Chapitres Maths en ECS2
Cours : Algèbre bilinéaire en ECS2
Résumé de cours Exercices Corrigés
Cours en ligne de Maths en ECS2
Formes bilinéaires, Produit scalaire, Orthogonalité & Espace euclidien
1. Formes bilinéaires
Méthode 1 : Qu’est-ce qu’une forme bilinéaire sur ?
C’est une application qui à un couple
d’éléments de
associe un réel,
, qui vérifie les deux propriétés suivantes:
(i) pour fixé dans
, l’application
définie par:
,
, est linéaire;
(ii) pour fixé dans
, l’application
définie par:
,
, est linéaire.
La propriété (i) peut s’énoncer sous la forme: est linéaire par rapport à la deuxième variable, ou encore
est linéaire à droite, et la propriété (ii) sous la forme:
est linéaire par rapport à la première variable, ou
est linéaire à gauche.
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Exemple : est-elle une forme bilinéaire sur
si pour tout
:
(i) ?
(ii) ?
(iii) ?
Réponse :
(i) Non
(ii) Non
(iii) Oui
Méthode 2 : Quand est de dimension finie et muni d’une base, comment calculer
si
est bilinéaire?
Si ,
, est une base de
,
est complètement connue quand on connait les
:
si et
sont les coordonnées de
et
dans cette base,
où
.
Exemple : ,
est la base canonique,
est bilinéaire et
.
Donner l’expression de .
Réponse : .
Méthode 3 : Comment définir et utiliser la matrice d’une forme bilinéaire ?
Si
est une forme bilinéaire sur
, si
est une base de
, la matrice de
dans
est .
Si
et
sont les matrices de
et
dans
,
.
Exemple : est muni de la base canonique. Dire si
est une forme bilinéaire sur
et trouver sa matrice quand
(i)
(ii)
(iii) .
Réponse :
(i) Non : l’expression de comporte des carrés de coordonnées.
(ii) Non : si on remplace par
, le terme
est multiplié par
.
(iii) Oui : la matrice de est:
.
Méthode 4 : Si est de dimension
,
, si
et
sont deux bases de
, comment passer de l’expression de
dans
à son expression dans
?
Si est la matrice de passage de
à
, si
et
ont pour matrices
et
dans
,
et dans
, si
est la matrice de
dans
et
sa matrice dans
, on a:
,
, et
, donc
.
Exemple : est muni de la base canonique
,
. Ecrire l’expression de
à l’aide des coordonnées de
et
dans
où
.
Réponse : et
, donc
, d’où:
.
2. Produit scalaire, norme associée
Méthode 5 : Comment savoir si une application est un produit scalaire?
Pour que soit un produit scalaire, il faut et il suffit qu’elle soit:
bilinéaire
symétrique :
,
définie positive :
,
, et si
, alors
.
Méthode 6 : Comment définir et utiliser le produit scalaire canonique dans ?
On note la base canonique de
. Le produit scalaire canonique est défini par : si
appartiennent à
,
,
, alors
.
Les matrices de et
dans la base canonique sont
et
. L’expression matricielle du produit scalaire canonique est donc:


Dans :
et
. Le produit scalaire (canonique) de
et
est :
(i) 4
(ii) 6
(iii) 0
Réponse : On a: , donc
existe et
.
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Méthode 7 : Y a-t-il d’autres produits scalaires usuels que des produits scalaires définis sur ?
Oui. Par exemple, si est l’espace vectoriel des fonctions définies et continues sur l’intervalle
, à valeurs réelles, on définit un produit scalaire sur
en posant, pour
et
dans
,
.
Exemple :
En posant , on définit un produit scalaire sur :
(i) ?
(ii) est dérivable sur
?
Réponse :
(i) Non : en prenant si
et
, on a
, mais
;
(ii) Oui : les fonctions dérivables sur [0,1] sont continues sur .
Méthode 8 : Comment calculer la norme d’un vecteur? Quelles sont les propriétés de la norme?
Si
est muni d’un produit scalaire, la norme associée au produit scalaire est définie par :
.
pour tout





