Najah.
Mon plan de révision⚡ Défi flash

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

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 associée : $|x| = \sqrt{\langle x, x \rangle}$.
  • Cauchy-Schwarz : $|\langle x, y \rangle| \le |x| \cdot |y|$.
  • Inégalité triangulaire : $|x+y| \le |x| + |y|$.
  • Identité du parallélogramme : $|x+y|^2 + |x-y|^2 = 2(|x|^2 + |y|^2)$.

Méthodes à maîtriser

  1. Vérifier qu'une forme est un produit scalaire : Vérifier la bilinéarité, la symétrie et le caractère défini positif (positivité + annulation).
  2. Orthogonaliser une base : Utiliser le procédé de Gram-Schmidt pour transformer une base $(e_1, \dots, e_n)$ en une base orthogonale $(u_1, \dots, u_n)$.
  3. Calculer une distance : Utiliser $d(x, F) = \min_{y \in F} |x-y|$.

Exemples corrigés

  • Exemple 1 : Dans $\mathbb{R}^2$, $\langle (x_1, y_1), (x_2, y_2) \rangle = x_1x_2 + 2y_1y_2$ est un produit scalaire.
  • Exemple 2 : Si $(e_i)$ est une famille orthonormée, alors $| \sum \lambda_i e_i |^2 = \sum \lambda_i^2$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier de vérifier que la forme est "définie" (si $\langle x, x \rangle = 0$ alors $x=0$).
  • Confondre famille orthogonale (produit scalaire nul) et famille orthonormée (norme 1 en plus).
  • Appliquer Pythagore sans vérifier que les vecteurs sont orthogonaux.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

Tu as appris les sciences en arabe ? Touche un mot pour voir sa traduction et une explication en darija.

La question que tu n'oses pas poser en classe ? Pose-la à UstadZéro jugement, même en darija, même à minuit. Il t'explique pas à pas et corrige ta démarche. Gratuit.

Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Espaces préhilbertiens réels

1/4

Dans un espace euclidien, si $\langle x, y \rangle = 0$ et $\langle x, z \rangle = 0$, alors :

❓ Questions fréquentes

Kifach n3ref wach had la forme hiya produit scalaire wla la ?
  1. Vérifie la bilinéarité (linéarité par rapport à chaque variable).
  2. Vérifie la symétrie : $\langle x, y \rangle = \langle y, x \rangle$.
  3. Vérifie le caractère défini positif : $\langle x, x \rangle \ge 0$ et $\langle x, x \rangle = 0 \iff x = 0$.

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

Chno hiya l'far9 bin espace préhilbertien et espace euclidien ?

La différence est simple : un espace euclidien est un espace préhilbertien réel de dimension finie.

💡 À retenir : Tout espace euclidien est préhilbertien, mais la réciproque est fausse en dimension infinie.

Kifach nطبق Gram-Schmidt f'exercice ?
  1. Pose $u_1 = e_1$.
  2. Calcule $u_2 = e_2 - \frac{\langle e_2, u_1 \rangle}{|u_1|^2} u_1$.
  3. Continue pour $u_n$ en soustrayant les projections sur tous les $u_i$ précédents.

💡 À retenir : À chaque étape, vérifie que $\langle u_n, u_i \rangle = 0$ pour $i < n$.

Qu'est-ce que le supplémentaire orthogonal d'un sous-espace F ?

C'est l'ensemble $F^\perp = {x \in E \mid \forall y \in F, \langle x, y \rangle = 0}$. En dimension finie, $E = F \oplus F^\perp$.

💡 À retenir : $F^\perp$ est toujours un sous-espace vectoriel de $E$.

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

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

💡 À retenir : C'est un outil puissant pour majorer des produits scalaires.

Est-ce que la norme est toujours définie par un produit scalaire ?

Non. Une norme est associée à un produit scalaire si et seulement si elle vérifie l'identité du parallélogramme.

💡 À retenir : Si l'identité du parallélogramme échoue, la norme ne provient pas d'un produit scalaire.

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

Si $F$ est de dimension finie, on cherche la projection orthogonale $p_F(x)$. La distance est alors $|x - p_F(x)|$.

💡 À retenir : La projection orthogonale est le point de $F$ le plus proche de $x$.

Est-ce que toute famille orthogonale est libre ?

Oui, à condition qu'aucun vecteur de la famille ne soit le vecteur nul.

💡 À retenir : Une famille orthogonale de vecteurs non nuls est toujours libre.

Pourquoi on dit "réel" dans espace préhilbertien réel ?

Parce que le corps de base est $\mathbb{R}$. Si le corps était $\mathbb{C}$, on parlerait d'espace hermitien avec une forme sesquilinéaire.

💡 À retenir : Le programme PSI se limite aux espaces réels.

Est-ce que le produit scalaire est distributif ?

Oui, grâce à la bilinéarité : $\langle x+y, z \rangle = \langle x, z \rangle + \langle y, z \rangle$.

💡 À retenir : La distributivité est une conséquence directe de la linéarité.

Comment normaliser une famille orthogonale ?

Il suffit de diviser chaque vecteur $u_i$ par sa norme $|u_i|$. La nouvelle famille $v_i = \frac{u_i}{|u_i|}$ est orthonormée.

💡 À retenir : La normalisation ne change pas la direction du vecteur.

Est-ce que F cap F^perp peut contenir un vecteur non nul ?

Non, car si $x \in F \cap F^\perp$, alors $\langle x, x \rangle = 0$, donc $x=0$ par définition du produit scalaire.

💡 À retenir : L'intersection est toujours réduite au vecteur nul.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

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

  1. Montrer que $F$ est un sous-espace vectoriel.
  2. Déterminer une base orthonormée de $F$ par le procédé de Gram-Schmidt.
Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 2

Soit $E = \mathcal{C}([0, 1], \mathbb{R})$ muni de $\langle f, g \rangle = \int_0^1 f(t)g(t) dt$. Soient $f_0(t) = 1$ et $f_1(t) = t$. Calculer $\langle f_0, f_1 \rangle$ et $|f_1|$.

Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 3

Soit $E$ un espace préhilbertien. Montrer que $\forall x, y \in E, |x+y|^2 = |x|^2 + |y|^2 \iff \langle x, y \rangle = 0$.

Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Un prof de Mathématiques pour aller plus loin

Les cours du soir avec des profs vérifiés arrivent : inscris-toi pour être prévenu(e) en premier.

Être prévenu(e) gratuitement

Autres chapitres de Mathématiques