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 de , , et si , alors ;
pour tout de , et tout de , ;
pour tous de , (inégalité triangulaire).
.
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 ,
si , la matrice de dans la base est donnée par
.
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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