki=ai.\lim_{k\to +\infty} u_{k}^{i}=a^{}{i}.On montre alors sans problème que la suite (uk)(u_{k}) converge :
lim⁡k→+∞uk=∑i=1naiei.\lim_{k\to +\infty} u_{k}=\sum_{i=1}^{n}a^{i}e_{i}.

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