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mise à jour : 28/07/2026
La première marche

exercices de mathématiques - prépa et université

 
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Table des matières

Partie C
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Produit scalaire et géométrie

Chapitre 1
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Espaces préhilbertiens réels

Sujet C.1.5    Bases orthonormales

Choisir un exercice, puis le résoudre  :
Exercices   a     b     c     d  
Signaler une erreur Signaler une erreur Exercice a
Soit, dans un espace euclidien $E$ de dimension $n\geq1,$ une famille $\,(e_1,\dots,e_n)\,$ de vecteurs tels que :
$\displaystyle{}\ptt u\app E,\ u=\ps u{e_1}\sp{1.5}e_1+\cdots+\ps u{e_n}\sp{1.5}e_n$
Démontrer que $\,(e_1,\dots,e_n)\,$ est une base de $E\,;$ cette base est-elle orthonormale ?
  
cours 0/3 ▼
indication ▼
réponse ▼
correction ▼
famille orthogonale
Soit une famille $(u_i)_{i\app I}$ de vecteurs d'un espace préhilbertien réel.
  • $(u_i)_{i\app I}$ est orthogonale  ssi :  $\,\ptt i,j\app I,\ \big(i\neq j\Imp u_i\perp u_j\big)\sp{1.5};\,$
  • $(u_i)_{i\app I}$ est orthonormale  ssi elle est est orthogonale, avec :  $\,\ptt i\app I,\ \|u_i\|=1\sp{1.5}.\,$

Toute famille orthogonale de vecteurs non nuls est une famille libre.
coordonnées dans une base orthonormale
Soit $\,\sc B=(e_1,\dots,e_n)\,$ une base orthonormale d'un espace euclidien $E\sp{1.5}.$

Pour $u\app E$ et $v\app E,$ de coordonnées respectives $x_i$ et $y_i$ dans $\sc B\sp{1.5},$ on a :
  • $\,\ptt i\app\,[\![1,n]\!]\sp{1.5},\ \,x_i=\ps{e_i}u\,;\,$
  • $\,\ps uv=x_1\sp{1.5}y_1+\dots+x_n\sp{1.5}y_n\,;\,$
  • $\,\|u\|=\smh{.5}{\sqrt{\smh{.2}{x_1^2+\dots+x_n^2}}\,.}\,$
orthonormalisation de Gram-Schmidt
Soit, dans un espace préhilbertien réel $E,$ une famille libre $(u_1,\dots,u_p)\,.$

Alors il existe dans $E$ une famille orthonormale $\,(e_1,\dots,e_p)\,$ telle que :
$\displaystyle{}\ptt k\app\,[\sp{-2.5}[1,p]\sp{-2.5}],\ \op{Vect}(e_1,\dots,e_k)=\op{Vect}(u_1,\dots,u_k)$

$(e_1,\dots,e_p)$ se déduit de $(u_1,\dots,u_p)$ par l'algorithme de Gram-Schmidt :
$\displaystyle{}u_k\ot u_k-\smh{1.5}{\tst{\sum}_{i=1}^{k-1}}\ps{e_i}{u_k}\sp{1.5}e_i,\txt{puis :}e_k=\dfrac{u_k}{\|u_k\|}$
indication
Une fois établi que $\,(e_1,\dots,e_n)\,$ est une base de $E,$ fixer $\,k\app\,[\![1,n]\!]\,$ et considérer le supplémentaire orthogonal de l'hyperplan $H_k$ engendré par les $e_i$ distincts de $\,e_k\sp{1.5}.\,$
réponse
La famille $\,(e_1,\dots,e_n)\,$ est bien une base de $\,E\sp{1.5},\,$ et c'est une base orthonormale.
correction
La famille $\,(e_1,\dots,e_n)\,$ est une famille
Soient, dans un $\bb{K}\tiret$espace vectoriel $E\sp{1.5},$ $\,\sc U=(u_1,\dots,u_p)\app E^p\,$ et :
$\displaystyle{}\op{Vect}(\sc U)=\big\{\alpha_1\sp{1.5}u_1+\cdots+\alpha_p\sp{1.5} u_p\,\big|\,(\alpha_1,\dots,\alpha_p)\app \bb{K}^p\big\}$
$\,\op{Vect}(\sc U)\,$ est  un sous-espace vectoriel de $E\sp{1.5},$ engendré par les $\,u_i\sp{1.5}.\,$
génératrice
de $E$ car, pour tout $\,u\app E:\,$
$\displaystyle{}u=\ps u{e_1}\sp{1.5}e_1+\cdots+\ps u{e_n}\sp{1.5}e_n\,\app\,\op{Vect}(e_1,\dots,e_n)$
$\,(e_1,\dots,e_n)\,$ est donc une base de $E$ par raison de
Dans un espace vectoriel $E$ de dimension finie $n:$
  • une famille génératrice de $E$ a  au moins $\,n\,$ vecteurs ;
  • une famille génératrice de $E$ est une base de $E$  ssi  elle a exactement $\,n\,$ vecteurs.
dimension.

