Exercices sur le produit scalaire
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Produit scalaire – Exercices Spécialité Mathématiques Activité 1
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Première générale - Produit scalaire - Exercices
Produit scalaire - Exercices. Exercice 1 corrigé disponible. Pour chacune des figures suivantes calculer : ? Calculer les produits scalaires ?.
Produit scalaire, espaces euclidiens
* très facile ** facile *** difficulté moyenne **** difficile ***** très difficile I : Incontournable T : pour travailler et mémoriser le coursExercice 1***PourA= (ai;j)16i;j6n2Mn(R),N(A) =Tr(tAA). Montrer queNest une norme vérifiant de plusN(AB)6
N(A)N(B)pour toutes matrices carréesAetB.Nest-elle associée à un produit scalaire ?c"est-à-dire :8(x;y)2E2;jjx+yjj2+jjxyjj2=2(jjxjj2+jjyjj2). On se propose de démontrer quejj jjest
associée à un produit scalaire. On définit surE2une applicationfpar :8(x;y)2E2;f(x;y) =14 (jjx+yjj2 jjxyjj2). 1. Montrer que pour tout (x;y;z)deE3, on a :f(x+z;y)+f(xz;y) =2f(x;y). 2. Montrer que pour tout (x;y)deE2, on a :f(2x;y) =2f(x;y). 3. Montrer que pour tout (x;y)deE2et tout rationnelr, on a :f(rx;y) =rf(x;y). On admettra que pour tout réellet tout(x;y)deE2on a :f(lx;y) =lf(x;y)( ce résultat provient de la continuité def). 4. Montrer que pour tout (u;v;w)deE3,f(u;w)+f(v;w) =f(u+v;w). 5.Montrer que fest bilinéaire.
6.Montrer que jj jjest une norme euclidienne.
Vect(V1;V2). Déterminer une base orthonormale deFet un système d"équations deF?.0P(t)Q(t)dt. Existe-t-ilAélément deR[X]tel que8P2R[X];PjA=P(0)?
G(x1;:::;xn) = (xijxj)16i;j6n(matrice de GRAM) etg(x1;:::;xn) =det(G(x1;:::;xn))(déterminant de GRAM).
1.Montrer que r g(G(x1;:::;xn)) =rg(x1;:::;xn).
12.Montrer que(x1;:::;xn)estliéesietseulementsig(x1;:::;xn)=0etque(x1;:::;xn)estlibresietseulement
sig(x1;:::;xn)>0. 3. On suppose que (x1;:::;xn)est libre dansE(et doncn6p). On poseF=Vect(x1;:::;xn). Pourx2E, on notepF(x)la projection orthogonale dexsurFpuisdF(x)la distance dexàF(c"est-à-dire d F(x) =jjxpF(x)jj). Montrer quedF(x) =qg(x;x1;:::;xn)g(x1;:::;xn).a^(a^x). Montrer quefest linéaire puis déterminer les vecteurs non nuls colinéaires à leur image parf.
deR3ainsi que de la symétrie orthogonale par rapport à cette même droite. De manière générale, matrice de la
projection orthogonale sur le vecteur unitaireu= (a;b;c)et de la projection orthogonale sur le plan d"équation
ax+by+cz=0 dans la base canonique orthonormée deR3.AdansBsuivants :
1)A=13
0 @2 1 2 2 2 1 12 21 A2=A=14
0 @3 1p6 1 3p6 p6 p6 2 1 A3=A=19
0 @8 1 4 4 4 7 1 841 A @a b c c a b b c a1 A aveca,betcréels. Montrer queMest la matrice dans la base canonique orthonorméedirecte deR3d"une rotation si et seulement sia,betcsont les solutions d"une équation du typex3x2+k=0
où 06k6427 . En posantk=4sin2j27 , déterminer explicitement les matricesMcorrespondantes ainsi que les axes et les angles des rotations qu"elles représentent. tous vecteursu,vetw. jjx1jj:::jjxnjjen précisant les cas d"égalité. Exercice 12**Montrer queu^vjw^s= (ujw)(vjs)(ujs)(vjw)et(u^v)^(w^s) = [u;v;s]w[u;v;w]s.0(x4axb)2dxsoit minimum (trouver deux démonstrations,
une dans la mentalité du lycée et une dans la mentalité maths sup). unique vecteurxtel que8i2 f1;:::;g;xjei=ai.obtusangle si et seulement si pour tout(i;j)tel quei6=j,xijxj<0. Montrer que l"on a nécessairement
p6n+1.1P2(t)dt=1. Montrer que supfjP(x)j;jxj61g62. Cas d"égalité ?
