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Tuesday, 23 July 2024

$$ Espace vectoriel euclidien L'exemple précédent est un modèle pour la définition d'un produit scalaire dans un cadre bien plus général que celui du plan. On cherche à le définir sur un espace de toute dimension. Les propriétés vérifiées par le produit scalaire dans le cas du plan conduisent à poser la définition suivante: Définition: Soit $E$ un espace vectoriel sur $\mathbb R$, et soit $f:E\times E\to \mathbb R$ une fonction. On dit que f est un produit scalaire si pour tous $u, v$ de $E$, $f(u, v)=f(v, u)$. pour tous $u, v, w$ de $E$, $f(u+v, w)=f(u, w)+f(v, w)$. pour tout $\lambda\in\mathbb R$, et tous $u, v$ de $E$, $f(\lambda u, v)=f(u, \lambda v)=\lambda f(u, v)$. pour tout $u$ de $E$, $f(u, u)>=0$, avec égalité si, et seulement si, $u=0$. Autrement dit, un produit scalaire est une forme bilinéaire symétrique définie positive. Définition: Un espace vectoriel sur $\mathbb R$ muni d'un produit scalaire est dit euclidien s'il est de dimension finie. préhilbertien s'il est de dimension infinie.

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A posteriori, on peut maintenant définir dans un espace vectoriel euclidien les notions d'orthogonalité,... Ex: Soit $E$ l'ensemble des polynômes, $w$ une fonction continue strictement positive sur l'intervalle $[a, b]$. On définit un produit scalaire sur E en posant $f(P, Q)=\int_a^b P(x)Q(x)w(x)dx. $$ Cet exemple donne naissance à la riche théorie des polynômes orthogonaux. Cas complexe Pour des raisons techniques, il faut légèrement changer la définition d'un produit scalaire dans le cas d'un espace vectoriel sur $\mathbb C$. Définition: Soit $E$ un espace vectoriel sur $\mathbb C$, et soit $f:E\times;E \to\mathbb C$ une fonction. On dit que $f$ pour tous $u, v$ de $E$, $f(u, v)=\overline{f(v, u)}$. pour tout $\lambda \in\mathbb C$, et tous $u, v$ de $E$, $f(\lambda u, v)=\lambda f(u, v)$. Définition: Un espace vectoriel sur $\mathbb C$ muni d'un produit scalaire est dit hermitien s'il est de dimension finie. préhilbertien (complexe) s'il est de dimension infinie. Le concept de produit linéaire de vecteurs est né de la physique, sous la plume de Grassman et Gibbs.

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Enoncé Soit $a$ et $b$ des réels et $\varphi:\mathbb R^2\to \mathbb R$ définie par $$\varphi\big((x_1, x_2), (y_1, y_2)\big)=x_1y_1+4x_1y_2+bx_2y_1+ax_2y_2. $$ Donner une condition nécessaire et suffisante portant sur les réels $a$ et $b$ pour que $\varphi$ définisse un produit scalaire sur $\mathbb R^2$. Enoncé Soient $E$ un espace préhilbertien réel, $a\in E$ un vecteur unitaire et $k\in\mathbb R$. On définit $\phi:E\times E\to\mathbb R$ par $$\phi(x, y)=\langle x, y\rangle+k\langle x, a\rangle\langle y, a\rangle. $$ Déterminer une condition nécessaire et suffisante sur $k$ pour que $\phi$ soit un produit scalaire. Enoncé Soient $a, b, c, d\in\mathbb R$. Pour $u=(x, y)$ et $v=(x', y')$, on pose $$\phi(u, v)=axx'+bxy'+cx'y+dyy'. $$ Déterminer une condition nécessaire et suffisante portant sur $a, b, c, d$ pour que $\phi$ définisse un produit scalaire sur $\mathbb R^2$. Enoncé Soit $E=\mathcal C([0, 1])$ l'ensemble des fonctions continues de $[0, 1]$ dans $\mathbb R$, et soit $a=(a_n)$ une suite de $[0, 1]$.