Pour un entier $\,k\app\,[\![1,n]\!]\,$ fixé, on considère
Soit $E$ un espace vectoriel de dimension finie $\,n\geq1\sp{1.5}.\,$

Les hyperplans de $E$  sont  les sous-espaces de $E$ de dimension $\,n-1\sp{1.5}.\,$
l'hyperplan
$H_k$ de $E$ engendré par la famille $\,(e_1,\dots,e_n)\,$ privée du vecteur $\,e_k\sp{1.5}.\,$

Le
Dans un espace préhilbertien réel $E:$
  • l'orthogonal $A^{\perp}$ de toute partie $A$ de $E$ est un sous-espace vectoriel de $E\,;$
  • si $F$ est un sous-espace de $E$ de dimension finie,  alors : $\,E=F\oplus F^{\perp}\,.\,$
supplémentaire
orthogonal $\,H_k^{\perp}\,$ de cet hyperplan est alors une droite telle que :
$\displaystyle{}\ptt u\app H_k^{\perp},\ u=\ps u{e_k}\sp{1.5}e_k,\txt{soit :}H_k^{\perp}\subset\op{Vect}(e_k)$
On en conclut, par raison de
Soient $F$ et $G$ deux sous-espaces d'un espace vectoriel $E\sp{1.5}.$

Si  on a $\,F\subset G\sp{1.5},\,$ et que $\,G\,$ est de dimension finie,  alors :
  • $\,F=\{0\}\!\Ssi\dim(F)=0\sp{1.5},\,$
  • $\,F=\ G\ \sp{1.5}\Ssi \dim(F)=\dim(G)\sp{1.5}.\,$
dimension,
que : $\,H_k^{\perp}=\op{Vect}(e_k)\sp{1.5},\,$ c'est-à-dire que chaque $e_k$ est orthogonal aux autres $e_i\sp{1.5}.$

Il s'ensuit que la base $\,(e_1,\dots,e_n)\,$ est une base
Soit une famille $(u_i)_{i\app I}$ de vecteurs d'un espace préhilbertien réel.
  • $(u_i)_{i\app I}$ est orthogonale  ssi :  $\,\ptt i,j\app I,\ \big(i\neq j\Imp u_i\perp u_j\big)\sp{1.5};\,$
  • $(u_i)_{i\app I}$ est orthonormale  ssi elle est est orthogonale, avec :  $\,\ptt i\app I,\ \|u_i\|=1\sp{1.5}.\,$

Toute famille orthogonale de vecteurs non nuls est une famille libre.
orthogonale.

Enfin, pour chaque $\,k\app\,[\![1,n]\!]\sp{1.5},\,$ l'hypothèse initiale s'écrit : $\,e_k=\ps {e_k}{e_k}\sp{1.5}e_k=\|e_k\|^2e_k,\,$ d'où : $\,\|e_k\|=1\sp{1.5}.\,$

Finalement, la famille $\,(e_1,\dots,e_n)\,$ est une base
Soit une famille $(u_i)_{i\app I}$ de vecteurs d'un espace préhilbertien réel.
  • $(u_i)_{i\app I}$ est orthogonale  ssi :  $\,\ptt i,j\app I,\ \big(i\neq j\Imp u_i\perp u_j\big)\sp{1.5};\,$
  • $(u_i)_{i\app I}$ est orthonormale  ssi elle est est orthogonale, avec :  $\,\ptt i\app I,\ \|u_i\|=1\sp{1.5}.\,$

Toute famille orthogonale de vecteurs non nuls est une famille libre.
orthonormale
de $E\sp{1.5}.$
Signaler une erreur Signaler une erreur Exercice b
Soit $\,\bb R_2[X]\,$ l'espace des polynômes à coefficients réels de degré au plus $\,2\sp{1.5},\,$ muni du produit scalaire :
$\displaystyle{}(P,Q)\mapsto\ps PQ=\int_{-1}^1P(x)\sp{1.5}Q(x)\d x$
Orthonormaliser la base canonique $\,(1,X,X^2)\,$ de $\,\bb R_2[X]\sp{1.5}.\,$
  
cours 0/3 ▼
indication ▼
réponse ▼
correction ▼
famille orthogonale
Soit une famille $(u_i)_{i\app I}$ de vecteurs d'un espace préhilbertien réel.
  • $(u_i)_{i\app I}$ est orthogonale  ssi :  $\,\ptt i,j\app I,\ \big(i\neq j\Imp u_i\perp u_j\big)\sp{1.5};\,$
  • $(u_i)_{i\app I}$ est orthonormale  ssi elle est est orthogonale, avec :  $\,\ptt i\app I,\ \|u_i\|=1\sp{1.5}.\,$

Toute famille orthogonale de vecteurs non nuls est une famille libre.
coordonnées dans une base orthonormale
Soit $\,\sc B=(e_1,\dots,e_n)\,$ une base orthonormale d'un espace euclidien $E\sp{1.5}.$

Pour $u\app E$ et $v\app E,$ de coordonnées respectives $x_i$ et $y_i$ dans $\sc B\sp{1.5},$ on a :
  • $\,\ptt i\app\,[\![1,n]\!]\sp{1.5},\ \,x_i=\ps{e_i}u\,;\,$
  • $\,\ps uv=x_1\sp{1.5}y_1+\dots+x_n\sp{1.5}y_n\,;\,$
  • $\,\|u\|=\smh{.5}{\sqrt{\smh{.2}{x_1^2+\dots+x_n^2}}\,.}\,$
orthonormalisation de Gram-Schmidt
Soit, dans un espace préhilbertien réel $E,$ une famille libre $(u_1,\dots,u_p)\,.$