pour tout





pour tous







Exemple : Dans ,
et
où
. La norme de
est
.
Quelle est la valeur de ?
Réponse :
Méthode 9 : Quelles sont les relations d’égalité ou d’inégalité à connaître entre produit scalaire et norme?
.
Cette relation permet de retrouver le produit scalaire à l’aide de la norme.
.
Cette relation découle de et
.
Inégalité de Cauchy-Schwarz:
.
Les cas où l’égalité est obtenue dans cette inégalité sont:
si et seulement si
ou
,
;
si et seulement si
ou
,
.
Exemple : Si est muni du produit scalaire
, alors on a:
(i) : ?
(ii) :
?
(iii) :
?
(iv) :
?
3. Orthogonalité
Méthode 10 : est muni d’un produit scalaire. Quand peut-on parler d’orthogonalité entre éléments ou parties de
?
Si
et
sont deux vecteurs de
, on calcule
: si
, on dira que
et
sont orthogonaux (ou que
est orthogonal à
, ou que
est orthogonal à
), et on notera
; sinon,
et
ne sont pas orthogonaux.
Si
est un vecteur de
et si
est une partie de
ou une famille de vecteurs de
, on dira que
est orthogonal à
si
est orthogonal à tout vecteur de
, et on notera
.
En particulier, si est un sous-espace vectoriel de
, si
est une famille génératrice de
,
est orthogonal à
si et seulement si
est orthogonal à
.
Si
et
sont deux parties de
, on dira que
et
sont orthogonales (ou que
est orthogonale à
) si tout vecteur de
est orthogonal à tout vecteur de
(ou si tout vecteur de
est orthogonal à
), et on notera alors
.
En particulier, si et
sont deux sous-espaces vectoriels de
, si
est une famille génératrice de
et
est une famille génératrice de
,
et
sont orthogonaux si et seulement si
et
sont orthogonales.
Exemple : est muni du produit scalaire
,
,
et , où
.
Pour quelles valeurs de a-t-on
?
Méthode 11 : est muni d’un produit scalaire. Quel est l’ensemble des vecteurs orthogonaux à un vecteur donné? à une partie donnée?
Si
, l’ensemble des vecteurs de
orthogonaux à
est un sous-espace vectoriel de
appelé l’orthogonal de
et noté
:
. En particulier
.
Pour tout de
, on a:
, et si
est une partie de
,
équivaut à
.
Si
est une partie de
, l’ensemble des vecteurs de
orhogonaux à
est un sous-espace vectoriel de
appelé l’orthogonal de
et noté
. En particulier
.
On a encore , et si
et
sont deux parties de
,
équivaut à
(ou à
). En prenant
, on obtient
.
Si
est une partie finie,
, alors
.
Exemple :
est muni du produit scalaire canonique,
.
Quelle est l’équation de ?
Réponse :
Méthode 12 : est muni d’un produit scalaire. Qu’est-ce qu’une famille orthogonale? une famille orthonormale?
Une famille de vecteurs de
est
orthogonale si pour
,
est orthogonal à
;
orthonormale si elle est orthogonale et si tous les vecteurs de la famille sont unitaires (c’est-à-dire de norme
).
Une famille orthogonale formée de vecteurs tous non nuls est libre. Une famille orthonormale est libre.
Exemple :
est muni du produit scalaire
.
La famille est orthonormale si et seulement si:
(i) et
?
(ii) ?
(iii) ?
Réponse : (ii)
Méthode 13 : est muni d’un produit scalaire. Comment exploiter l’orthogonalité?
Pour montrer qu’un vecteur de
est nul, on peut montrer qu’il est orthogonal à tous les vecteurs de
.
Pour montrer qu’une famille est libre, on peut vérifier que les vecteurs qui la composent sont non nuls, et montrer qu’elle est orthogonale.
Si
et
sont deux sous-espaces vectoriels de
orthogonaux,
, la somme
est directe.
Si
est une famille orthonormale de
, pour tout
de
,
est
orthogonal à .
Exemple :
est polynomiale à coefficients réels
On suppose que et que
,
.
A-t-on ?
Réponse : Oui, on munit du produit scalaire défini par:
;
est orthogonale à toutes les fonctions de
, donc
.
Méthode 14 : Comment relier l’orthogonalité à la norme?
En utilisant le théorème de Pythagore: et
sont orthogonaux si et seulement si
.
Exemple : est muni d’un produit scalaire,
est un sous-espace vectoriel de
,
un vecteur de
, et
un vecteur de
tel que:
.
Montrer que, pour tout vecteur de
,
.
Réponse : si ,
, donc
; en remarquant que
et en utilisant le théorème de Pythagore,
, donc
.
4. Espaces euclidiens
Méthode 15 : Qu’est-ce qu’un espace euclidien? Quelle en est la principale propriété?
C’est un espace vectoriel sur de dimension finie, muni d’un produit scalaire.