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Présentation élémentaire dans le plan Dans le plan usuel, pour lequel on a la notion d'orthogonalité, on considère deux vecteurs $\vec u$ et $\vec v$. On choisit $\overrightarrow{AB}$ un représentant de $\vec u$, et $\overrightarrow{CD}$ un représentant de $\vec v$. Le produit scalaire de $\vec u$ et de $\vec v$, noté $\vec u\cdot \vec v$ est alors défini de la façon suivante: soit $H$ le projeté orthogonal de $C$ sur $(AB)$, et $K$ le projeté orthogonal de $D$ sur $(AB)$. On a $$\vec u\cdot \vec v=\overline{AB}\times\overline{HK}$$ c'est-à-dire $\vec u\cdot \vec v=AB\times HK$ si les vecteurs $\overrightarrow{AB}$ et $\overrightarrow{HK}$ ont même sens, $\vec u\cdot \vec v=-AB\times HK$ dans le cas contraire. Le produit scalaire de deux vecteurs est donc un nombre (on dit encore un scalaire, par opposition à un vecteur, ce qui explique le nom de produit scalaire). Il vérifie les propriétés suivantes: il est commutatif: $\vec u\cdot \vec v=\vec v\cdot \vec u$; il est distributif par rapport à l'addition de vecteurs: $\vec u\cdot (\vec v+\vec w)=\vec u\cdot \vec v+\vec u\cdot \vec w$; il vérifie, pour tout réel $\lambda$ et tout vecteur $\vec u$, $(\lambda \vec u)\cdot \vec v=\vec u\cdot (\lambda \vec v)=\lambda (\vec u\cdot \vec c)$.

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On pose, pour $f, g\in E$, $$\phi(f, g)=\sum_{n=0}^{+\infty}\frac1{2^n}f(a_n)g(a_n). $$ Donner une condition nécessaire et suffisante sur $a$ pour que $\phi$ définisse un produit scalaire sur $E$. Inégalité de Cauchy-Schwarz Enoncé Soit $x, y, z$ trois réels tels que $2x^2+y^2+5z^2\leq 1$. Démontrer que $(x+y+z)^2\leq\frac {17}{10}. $ Enoncé Soient $x_1, \dots, x_n\in\mathbb R$. Démontrer que $$\left(\sum_{k=1}^n x_k\right)^2\leq n\sum_{k=1}^n x_k^2$$ et étudier les cas d'égalité. On suppose en outre que $x_k>0$ pour chaque $k\in\{1, \dots, n\}$ et que $x_1+\dots+x_n=1$. $$\sum_{k=1}^n \frac 1{x_k}\geq n^2$$ Enoncé Étudier la nature de la série de terme général $u_n=\frac{1}{n^2(\sqrt 2)^n}\sum_{k=0}^n \sqrt{\binom nk}$. Enoncé Soit $E=\mathcal C([a, b], \mathbb R_+^*)$. Déterminer $\inf_{f\in E}\left(\int_a^b f\times \int_a^b \frac 1f\right)$. Cette borne inférieure est-elle atteinte? Norme Enoncé Soit $E$ un espace préhilbertien et soit $B=\{x\in E;\ \|x\|\leq 1\}$. Démontrer que $B$ est strictement convexe, c'est-à-dire que, pour tous $x, y\in B$, $x\neq y$ et tout $t\in]0, 1[$, $\|tx+(1-t)y\|<1$.

Montrer, en utilisant la question précédente, que si $x, y\in E$ et $r\in\mtq$, on a $(rx, y)=r(x, y)$. En utilisant un argument de continuité, montrer que c'est encore vrai pour $r\in\mtr$. Conclure! Enoncé Soient $(E, \langle. \rangle)$ un espace préhilbertien réel, $\|. \|$ la norme associée au produit scalaire, $u_1, \dots, u_n$ des éléments de $E$ et $C>0$. On suppose que: $$\forall (\veps_1, \dots, \veps_n)\in\{-1, 1\}^n, \ \left\|\sum_{i=1}^n \veps_iu_i\right\|\leq C. $$ Montrer que $\sum_{i=1}^n \|u_i\|^2\leq C^2. $ Géométrie Enoncé Le but de l'exercice est de démontrer que, dans un triangle $ABC$, les trois bissectrices intérieures sont concourantes et que le point d'intersection est le centre d'un cercle tangent aux trois côtés du triangle. Pour cela, on considère $E$ un espace vectoriel euclidien de dimension égale à $2$, $D$ et $D'$ deux droites distinctes de $E$, $u$ et $v$ des vecteurs directeurs unitaires de respectivement $D$ et $D'$. On pose $w_1=u+v$ et $w_2=u-v$, $D_1$ la droite dirigée par $w_1$ et $D_2$ la droite dirigée par $w_2$.

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