Alors il existe dans $E$ une famille orthonormale $\,(e_1,\dots,e_p)\,$ telle que :
$\displaystyle{}\ptt k\app\,[\sp{-2.5}[1,p]\sp{-2.5}],\ \op{Vect}(e_1,\dots,e_k)=\op{Vect}(u_1,\dots,u_k)$

$(e_1,\dots,e_p)$ se déduit de $(u_1,\dots,u_p)$ par l'algorithme de Gram-Schmidt :
$\displaystyle{}u_k\ot u_k-\smh{1.5}{\tst{\sum}_{i=1}^{k-1}}\ps{e_i}{u_k}\sp{1.5}e_i,\txt{puis :}e_k=\dfrac{u_k}{\|u_k\|}$
indication
Appliquer le procédé d'orthonormalisation de Gram-Schmidt à la base canonique $\,(\sp{1.5}1,\sp{1.5}X,\sp{1.5}X^2)\sp{1.5}.\,$
réponse
On obtient pour base orthonormale de $\,\bb R_2[X]:\,$
$\displaystyle{}(P_0,P_1,P_2)=\Big(\sqrt{\dfrac12},\ \,\sqrt{\dfrac 32}\sp{1.5}X,\ \,\dfrac12\sqrt{\dfrac52}\sp{1.5}\big(3\,X^2-1\big)\Big)$
correction
On considère d'abord la base
L'espace vectoriel $\,\bb K_n[X]\,$  est  de dimension $\,n+1\sp{1.5},\,$ avec pour base canonique :
$\displaystyle{}\sc B_c=(1,X,\dots,X^n)$
canonique
de $\,\bb R_2[X]:\,$ $\,(E_0,E_1,E_2)=(1,X,X^2)\sp{1.5}.\,$

On va construire une base
Soit une famille $(u_i)_{i\app I}$ de vecteurs d'un espace préhilbertien réel.
  • $(u_i)_{i\app I}$ est orthogonale  ssi :  $\,\ptt i,j\app I,\ \big(i\neq j\Imp u_i\perp u_j\big)\sp{1.5};\,$
  • $(u_i)_{i\app I}$ est orthonormale  ssi elle est est orthogonale, avec :  $\,\ptt i\app I,\ \|u_i\|=1\sp{1.5}.\,$

Toute famille orthogonale de vecteurs non nuls est une famille libre.
orthonormale
$\,(P_0,P_1,P_2)\,$ de $\,\bb R_2[X]\,$ par l'algorithme d'orthonormalisation de
Soit, dans un espace préhilbertien réel $E,$ une famille libre $(u_1,\dots,u_p)\,.$

Alors il existe dans $E$ une famille orthonormale $\,(e_1,\dots,e_p)\,$ telle que :
$\displaystyle{}\ptt k\app\,[\sp{-2.5}[1,p]\sp{-2.5}],\ \op{Vect}(e_1,\dots,e_k)=\op{Vect}(u_1,\dots,u_k)$

$(e_1,\dots,e_p)$ se déduit de $(u_1,\dots,u_p)$ par l'algorithme de Gram-Schmidt :
$\displaystyle{}u_k\ot u_k-\smh{1.5}{\tst{\sum}_{i=1}^{k-1}}\ps{e_i}{u_k}\sp{1.5}e_i,\txt{puis :}e_k=\dfrac{u_k}{\|u_k\|}$
Gram-Schmidt.

Il faut pour cela évaluer les normes et produits scalaires en calculant des
Pour $a < b\sp{1.5},$ $\,\sc C([a,b],\bb R)\,$ est  un espace préhilbertien réel, muni du produit scalaire intégral :
$\displaystyle{}(f,g)\mapsto\ps fg=\dint_a^bf(x)\sp{1.5}g(x)\d x$
intégrales
par
Soit $F$ une primitive de $\,f\app\sc C(I,\bb K)\sp{1.5};\,$ alors, pour tous $\,a,b\app I:\,$
$\displaystyle{}\int_a^b\!f(x)\d x=\big[F(x)\big]_a^b=F(b)-F(a)$
primitivation :

  • $\,Q_0=E_0=1,\,$ se normalise en $P_0$ avec :
    $\displaystyle{} \|Q_0\|^2=\!\dint_{-1}^1\!\d x=2\\ \ \txt{d'où :}P_0=\dfrac{Q_0}{\|Q_0\|}=\dfrac1{\sqrt2}$
  • $\,Q_1=E_1-\ps{P_0}{E_1}\sp{1.5}P_0=X\,;\,$ en effet :
    $\displaystyle{}\ps{P_0}{E_1}=\frac1{\sqrt 2}\dint_{-1}^1x\d x=\frac1{\sqrt 2}\bigg[\dfrac{x^2}{2}\bigg]_{-1}^1\!\!=0$
    On normalise alors $Q_1$ en $P_1$ avec :
    $\eqalign{\|Q_1\|^2=&\dint_{-1}^1x^2\,\d x=\bigg[\dfrac{x^3}{3}\bigg]_{-1}^1\!\!=\frac 23\\ \txt{d'où :}P_1=&\smb{1.5}{\smh{1.5}{\dfrac{Q_1}{\|Q_1\|}=\sqrt{\dfrac 32}\sp{1.5}X}}}$

