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Mathématiques · Classes prépa (CPGE) — 2ème année — MP

Espaces préhilbertiens réels

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

Un espace préhilbertien réel $E$ est un espace vectoriel muni d'une forme bilinéaire symétrique définie positive notée $\langle \cdot, \cdot \rangle$.

  • Norme : $|x| = \sqrt{\langle x, x \rangle}$.
  • Cauchy-Schwarz : $|\langle x, y \rangle| \leq |x| \cdot |y|$.
  • Orthogonalité : $x \perp y \iff \langle x, y \rangle = 0$.
  • Théorème de Pythagore : Si $x \perp y$, alors $|x+y|^2 = |x|^2 + |y|^2$.

Méthodes à maîtriser

  1. Vérifier qu'une forme est un produit scalaire : Vérifier la bilinéarité, la symétrie et le caractère défini positif (positivité + noyau réduit au vecteur nul).
  2. Orthonormalisation de Gram-Schmidt : Transformer une base $(e_1, \dots, e_n)$ en une base orthonormée $(u_1, \dots, u_n)$.
  3. Calcul de projection : Utiliser la formule $p_F(x) = \sum_{i=1}^n \langle x, u_i \rangle u_i$ où $(u_i)$ est une base orthonormée de $F$.

Exemples corrigés

  • Exemple 1 : Dans $\mathbb{R}^2$, avec le produit scalaire usuel, si $x=(1,1)$ et $y=(1,-1)$, alors $\langle x, y \rangle = 1(1) + 1(-1) = 0$. Ils sont orthogonaux.
  • Exemple 2 : Soit $E = \mathbb{R}_n[X]$ muni de $\langle P, Q \rangle = \int_0^1 P(t)Q(t) dt$. C'est un produit scalaire classique.

Erreurs fréquentes

  • Oublier la condition "définie positive" (notamment le fait que $\langle x, x \rangle = 0 \implies x=0$).
  • Confondre orthogonalité et indépendance linéaire (une famille orthogonale de vecteurs non nuls est toujours libre).
  • Appliquer Gram-Schmidt sans vérifier que la famille de départ est libre.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Espaces préhilbertiens réels

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Dans un espace préhilbertien, si $\langle x, y \rangle = 0$, alors :

❓ Questions fréquentes

Wach norme katkhrej dima positive ?

Oui, par définition, la norme $|x| = \sqrt{\langle x, x \rangle}$ est toujours positive ou nulle. Elle ne vaut zéro que si le vecteur est nul.

💡 À retenir : La norme mesure une "distance", elle ne peut jamais être négative.

Chno hiya l'utilité dyal Gram-Schmidt f'l'examen ?
  1. Elle sert à construire une base orthonormée à partir d'une base quelconque.
  2. Elle est indispensable pour calculer des projections orthogonales ou des distances.

💡 À retenir : Gram-Schmidt transforme une base "quelconque" en une base "facile à manipuler".

Kifach n3ref wach wahed l'application hiya produit scalaire wla la?
  1. Vérifie la bilinéarité : l'application doit être linéaire par rapport à chaque variable.
  2. Vérifie la symétrie : $\langle x, y \rangle = \langle y, x \rangle$.
  3. Vérifie le caractère défini positif : $\langle x, x \rangle \geq 0$ et $\langle x, x \rangle = 0 \iff x = 0$.

💡 À retenir : Si l'une de ces trois conditions manque, ce n'est pas un produit scalaire.

Est-ce que toute famille orthogonale est une base ?

Non. Une famille orthogonale est libre, mais elle n'est une base que si elle engendre l'espace (c'est-à-dire si son cardinal est égal à la dimension de l'espace).

💡 À retenir : Une famille orthogonale de vecteurs non nuls est libre, mais pas forcément génératrice.

Comment démontrer que deux sous-espaces sont orthogonaux ?

Il faut montrer que pour tout $x \in F$ et tout $y \in G$, on a $\langle x, y \rangle = 0$.

💡 À retenir : Il suffit de tester la propriété sur une base de chaque sous-espace.

Est-ce que le produit scalaire usuel est le seul possible ?

Non, sur un même espace vectoriel, on peut définir plusieurs produits scalaires différents.

💡 À retenir : Le produit scalaire dépend de la définition choisie dans l'énoncé.

Kifach n7seb la distance bin wahed le point o wahed le plan ?
  1. Tu projettes le point sur le plan (projection orthogonale $p(x)$).
  2. La distance est égale à la norme du vecteur différence : $d(x, F) = |x - p(x)|$.

💡 À retenir : La distance est la norme du vecteur "erreur" de projection.

Peut-on avoir langle x, y rangle = |x| |y| sans que x et y soient colinéaires ?

Non, d'après le cas d'égalité de Cauchy-Schwarz, cela implique que $x$ et $y$ sont liés (colinéaires).

💡 À retenir : L'égalité dans Cauchy-Schwarz caractérise la colinéarité.

Est-ce que l'orthogonal d'un sous-espace est toujours un sous-espace ?

Oui, l'orthogonal $F^\perp$ d'un sous-espace $F$ est toujours un sous-espace vectoriel de $E$.

💡 À retenir : L'orthogonalité préserve la structure d'espace vectoriel.

Pourquoi on utilise souvent des bases orthonormées ?

Parce qu'elles simplifient énormément les calculs de coordonnées : les coordonnées d'un vecteur $x$ sont simplement $\langle x, u_i \rangle$.

💡 À retenir : Dans une base orthonormée, le calcul est beaucoup plus rapide.

Est-ce que langle x, y rangle peut être négatif ?

Oui, le produit scalaire peut être négatif (c'est le cas si l'angle entre les vecteurs est obtus).

💡 À retenir : Seule la norme est toujours positive, pas le produit scalaire.

Wach l'orthogonal dyal l'orthogonal dyal F howa F nit?

Oui, si $E$ est de dimension finie, on a $(F^\perp)^\perp = F$.

💡 À retenir : C'est une propriété fondamentale en dimension finie.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Soit $E = \mathbb{R}^3$ muni du produit scalaire usuel. Soit $F = \text{vect}((1,1,0), (0,1,1))$.

  1. Montrer que $F$ est un sous-espace vectoriel de $E$.
  2. Appliquer le procédé de Gram-Schmidt pour trouver une base orthonormée de $F$.
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Exercice 2

Soit $E = \mathbb{R}_2[X]$ muni de $\langle P, Q \rangle = \int_0^1 P(t)Q(t) dt$. Calculer la norme du polynôme $P(X) = X$.

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Exercice 3

Soit $E$ un espace préhilbertien. Montrer que $\forall x, y \in E, |x+y|^2 + |x-y|^2 = 2(|x|^2 + |y|^2)$.

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