estq. Montrer que pour toutxdeR3,r(x) = (cosq)x+(sinq)(k^x)+2(x:k)sin2(q2 )k. Application : écrire la matrice dans la base canonique (orthonormée directe deR3) de la rotation autour dek=1p2 (e1+e2)et d"angle q=p30fn(t)dt. Montrer que la suite
u n=In+1I nest définie et croissante.1P(t)Q(t)dt.
1.Montrer que (E;j)est un espace euclidien.
2. Pour pentier naturel compris entre 0 etn, on poseLp= ((X21)p)(p). Montrer queLpjjLpjj06p6nest
l"orthonormalisée de SCHMIDTde la base canonique deE.DéterminerjjLpjj.
Correction del"exer cice1 NPosonsj:(A;B)7!Tr(tAB). Montrons quejest un produit scalaire surMn(R).1ère solution.•jest
symétrique. En effet, pour(A;B)2(Mn(R))2, j(A;B) =Tr(tAB) =Tr(t(tAB)) =Tr(tBA) =j(B;A):•jest bilinéaire par linéarité de la trace et de la transposition. • SiA= (ai;j)16i;j6n2Mn(R)nf0g, alors
j(A;A) =nå i=1 nå j=1a i;jai;j! i;ja2i;j>0 car au moins un des réels de cette somme est strictement positif.jest donc définie, positive.2ème solution.PosonsA= (ai;j)etB= (bi;j). On a
Tr(tAB) =ånj=1(åni=1ai;jbi;j) =å16i;j6nai;jbi;j.Ainsi,jest le produit scalaire canonique surMn(R)et en particulier,jest un produit scalaire surMn(R).
Nn"est autre que la norme associée au produit scalairej(et en particulier,Nest une norme). Soit(A;B)2
(Mn(R))2.N(AB)2=å
i;j nå k=1a i;kbk;j! 2 6 i;j nå k=1a2i;k! nå l=1b2l;j! (d"après l"inégalité de CAUCHY-SCHWARZ) i;j;k;la2i;kb2l;j= i;ka2i;k! l;jb2l;j! =N(A)2N(B)2; et donc,8(A;B)2(Mn(R))2;N(AB)6N(A)N(B).Correction del"exer cice2 N1.Soit (x;y;z)2R3.
f(x+z;y)+f(xz;y) =14 (jjx+z+yjj2+jjxz+yjj2jjx+zyjj2jjxzyjj2) 14 2.2 f(x;y) =f(x+x;y)+f(xx;y) =f(2x;y)+f(0;y)maisf(0;y) = (jjyjj2jjyjj2) =0 (définition
d"une norme). 3. • Montrons par récurrence que 8n2N;f(nx;y) =nf(x;y). C"est clair pourn=0 etn=1. Soitn>0. Si l"égalité est vraie pournetn+1 alors d"après 1), f((n+2)x;y)+f(nx;y) =f((n+1)x+x;y)+f((n+1)xx;y) =2f((n+1)x;y); et donc, par hypothèse de récurrence, f((n+2)x;y) =2f((n+1)x;y)f(nx;y) =2(n+1)f(x;y)nf(x;y) = (n+2)f(x;y): 4 Le résultat est démontré par récurrence. • Soitn2N,f(x;y) =fn1n :x;y=nf1n x;yet donc f1n x;y=1n f(x;y). • Soit alorsr=pq ,p2N,q2N,f(rx;y) =1q f(px;y) =p1q f(x;y) =rf(x;y)et donc, pour tout rationnel positifr,f(rx;y) =rf(x;y). Enfin, sir60,f(rx;y)+f(rx;y) =2f(0;y) =0 (d"après 1)) et donc=f(rx;y) =f(rx;y) =rf(x;y).8(x;y)2E2;8r2Q;f(rx;y) =rf(x;y).