  • $\,Q_2=E_2-\ps{P_0}{E_2}\sp{1.5}P_0-\ps{P_1}{E_2}\sp{1.5}P_1=X^2-\smh0{\dfrac13}\,;\,$ en effet :
    $\eqalign{\ps{P_0}{E_2}&=\frac1{\sqrt 2}\dint_{-1}^1x^2\d x=\frac1{\sqrt 2}\bigg[\frac{x^3}3\bigg]_{-1}^1\!\!=\dfrac{\sqrt2}{3} \\ \ps{P_1}{E_2}&=\sqrt{\dfrac 32}\dint_{-1}^1x^3\d x=\bigg[\dfrac{x^4}{4}\bigg]_{-1}^1\!\!=0}$

    On normalise ensuite $Q_2$ en $P_2$ avec :
    $\eqalign{\|Q_2\|^2=&\dint_{-1}^1\Big(x^2-\frac13\Big)^{\!2}\d x=\\ =&\dint_{-1}^1\Big(x^4-\frac{2\sp{1.5}x^2}3+\frac19\Big)^{\!2}\d x\\[-.5ex] =&\bigg[\frac{x^5}{5}-\frac{2\sp{1.5}x^3}9+\frac{x}9\bigg]_{-1}^1\!\!=\dfrac 8{45}\\ \txt{d'où :}P_2=&\dfrac{Q_2}{\|Q_2\|}=\dfrac12\sqrt{\dfrac52}\sp{1.5}\big(3\,X^2-1\big)}$

On obtient finalement pour base orthonormale de $\bb R_2[X]:$
$\displaystyle{}(P_0,P_1,P_2)=\Big(\sqrt{\dfrac12},\ \,\sqrt{\dfrac 32}\sp{1.5}X,\ \,\dfrac12\sqrt{\dfrac52}\sp{1.5}\big(3\,X^2-1\big)\!\Big)$
Signaler une erreur Signaler une erreur Exercice c
On se place dans l'espace vectoriel $\,E=\sc C([-\pi,\pi],\bb R)\sp{1.5},\,$ muni du produit scalaire intégral :
$\displaystyle{}(f,g)\mapsto\ps fg=\int_{-\pi}^{\pi}f(x)\sp{1.5}g(x)\d x$
Pour $\,n\app\bb N^{\ast}\,$ et $\,c_k:x\mapsto \cos k\sp{1.5}x\sp{1.5},\,$ montrer que la famille $\,(c_0,\dots,c_n)\,$ est orthogonale.

Pour $\,\gamma_k:x\mapsto \cos^k\!x\sp{1.5},\,$ en déduire une base orthonormale du sous-espace $\,\op{Vect}(\gamma_0,\dots,\gamma_n)\sp{1.5}.\,$
  
cours 0/3 ▼
indications 0/2 ▼
réponse ▼
correction ▼
famille orthogonale
Soit une famille $(u_i)_{i\app I}$ de vecteurs d'un espace préhilbertien réel.
  • $(u_i)_{i\app I}$ est orthogonale  ssi :  $\,\ptt i,j\app I,\ \big(i\neq j\Imp u_i\perp u_j\big)\sp{1.5};\,$
  • $(u_i)_{i\app I}$ est orthonormale  ssi elle est est orthogonale, avec :  $\,\ptt i\app I,\ \|u_i\|=1\sp{1.5}.\,$

Toute famille orthogonale de vecteurs non nuls est une famille libre.
coordonnées dans une base orthonormale
Soit $\,\sc B=(e_1,\dots,e_n)\,$ une base orthonormale d'un espace euclidien $E\sp{1.5}.$

Pour $u\app E$ et $v\app E,$ de coordonnées respectives $x_i$ et $y_i$ dans $\sc B\sp{1.5},$ on a :
  • $\,\ptt i\app\,[\![1,n]\!]\sp{1.5},\ \,x_i=\ps{e_i}u\,;\,$
  • $\,\ps uv=x_1\sp{1.5}y_1+\dots+x_n\sp{1.5}y_n\,;\,$
  • $\,\|u\|=\smh{.5}{\sqrt{\smh{.2}{x_1^2+\dots+x_n^2}}\,.}\,$
orthonormalisation de Gram-Schmidt
Soit, dans un espace préhilbertien réel $E,$ une famille libre $(u_1,\dots,u_p)\,.$

Alors il existe dans $E$ une famille orthonormale $\,(e_1,\dots,e_p)\,$ telle que :
$\displaystyle{}\ptt k\app\,[\sp{-2.5}[1,p]\sp{-2.5}],\ \op{Vect}(e_1,\dots,e_k)=\op{Vect}(u_1,\dots,u_k)$