La base canonique de est-elle orthonormée pour le produit scalaire canonique ?
Réponse : Oui
Méthode 16 : Si est euclidien, comment savoir qu’une famille de vecteurs de
est une b.o.n. (base orthonormée ou base orthonormale) de
?
Si , il suffit de vérifier que la famille a
éléments et qu’elle est orthonormale.
Exemple : est un espace euclidien
et
sont deux sous-espaces vectoriels de
,distincts de
, supplémentaires:
.
est une b.o.n. de
,
est une b.o.n. de
. Alors:
(i) est une b.o.n. de
?
(ii) est une b.o.n. de
si et seulement si
?
(iii) est une b.o.n. de
si et seulement si
?
Réponse : (iii) La famille a éléments et
puisque
, tous les vecteurs sont de norme
, et elle est orthogonale si et seulement si
est orthogonal à
.
Méthode 17 : Si est euclidien, comment construire une b.o.n. de
?
Si
est de dimension
,
, si
est une base de
, on peut construire la b.o.n.
déduite de
par le procédé de Schmidt:
et, pour
, si
,
.
C’est l’unique b.o.n. de telle que, pour tout
tel que
, on ait:
et
.
Si
est de dimension
,
, si
,
, est une famille orthonormale de
, on peut la compléter en une base orthonormée
de
.
Exemple :
Dans muni du produit scalaire canonique, on donne les vecteurs
,
,
, qui forment une base
de
.
La b.o.n. déduite de
par le procédé de Schmidt est:
(i) ,
,
?
(ii) ,
,
?
Réponse : (ii)
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Méthode 18 : Comment utilise-t-on les bases orthonormées?
Si est une base orthonormée de
,

















.
Exemple : est muni du produit scalaire canonique.
Si et
,
est une b.o.n. de
.
Si , les coordonnées de
dans
sont:
(i) ?
(ii) ?
Réponse : (ii)
Méthode 19 : Dans un espace euclidien, comment changer de b.o.n.? Qu’est-ce qu’une matrice orthogonale?
Si
et
sont deux b.o.n. de
, si
est la matrice de passage de
à
, alors
. On a donc
.
Une matrice carrée inversible
qui vérifie
est une matrice orthogonale.
Si
est une matrice orthogonale, si
est une b.o.n. de
,
est la matrice de passage de
à une base
de
; alors,
est une base orthonormée de
.
Une matrice est orthogonale si et seulement si c’est une matrice de passage entre deux b.o.n. de
.
Exemple :
.
(i) est orthogonale si et seulement si
?
(ii) est orthogonale si et seulement si
?
(iii) n’est orthogonale pour aucun
?
Réponse : (i)
Méthode 20 : Dans un espace euclidien, quelles sont les propriétés des sous-espaces orthogonaux?
Si
et
sont deux sous-espaces vectoriels orthogonaux d’un espace euclidien
, alors:
(i) ;
(ii) si , alors
;
(i) Si
est un sous-espace vectoriel de
, alors
;
(ii) Si et
, alors
:
est le supplémentaire orthogonal de
.
Exemple : est un espace euclidien de dimension
,
, muni d’une b.o.n.
.
. Trouver
.
Réponse : Si , on a
et
, donc
.
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