4.On pose x=12
(u+v)ety=12 (uv). f(u;w)+f(v;w) =f(x+y;w)+f(xy;w) =2f(x;w) =2f12 (u+v);w =f(u+v;w): 5.f est symétrique (définition d"une norme) et linéaire par rapport à sa première v ariable(d"après 3) et 4)).
Donc f est bilinéaire.
6. f est une forme bilinéaire symétrique. Pour x2E,f(x;x) =14 (jjx+xjj2+jjxxjj2) =14 jj2xjj2=jjxjj2(définition d"une norme) ce qui montre tout à la fois quefest définie positive et donc un produit scalaire,
et quejj jjest la norme associée.jj jjest donc une norme euclidienne.Correction del"exer cice3 NLa famille(V1;V2)est clairement libre et donc une base deF. Son orthonormalisée(e1;e2)est une base
orthonormée deF.jjV1jj=p1+4+1+1=p7 ete1=1p7V1=1p7
(1;2;1;1).(V2je1)=1p7 (0+611)= 4p7 puisV2(V2je1)e1= (0;3;1;1)47 (1;2;1;1) =17 (4;13;11;11)puise2=1p427 (4;13;11;11).Une base orthonormée deFest(e1;e2)oùe1=1p7
(1;2;1;1)ete2=1p427 (4;13;11;11). Soit(x;y;z;t)2 R 4.3y+zt=0:Correction del"exer cice4 NSoitAun éventuel polynôme solution c"est à dire tel que8P2R[X];R1
0P(t)A(t)dt=P(0).
P=1 fournitR1
0A(t)dt=1 et donc nécessairementA6=0.P=XAfournitR1
0tA2(t)dt=P(0)=0. Mais alors,
8t2[0;1];tA2(t) =0 (fonction continue positive d"intégrale nulle) puisA=0 (polynôme ayant une infinité de
racines deux à deux distinctes).An"existe pas.Correction del"exer cice5 N1.Soit Bune base orthonormée deEetM=MatB(x1;:::;xn)(Mest une matrice de format(p;n)). Puisque
Best orthonormée, le produit scalaire usuel des colonnesCietCjest encorexijxj. Donc,8(i;j)2 [[1;n]]2;tCiCj=xijxjou encoreG=tMM.Il s"agit alors de montrer que rg(M) =rg(tMM). Ceci provient du fait queMettMMont même noyau.
En effet, pourX2Mn;1(R),
X2KerM)MX=0)tMMX=0)(tMM)X=0)X2Ker(tMM)
et 5 X2Ker(tMM))tMMX=0)tXtMMX=0)t(MX)MX=0) jjMXjj2=0)MX=0 )X2KerM:Ainsi, Ker(M)=Ker(tMM)=Ker(G(x1;:::;xn)). Maisalors, d"aprèslethéorèmedurang, rg(x1;:::;xn)=
rg(M) =rg(G(x1;:::;xn)).rg(G(x1;:::;xn)) =rg(x1;:::;xn).2.Si la f amille(x1;:::;xn)est liée, rg(G) =rg(x1;:::;xn)BBBB@jjxjj2
xjx1 xjx2... xjxn1quotesdbs_dbs20.pdfusesText_26
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