$(e_1,\dots,e_p)$ se déduit de $(u_1,\dots,u_p)$ par l'algorithme de Gram-Schmidt :
$\displaystyle{}u_k\ot u_k-\smh{1.5}{\tst{\sum}_{i=1}^{k-1}}\ps{e_i}{u_k}\sp{1.5}e_i,\txt{puis :}e_k=\dfrac{u_k}{\|u_k\|}$
indication  1
Montrer que $\,c_k\,c_{\ell}=\smh0{\dfrac12\big(c_{k+\ell}+c_{k-\ell}\big)}\,$ pour tout $\,(k,\ell)\app\bb N^2,\,$ et en déduire les $\,\ps{c_k}{c_{\ell}}\!\cdot\,$
indication  2
Normaliser la famille $\,(c_0,\dots,c_n)\sp{1.5},\,$ puis prouver par récurrence que :
$\displaystyle{}\op{Vect}(\gamma_0,\dots,\gamma_n)=\op{Vect}(c_0,\dots,c_n)$
réponse
On montre bien que $\,(c_0,\dots,c_n)\,$ est une famille orthogonale de l'espace préhilbertien $\,E\sp{1.5}.\,$

la famille $\,\Big(\dfrac{c_0}{\sqrt{2\sp{1.5}\pi}},\dfrac{c_1}{\sqrt{\pi}}\dots,\dfrac{c_n}{\sqrt{\pi}}\Big)\,$ est une base orthonormale du sous-espace $\,\op{Vect}(c_0,\dots,c_n)\sp{1.5},\,$ et on a aussi :
$\displaystyle{}\op{Vect}(\gamma_0,\dots,\gamma_n)=\op{Vect}(c_0,\dots,c_n)$
correction
Les
Pour $a,b\app\bb R\sp{1.5},$ en développant $\,\e{\sp{1.5}i\sp{1.5}(a+b)}\sp{1.5},\,$ on a les formules d'addition :
  • $\,\sth{.5}\cos(a+b)=\cos a\sp{1.5}\cos b-\sin a\sp{1.5}\sin b\,;\,$
  • $\,\sth{.5}\sin(a+b)=\sin a\sp{1.5}\cos b+\cos a\sp{1.5}\sin b\,;\,$
  • $\,\tan(a+b)=\dfrac{\tan a+\tan b}{1-\tan a\sp{1.5}\tan b\!}\,$ si $\,a,\sp{.75}b,\sp{.75}a+b\non\equiv\dfrac\pi2\sp{1.5}[\sp{.75}\pi\sp{.75}]\sp{1.5}.\,$

On en déduit les formules en $\,(a-b)\,$ par parité et imparité.
formules
d'addition nous donnent, pour $\,k\neq\ell,\,$ la linéarisation :
$\displaystyle{}\cos k\sp{1.5}x\,\cos\ell\sp{1.5}x=\frac12\Big(\cos\big((k+\ell)\sp{1.5}x\big)+\cos\big((k-\ell)\sp{1.5}x\big)\Big)$
On a donc : $\,c_k\,c_{\ell}=\smh0{\dfrac12\big(c_{k+\ell}+c_{k-\ell}\big)}\sp{1.5},\,$ et on calcule alors le
Pour $a < b\sp{1.5},$ $\,\sc C([a,b],\bb R)\,$ est  un espace préhilbertien réel, muni du produit scalaire intégral :
$\displaystyle{}(f,g)\mapsto\ps fg=\dint_a^bf(x)\sp{1.5}g(x)\d x$
produit scalaire
$\,\ps{c_k}{c_{\ell}}\,$ par
Soit $F$ une primitive de $\,f\app\sc C(I,\bb K)\sp{1.5};\,$ alors, pour tous $\,a,b\app I:\,$
$\displaystyle{}\int_a^b\!f(x)\d x=\big[F(x)\big]_a^b=F(b)-F(a)$
primitivation :
$\eqalign{\ps{c_k}{c_{\ell}}&=\frac12\int_{-\pi}^{\pi}\Big(\cos\big((k+\ell)\sp{1.5}x\big)+\cos\big((k-\ell)\sp{1.5}x\big)\Big)\d x\\[-.5ex] &=\frac12\bigg[\frac{\sin\big((k+\ell)\sp{1.5}x\big)}{k+\ell} +\frac{\sin\big((k-\ell)\sp{1.5}x\big)}{k-\ell}\bigg]_{-\pi}^{\pi}=0}$

Ceci nous prouve que la famille $(c_0,\dots,c_n)$ est
Soit une famille $(u_i)_{i\app I}$ de vecteurs d'un espace préhilbertien réel.
  • $(u_i)_{i\app I}$ est orthogonale  ssi :  $\,\ptt i,j\app I,\ \big(i\neq j\Imp u_i\perp u_j\big)\sp{1.5};\,$
  • $(u_i)_{i\app I}$ est orthonormale  ssi elle est est orthogonale, avec :  $\,\ptt i\app I,\ \|u_i\|=1\sp{1.5}.\,$

