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Solutions détaillées de neuf exercices sur la notion de produit scalaire (fiche 01). Cliquer ici pour accéder aux énoncés. Divers éléments théoriques sont disponibles dans cet article. Traitons directement le cas général. Soient et des réels tous distincts. Pour tout, l'application: est une forme linéaire (appelée » évaluation en «). Par conséquent, l'application: est une forme bilinéaire. Sa symétrie et sa positivité sont évidentes. En outre, si c'est-à-dire si alors (somme nulle de réels positifs) pour tout Enfin, on sait que le seul élément de possédant racines est le polynôme nul. Exercices sur les produits scalaires au lycée | Méthode Maths. Bref, on a bien affaire à un produit scalaire. Ensuite, la bonne idée est de penser à l'interpolation de Lagrange. Notons l'unique élément de vérifiant: c'est-à-dire (symbole de Kronecker). Rappelons au passage, même si ce n'est pas utile ici, que est explicitement donné par: Il est classique que est une base de En outre, pour tout: ce qui prouve que est une base orthonormale de pour ce produit scalaire.
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Neuf énoncés d'exercices sur la notion de produit scalaire (fiche 02). Soit un espace vectoriel muni d'un produit scalaire et soit Montrer que Soit un espace vectoriel euclidien et soient des endomorphismes symétriques de Trouver une condition nécessaire et suffisante pour que l'endomorphisme soit symétrique. Soit un espace vectoriel euclidien. On note comme d'habitude sont dual: c'est l'espace On sait que l'application: est un isomorphisme. Exercices sur le produit scolaire comparer. On montre généralement ceci en prouvant que est linéaire et injective, puis en invoquant le théorème du rang pour obtenir sa surjectivité. On demande ici d'établir la surjectivité de de façon directe. Etant donné on munit l'espace vectoriel du produit scalaire défini, pour tout, par: Trouver une base orthonormale.
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Mais ceci signifie que est la forme linéaire nulle, ce qui est absurde! On a donc prouvé que ne possède aucun antécédent par. Preuve 1 Si l'inégalité à établir est vraie (c'est même une égalité) et la famille est liée. Supposons maintenant et posons, pour tout: On voit que est un trinôme de signe constant, donc de discriminant négatif ou nul (rappelons qu'un trinôme de discriminant strictement positif possède deux racines distinctes, qu'il est du signe de son coefficient dominant à l'extérieur du segment limité par les racines et du signe contraire à l'intérieur). Ceci donne l'inégalité souhaitée. Le cas d'égalité est celui où le discriminant est nul: il existe alors tel que c'est-à-dire ou encore La famille est donc liée. Preuve 2 Supposons et non nuls. On observe que: c'est-à-dire: Or, par définition de et donc: En cas d'égalité, on a: ce qui montre que la famille est liée. Fixons une base orthonormale de Soit une forme bilinéaire. Exercices sur le produit scalaire. Pour tout en décomposant dans sous la forme: il vient: Notons D'après l'inégalité triangulaire: c'est-à-dire: Mais d'après l'inégalité de Cauchy-Schwarz: et de même: Finalement, en posant: Soient des vecteurs unitaires de D'après l'inégalité de Cauchy-Schwarz: D'autre part: et donc: Dans l'inégalité de gauche est réalisée si l'on choisit: où la famille est orthonormale (ce qui est possible puisque Et l'inégalité de droite est réalisée dès que Soit continue, positive et d'intégrale nulle.
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Montrer que possède un adjoint et le déterminer.
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Preuve de Par contraposée. Supposons et soient tels que Considérons une application nulle en dehors de et ne s'annulant pas dans Par exemple: Alors bien que ce qui montre que n'est pas définie positive. Encore par contraposée. Par hypothèse, il existe vérifiant Vue la continuité de il existe un segment ainsi que tels que: On constate alors que: ce qui impose pour tout Ainsi, Passer en revue les trois axiomes de normes va poser une sérieuse difficulté technique pour l'inégalité triangulaire. Montrons plutôt qu'il existe un produit scalaire sur pour lequel n'est autre que la norme euclidienne associée. Posons, pour tout: Il est facile de voir que est une forme bilinéaire, symétrique et positive. En outre, si alors (somme nulle de réels positifs): D'après le lemme démontré au début de l'exercice n° 6, la condition impose c'est-à-dire qu'il existe tel que: Mais et donc et finalement est l'application nulle. Ceci prouve le caractère défini positif. Exercices sur produit scalaire. Suivons les indications proposées. On définit une produit scalaire sur en posant: Détail de cette affirmation Cette intégrale impropre est convergente car (d'après la propriété des croissances comparées): et il existe donc tel que: Par ailleurs, il s'agit bien d'un produit scalaire.
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Calculons quelques produits scalaires utiles: ainsi que: On voit maintenant que: et: En conclusion: et cette borne inférieure est atteinte pour: Soit Considérons l'application: où, par définition: L'application est continue car lipschitzienne donc continue (pour une explication, voir ce passage d'une vidéo consacrée à une propriété de convexité de la distance à une partie d'un espace normé). Il s'ensuit que est aussi continue. Comme alors c'est-à-dire: Le lemme habituel (cf. Solutions - Exercices sur le produit scalaire - 01 - Math-OS. début de l'exercice n° 6 plus haut) s'applique et montre que Ainsi, s'annule en tout point où ne s'annule pas. Or est fermé, et donc Ainsi Ceci montre que et l'inclusion réciproque est évidente. Il n'est pas restrictif de supposer fermé puisque, pour toute partie de: En effet donc Par ailleurs, si s'annule en tout point de alors s'annule sur l'adhérence de par continuité. Il en résulte que: Si un point n'est pas clair ou vous paraît insuffisamment détaillé, n'hésitez pas à poster un commentaire ou à me joindre via le formulaire de contact.
On montre d'abord la linéarité de Pour cela, on considère deux vecteurs un réel et l'on espère prouver que: Il faut bien voir que les deux membres de cette égalité sont des formes linéaires et, en particulier, des applications. On va donc se donner quelconque et prouver que: ce qui se fait » tout seul »: Les égalités et découlent de la définition de L'égalité provient de la linéarité à gauche du produit scalaire. Quant à l'égalité elle résulte de la définition de où sont deux formes linéaires sur La linéarité de est établie. Exercices sur le produit scalaire avec la correction. Plus formellement, on a prouvé que: Pour montrer l'injectivité de il suffit de vérifier que son noyau est réduit au vecteur nul de Si alors est la forme linéaire nulle, ce qui signifie que: En particulier: et donc L'injectivité de est établie. Si est de dimension finie, alors On peut donc affirmer, grâce au théorème du rang, que est un isomorphisme. Remarque Cet isomorphisme est qualifié de canonique, pour indiquer qu'il a été défini de manière intrinsèque, c'est-à-dire sans utiliser une quelconque base de Lorsque est de dimension infinie, l'application n'est jamais surjective.