Let VV be a vector space over the real or complex field FF, and let x,y∈Vx,y∈V be given. In order to prove the Cauchy-Schwarz inequality, it will first be proven that |〈x,y〉|2=〈x,x〉〈y,y〉|〈x,y〉|2=〈x,x〉〈y,y〉 if y=axy=ax for some a∈Fa∈F. It will then be shown that |〈x,y〉|2<〈x,x〉〈y,y〉|〈x,y〉|2<〈x,x〉〈y,y〉 if y≠axy≠ax for all a∈Fa∈F.
Consider the case in which y=axy=ax for some a∈Fa∈F. From the properties of inner products, it is clear that
|
〈
x
,
y
〉
|
2
=
|
〈
x
,
a
x
〉
|
2
=
|
a
¯
〈
x
,
x
〉
|
2
.
|
〈
x
,
y
〉
|
2
=
|
〈
x
,
a
x
〉
|
2
=
|
a
¯
〈
x
,
x
〉
|
2
.
(6)
Hence, it follows that
|
〈
x
,
y
〉
|
2
=
|
a
¯
|
2
|
〈
x
,
x
〉
|
2
=
|
a
|
2
〈
x
,
x
〉
2
.
|
〈
x
,
y
〉
|
2
=
|
a
¯
|
2
|
〈
x
,
x
〉
|
2
=
|
a
|
2
〈
x
,
x
〉
2
.
(7)
Similarly, it is clear that
〈
x
,
x
〉
〈
y
,
y
〉
=
〈
x
,
x
〉
〈
a
x
,
a
x
〉
=
〈
x
,
x
〉
a
a
¯
〈
x
,
x
〉
=
|
a
|
2
〈
x
,
x
〉
2
.
〈
x
,
x
〉
〈
y
,
y
〉
=
〈
x
,
x
〉
〈
a
x
,
a
x
〉
=
〈
x
,
x
〉
a
a
¯
〈
x
,
x
〉
=
|
a
|
2
〈
x
,
x
〉
2
.
(8)
Thus, it is proven that |〈x,y〉|2=〈x,x〉〈y,y〉|〈x,y〉|2=〈x,x〉〈y,y〉 if x=ayx=ay for some a∈Fa∈F.
Next, consider the case in which y≠axy≠ax for all a∈Fa∈F, which implies that y≠0y≠0 so 〈y,y〉≠0〈y,y〉≠0. Thus, it follows by the properties of inner products that, for all a∈Fa∈F, 〈x-ay,x-ay〉>0.〈x-ay,x-ay〉>0.
This can be expanded using the properties of inner products to the expression
〈
x
-
a
y
,
x
-
a
y
〉
=
〈
x
,
x
-
a
y
〉
-
a
〈
y
,
x
-
a
y
〉
=
〈
x
,
x
〉
-
a
¯
〈
x
,
y
〉
-
a
〈
y
,
x
〉
+
|
a
|
2
〈
y
,
y
〉
〈
x
-
a
y
,
x
-
a
y
〉
=
〈
x
,
x
-
a
y
〉
-
a
〈
y
,
x
-
a
y
〉
=
〈
x
,
x
〉
-
a
¯
〈
x
,
y
〉
-
a
〈
y
,
x
〉
+
|
a
|
2
〈
y
,
y
〉
(9)
Choosing a=〈x,y〉〈y,y〉a=〈x,y〉〈y,y〉,
〈
x
-
a
y
,
x
-
a
y
〉
=
〈
x
,
x
〉
-
〈
y
,
x
〉
〈
y
,
y
〉
〈
x
,
y
〉
-
〈
x
,
y
〉
〈
y
,
y
〉
〈
y
,
x
〉
+
〈
x
,
y
〉
〈
y
,
x
〉
〈
y
,
y
〉
2
〈
y
,
y
〉
=
〈
x
,
x
〉
-
〈
x
,
y
〉
〈
y
,
x
〉
〈
y
,
y
〉
〈
x
-
a
y
,
x
-
a
y
〉
=
〈
x
,
x
〉
-
〈
y
,
x
〉
〈
y
,
y
〉
〈
x
,
y
〉
-
〈
x
,
y
〉
〈
y
,
y
〉
〈
y
,
x
〉
+
〈
x
,
y
〉
〈
y
,
x
〉
〈
y
,
y
〉
2
〈
y
,
y
〉
=
〈
x
,
x
〉
-
〈
x
,
y
〉
〈
y
,
x
〉
〈
y
,
y
〉
(10)
Hence, it follows that
〈x,x〉-〈x,y〉〈y,x〉〈y,y〉>0.〈x,x〉-〈x,y〉〈y,x〉〈y,y〉>0.
Consequently,
〈x,x〉〈y,y〉-〈x,y〉〈x,y¯〉>0.〈x,x〉〈y,y〉-〈x,y〉〈x,y¯〉>0.
Thus, it can be concluded that |〈x,y〉|2<〈x,x〉〈y,y〉|〈x,y〉|2<〈x,x〉〈y,y〉 if y≠axy≠ax for all a∈Fa∈F.
Therefore, the inequality
|
〈
x
,
y
〉
|
2
≤
〈
x
,
x
〉
〈
y
,
y
〉
|
〈
x
,
y
〉
|
2
≤
〈
x
,
x
〉
〈
y
,
y
〉
(11)holds for all x,y∈Vx,y∈V, and equality
|
〈
x
,
y
〉
|
2
=
〈
x
,
x
〉
〈
y
,
y
〉
|
〈
x
,
y
〉
|
2
=
〈
x
,
x
〉
〈
y
,
y
〉
(12)holds if and only if y=axy=ax for some a∈Fa∈F.
"My introduction to signal processing course at Rice University."