Toute famille orthogonale de vecteurs non nuls est une famille libre.
orthogonale ;
on a de plus :
$\eqalign{\|c_0\|^2&=\int_{-\pi}^{\pi}\d x=2\sp{1.5}\pi\\[-.5ex] \|c_k\|^2&=\frac12\int_{-\pi}^{\pi}\big(\cos2\sp{1.5}k\sp{1.5}x+1\big)\sp{-1.5}\d x=\pi\txt{pour} k\neq0}$
Avec $\,e_0=\dfrac{c_0}{\sqrt{2\sp{1.5}\pi}}\,$ et $\,e_k=\dfrac{c_k}{\sqrt{\pi}}\,$ pour $k\neq0,$ on obtient une famille $(e_0,\dots,e_n)$
Soit une famille $(u_i)_{i\app I}$ de vecteurs d'un espace préhilbertien réel.
  • $(u_i)_{i\app I}$ est orthogonale  ssi :  $\,\ptt i,j\app I,\ \big(i\neq j\Imp u_i\perp u_j\big)\sp{1.5};\,$
  • $(u_i)_{i\app I}$ est orthonormale  ssi elle est est orthogonale, avec :  $\,\ptt i\app I,\ \|u_i\|=1\sp{1.5}.\,$

Toute famille orthogonale de vecteurs non nuls est une famille libre.
orthonormale
et donc libre.

Cette famille est alors
Dans un espace vectoriel $E$ de dimension finie $n:$
  • une famille libre de $E$ a  au plus $\,n\,$ vecteurs ;
  • une famille libre de $E$ est une base de $E$  ssi  elle a exactement $\,n\,$ vecteurs.
une base
du  
Soient, dans un $\bb{K}\tiret$espace vectoriel $E\sp{1.5},$ $\,\sc U=(u_1,\dots,u_p)\app E^p\,$ et :
$\displaystyle{}\op{Vect}(\sc U)=\big\{\alpha_1\sp{1.5}u_1+\cdots+\alpha_p\sp{1.5} u_p\,\big|\,(\alpha_1,\dots,\alpha_p)\app \bb{K}^p\big\}$
$\,\op{Vect}(\sc U)\,$ est  un sous-espace vectoriel de $E\sp{1.5},$ engendré par les $\,u_i\sp{1.5}.\,$
sous-espace
vectoriel $\op{Vect}(c_0,\dots,c_n)$ $\,=F_n\sp{1.5},\,$ de dimension $\,n+1\sp{1.5}.\,$

Montrons par une
Soit $P(n)$ une propriété dépendant d'un entier $\,n\geq n_0\,$ telle que :
  • $P(n_0)$ soit vraie,
  • et  $\,\ptt n\geq n_0\sp{1.5},\ \big((P(n_0)\!\txt{et}\!\!\dots\!\!\txt{et}\!P(n))\!\Imp\! P(n+1)\big).\,$
Alors, la propriété $P(n)$ est vraie pour tout $\,n\geq n_0\,.\,$
récurrence forte
que, pour tout $n\app\bb N^{\ast}\sp{-1.5}:$  $\,\op{Vect}(\gamma_0,\dots,\gamma_n)=F_n\sp{1.5}.\,$
  • On a d'abord $\,c_0=\gamma_0:x\mapsto 1,\,$ et donc : $\,\op{Vect}(\gamma_0)=\op{Vect}(c_0)=F_0\sp{1.5}.\,$
  • On suppose ensuite que pour tout entier $\,k\,$ entre $0$ et $n:$  $\,\op{Vect}(\gamma_0,\dots,\gamma_k)=F_k\sp{1.5}.\,$

    Il s'agit alors d'en déduire que :  $\,\op{Vect}(\gamma_0,\dots,\gamma_{n+1})=\op{Vect}(c_0,\dots,c_{n+1})=F_{n+1}\sp{1.5}.\,$

D'après l'hypothèse de récurrence, il existe $\,(\lambda_0,\dots,\lambda_n)\app\bb R^{n+1}\,$ tel que : $\,\gamma_n=\lambda_0\sp{1.5}c_0+\cdots+\lambda_n\sp{1.5}c_n\sp{1.5},\,$ d'où :
$\displaystyle{}\gamma_{n+1}=\gamma_n\,\gamma_1=\smh{1.5}{{\sum_{k=0}^n\lambda_k\sp{1.5}c_k\,c_1=\sum_{k=0}^n\frac{\lambda_k}2\big(c_{k+1}+c_{k-1}\big)}}$
Avec $\,\lambda_n=0\sp{1.5},\,$on aurait $\,\gamma_n\app F_{n-1}\,$ et $\,F_n=\op{Vect}(\gamma_0,\dots,\gamma_n)\subset F_{n-1}\sp{1.5},\,$ ce qui est exclu du fait des
Soient $F$ et $G$ deux sous-espaces d'un espace vectoriel $E\sp{1.5},$ avec $\,F\subset G\sp{1.5}.\,$

Si $\,G\,$ est de dimension finie,  alors $\,F\,$ est de dimension finie, avec :
$\displaystyle{}\dim(F)\leq \dim(G)$
dimensions.

