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

Espaces euclidiens

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 euclidien $E$ est un espace vectoriel de dimension finie muni d'un produit scalaire $\langle \cdot, \cdot \rangle$.

  • Produit scalaire : Forme bilinéaire, symétrique, définie et positive.
  • Norme : $|x| = \sqrt{\langle x, x \rangle}$.
  • Théorème de Pythagore : $x \perp y \iff |x+y|^2 = |x|^2 + |y|^2$.
  • Inégalité de Cauchy-Schwarz : $|\langle x, y \rangle| \leq |x| \cdot |y|$.
  • Théorème de projection : Si $F$ est un sous-espace de $E$, alors $E = F \oplus F^\perp$.

Méthodes à maîtriser

  1. Orthonormalisation de Gram-Schmidt : Pour transformer une base $(e_1, \dots, e_n)$ en une base orthonormée $(u_1, \dots, u_n)$.
  2. Calcul de projection : Utiliser une base orthonormée $(u_i)$ de $F$ : $p_F(x) = \sum_{i=1}^k \langle x, u_i \rangle u_i$.
  3. Vérification d'orthogonalité : Toujours vérifier si la famille est libre avant d'orthonormaliser.

Exemples corrigés

  • Exemple 1 : Dans $\mathbb{R}^2$ muni du produit scalaire usuel, la famille ${(1,1), (1,-1)}$ est orthogonale. Après normalisation, on obtient ${(\frac{1}{\sqrt{2}}, \frac{1}{\sqrt{2}}), (\frac{1}{\sqrt{2}}, -\frac{1}{\sqrt{2}})}$.
  • Exemple 2 : Soit $F = \text{Vect}((1,1,1))$. $F^\perp$ est le plan d'équation $x+y+z=0$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier que le produit scalaire doit être défini (si $\langle x, x \rangle = 0$ alors $x=0$).
  • Appliquer Gram-Schmidt sur une famille liée.
  • Confondre la norme euclidienne avec la norme infinie.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Espaces euclidiens

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Soit $E$ un espace euclidien. Si $\langle x, y \rangle = 0$, alors :

❓ Questions fréquentes

Est-ce que tout espace préhilbertien est euclidien ?

Non. Un espace est dit euclidien s'il est de dimension finie. Un espace préhilbertien peut être de dimension infinie (comme l'espace des fonctions continues sur $[0,1]$).

💡 À retenir : Espace euclidien = Préhilbertien + Dimension finie.

Kifach n3ref wach had l-produit scalaire s7i7?
  1. Khassou ykon bilinéaire (linéaire f kol variable).
  2. Khassou ykon symétrique ($\langle x, y \rangle = \langle y, x \rangle$).
  3. Khassou ykon défini positif ($\langle x, x \rangle \geq 0$ et $\langle x, x \rangle = 0 \iff x=0$).

💡 À retenir : Vérifie toujours la condition "défini" en résolvant $\langle x, x \rangle = 0$.

C'est quoi la différence entre orthogonal et supplémentaire orthogonal ?

L'orthogonalité est une relation entre deux vecteurs. Le supplémentaire orthogonal $F^\perp$ est l'ensemble de tous les vecteurs de $E$ qui sont orthogonaux à chaque vecteur de $F$.

💡 À retenir : $F^\perp = {x \in E / \forall y \in F, \langle x, y \rangle = 0}$.

Wach Gram-Schmidt kaysla7 ghir l-les bases?

Oui, Gram-Schmidt s'applique à une famille libre pour obtenir une base orthonormée du sous-espace engendré par cette famille.

💡 À retenir : Si la famille est liée, le procédé échoue (on obtient un vecteur nul).

Comment calculer la distance d'un point à un sous-espace ?

La distance $d(x, F)$ est égale à $|x - p_F(x)|$, où $p_F(x)$ est la projection orthogonale de $x$ sur $F$.

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

Kifach n7seb l-projection orthogonale ila ma3ndich base orthonormée ?

Il faut d'abord orthonormaliser la base de $F$ en utilisant Gram-Schmidt, puis appliquer la formule de projection.

💡 À retenir : La formule $\sum \langle x, u_i \rangle u_i$ ne marche qu'avec une base orthonormée.

L'inégalité de Cauchy-Schwarz est-elle toujours une égalité ?

Non, c'est une inégalité. L'égalité a lieu si et seulement si les vecteurs $x$ et $y$ sont colinéaires.

💡 À retenir : $|\langle x, y \rangle| = |x| |y| \iff x, y$ liés.

Est-ce que F cap F^perp est toujours réduit à {0} ?

Oui, car si $x \in F \cap F^\perp$, alors $\langle x, x \rangle = 0$ (car $x \in F$ et $x \in F^\perp$), donc $x=0$.

💡 À retenir : L'intersection d'un sous-espace et de son orthogonal est toujours nulle.

Est-ce que tout endomorphisme est un projecteur orthogonal ?

Non. Un endomorphisme $p$ est un projecteur orthogonal si et seulement si $p^2 = p$ (projecteur) et $p^* = p$ (autoadjoint).

💡 À retenir : Projecteur orthogonal = Projecteur + Autoadjoint.

Peut-on utiliser le produit scalaire usuel dans tous les exercices ?

Non, seulement si l'énoncé le précise. Sinon, il faut utiliser le produit scalaire défini dans l'exercice.

💡 À retenir : Toujours lire la définition du produit scalaire au début de l'énoncé.

Wach l-matrice dyal l-produit scalaire khassha tkon symétrique ?

Oui, la matrice de Gram (matrice du produit scalaire dans une base) est toujours symétrique car le produit scalaire est symétrique.

💡 À retenir : Matrice symétrique réelle = base de la structure euclidienne.

Pourquoi on parle d'espaces euclidiens en PSI ?

Parce que c'est la base pour comprendre la réduction des endomorphismes symétriques et les problèmes de moindres carrés.

💡 À retenir : C'est un outil fondamental pour l'optimisation.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Soit $E = \mathbb{R}^3$ muni du produit scalaire usuel. Soit $F = \text{Vect}(u_1, u_2)$ avec $u_1 = (1, 1, 0)$ et $u_2 = (1, 0, 1)$.

  1. Appliquer le procédé de Gram-Schmidt pour trouver une base orthonormée $(e_1, e_2)$ de $F$.
  2. Déterminer une base de $F^\perp$.
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Exercice 2

Soit $E$ un espace euclidien et $p$ un projecteur. Montrer que $p$ est un projecteur orthogonal si et seulement si $\forall x \in E, |p(x)| \leq |x|$.

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Exercice 3

Soit $E = \mathbb{R}_2[X]$ muni du produit scalaire $\langle P, Q \rangle = \int_0^1 P(t)Q(t) dt$. Calculer la projection orthogonale de $P(X) = X^2$ sur $F = \text{Vect}(1)$.

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