  • On a alors : $\,\gamma_{n+1}-\smh1{\dfrac{\lambda_n}2}\,c_{n+1}\,\app F_n\sp{1.5},\,$ d'où
    Un ensemble $F$ est inclus dans l'ensemble $E$  ssi tout élément de $F$ appartient à $E:$
    $\displaystyle{}F\subset E\Ssi \big(x\app F \Imp x\app E\sp{1.5}\big)$
    On dit alors que $F$ est une partie ou un sous-ensemble de $E\sp{1.5}.$

    On désigne par $\,\sc P(E)\,$ l'ensemble des parties de $E\sp{1.5}.$
    l'inclusion :
    $\,F_n\oplus\op{Vect}(\gamma_{n+1})\subset F_n\oplus\op{Vect}(c_{n+1})\sp{1.5},\,$
  • ainsi que :  $\,c_{n+1}-\smb{1.5}{\dfrac2{\lambda_n}}\,\gamma_{n+1}\app F_n\sp{1.5},\,$ d'où réciproquement : $\,F_n\oplus\op{Vect}(c_{n+1})\subset F_n\oplus\op{Vect}(\gamma_{n+1})\sp{1.5}.\,$

On termine donc la preuve par récurrence avec cette double inclusion, qui établit
Deux ensembles $E$ et $F$ sont égaux ssi ils ont les mêmes éléments :
$\displaystyle{}E= F\Ssi \big(\sp{1.5}x\app E \ \Ssi\ x\app F\sp{1.5}\big)$
En d'autres termes, il s'agit d'une double inclusion :
$\displaystyle{}E=F\Ssi\big(\sp{1.5}E\subset F\,\text{ et }\,F\subset E\sp{1.5}\big)$
l'égalité :
$\displaystyle{}\op{Vect}(\gamma_0,\dots,\gamma_{n+1})=\op{Vect}(c_0,\dots,c_{n+1})=F_{n+1}$

Une récurrence simple n'aurait pas suffi : l'hypothèse $\,\op{Vect}(\gamma_0,\dots,\gamma_{n-1})=F_{n-1}\,$ était nécessaire pour établir que $\,\lambda_n\neq0\sp{1.5}.\,$

Finalement, la famille $\,\Big(\dfrac{c_0}{\sqrt{2\sp{1.5}\pi}},\dfrac{c_1}{\sqrt{\pi}}\dots,\dfrac{c_n}{\sqrt{\pi}}\Big)\,$ est une base orthonormale du sous-espace $\,\op{Vect}(\gamma_0,\dots,\gamma_n)\sp{1.5}.\,$
Signaler une erreur Signaler une erreur Exercice d
Pour un segment $\,[a,b]\,$ et un entier $\,n\geq2\sp{1.5},\,$ on considère l'espace vectoriel $\,\bb R_n[X]\sp{1.5},\,$ muni du produit scalaire intégral :
$\displaystyle{}(P,Q)\mapsto\ps fg=\int_{a}^{b}P(x)\sp{1.5}Q(x)\d x$
Démontrer l'existence dans $\,\bb R_n[X]\,$ d'une base orthogonale $\,(P_0,\dots,P_n)\sp{1.5},\,$ formée de polynômes de coefficient dominant $\,1\,$ tels que : $\,\ptt k\leq n,\,\deg(P_k)=k\sp{1.5}.\,$

Pour tout $\,k\app\,[\![2,n]\!]\sp{1.5},\,$ exprimer le quotient $Q_k$ et le reste $R_k$ de la division euclidienne de $P_k$ par $P_{k-1}$ en fonction de $P_{k-1}$ et $P_{k-2}\,.$
  
cours 0/3 ▼
indications 0/2 ▼
réponse ▼
correction ▼
famille orthogonale
Soit une famille $(u_i)_{i\app I}$ de vecteurs d'un espace préhilbertien réel.
  • $(u_i)_{i\app I}$ est orthogonale  ssi :  $\,\ptt i,j\app I,\ \big(i\neq j\Imp u_i\perp u_j\big)\sp{1.5};\,$
  • $(u_i)_{i\app I}$ est orthonormale  ssi elle est est orthogonale, avec :  $\,\ptt i\app I,\ \|u_i\|=1\sp{1.5}.\,$

Toute famille orthogonale de vecteurs non nuls est une famille libre.
coordonnées dans une base orthonormale
Soit $\,\sc B=(e_1,\dots,e_n)\,$ une base orthonormale d'un espace euclidien $E\sp{1.5}.$

Pour $u\app E$ et $v\app E,$ de coordonnées respectives $x_i$ et $y_i$ dans $\sc B\sp{1.5},$ on a :
  • $\,\ptt i\app\,[\![1,n]\!]\sp{1.5},\ \,x_i=\ps{e_i}u\,;\,$
  • $\,\ps uv=x_1\sp{1.5}y_1+\dots+x_n\sp{1.5}y_n\,;\,$
  • $\,\|u\|=\smh{.5}{\sqrt{\smh{.2}{x_1^2+\dots+x_n^2}}\,.}\,$
orthonormalisation de Gram-Schmidt
Soit, dans un espace préhilbertien réel $E,$ une famille libre $(u_1,\dots,u_p)\,.$

Alors il existe dans $E$ une famille orthonormale $\,(e_1,\dots,e_p)\,$ telle que :
$\displaystyle{}\ptt k\app\,[\sp{-2.5}[1,p]\sp{-2.5}],\ \op{Vect}(e_1,\dots,e_k)=\op{Vect}(u_1,\dots,u_k)$

$(e_1,\dots,e_p)$ se déduit de $(u_1,\dots,u_p)$ par l'algorithme de Gram-Schmidt :
$\displaystyle{}u_k\ot u_k-\smh{1.5}{\tst{\sum}_{i=1}^{k-1}}\ps{e_i}{u_k}\sp{1.5}e_i,\txt{puis :}e_k=\dfrac{u_k}{\|u_k\|}$
indication  1
Une fois établie l'existence de $\,(P_0,\dots,P_n)\sp{1.5},\,$ montrer que $\,Q_k\,$ est de la forme $\,X+\alpha,\,$ pour un $\,\alpha\app\bb R\sp{1.5}.\,$
indication  2
Après avoir posé : $\,R_k=\beta_{k-2}\sp{1.5}P_{k-2}+\cdots+\beta_0\sp{1.5}P_0,\,$ déterminer $\,\alpha\,$ et les $\,\beta_{\ell}\,$ pour $\,0\leq \ell\leq k-2,\,$ en développant les produits scalaires $\,\ps{P_{k}}{P_{k-1}}\,$ et $\,\ps{P_{k}}{P_{\ell}}\!\cdot\,$
réponse
On obtient : $\,Q_k=X-\alpha\,$ et $\,R_k=\beta\sp{1.5}P_{k-2},\,$ soit : $\,\,P_k=(X-\alpha)\sp{1.5}P_{k-1}+\beta\sp{1.5}P_{k-2},\,\,$ avec :
$\displaystyle{}\alpha=-\dfrac{\ps{X\sp{1.5}P_{k-1}}{P_{k-1}}}{\|P_{k-1}\|^2}\ \txt{et}\ \beta=-\dfrac{\ps{X\sp{1.5}P_{k-1}}{P_{k-2}}}{\|P_{k-2}\|^2}$
correction
Le procédé de
Soit, dans un espace préhilbertien réel $E,$ une famille libre $(u_1,\dots,u_p)\,.$

Alors il existe dans $E$ une famille orthonormale $\,(e_1,\dots,e_p)\,$ telle que :
$\displaystyle{}\ptt k\app\,[\sp{-2.5}[1,p]\sp{-2.5}],\ \op{Vect}(e_1,\dots,e_k)=\op{Vect}(u_1,\dots,u_k)$

$(e_1,\dots,e_p)$ se déduit de $(u_1,\dots,u_p)$ par l'algorithme de Gram-Schmidt :
$\displaystyle{}u_k\ot u_k-\smh{1.5}{\tst{\sum}_{i=1}^{k-1}}\ps{e_i}{u_k}\sp{1.5}e_i,\txt{puis :}e_k=\dfrac{u_k}{\|u_k\|}$
Gram-Schmidt
appliqué à la base
L'espace vectoriel $\,\bb K_n[X]\,$  est  de dimension $\,n+1\sp{1.5},\,$ avec pour base canonique :
$\displaystyle{}\sc B_c=(1,X,\dots,X^n)$
canonique
de $\bb R_n[X]$ nous fournit une base
Soit une famille $(u_i)_{i\app I}$ de vecteurs d'un espace préhilbertien réel.
  • $(u_i)_{i\app I}$ est orthogonale  ssi :  $\,\ptt i,j\app I,\ \big(i\neq j\Imp u_i\perp u_j\big)\sp{1.5};\,$
  • $(u_i)_{i\app I}$ est orthonormale  ssi elle est est orthogonale, avec :  $\,\ptt i\app I,\ \|u_i\|=1\sp{1.5}.\,$

Toute famille orthogonale de vecteurs non nuls est une famille libre.
orthonormale
$(E_0,\dots,E_n)$ de $\bb R_n[X]$ à degrés
Des polynômes $\,P_0,\dots,P_n\,$ de $\,\bb K[X]\,$ tels que $\, \deg(P_k)=k\,$ sont dits échelonnés en degrés.

Dans ces conditions, $\,(P_0,\dots,P_n)\,$ est une base de $\bb K_n[X].$
échelonnés.

En divisant chaque $E_k$ par son coefficient dominant, on obtient une base orthogonale $(P_0,\dots,P_n)$ de $\bb R_n[X],$ formée de polynômes de coefficients dominants $1$ tels que : $\,\ptt k\leq n,\,\deg(P_k)=k\sp{1.5}.\,$

Pour tout entier $k$ fixé entre $2$ et $n,$ la
Pour $A,B\app\bb K[X]$ avec $B\neq0,$ il existe un et un seul $\,(Q,R)\app\bb K[X]^2\,$ tel que :
$\displaystyle{}A=B\sp{1.5}Q+R\txt{et}\deg(R) < \deg(B)$

$Q$ et $R$  sont le quotient et le reste de la division euclidienne de $A$ par $B\sp{1.5}.$
division
euclidienne de $P_k$ par $P_{k-1}$ s'écrit :
$\displaystyle{}P_k=P_{k-1}\sp{1.5}Q_k+R_k\sp{1.5},\txt{avec}\deg(R_k) < \deg(P_{k-1})=k-1$

D'après les degrés et coefficients dominants, il existe $\alpha\app\bb R$ et $(\beta_0,\dots,\beta_{k-2})\app\bb R^{k-1}$ tels que :
$\displaystyle{}Q_k=X+\alpha\ \txt{et}\ R_k=\beta_{k-2}\sp{1.5}P_{k-2}+\cdots+\beta_0\sp{1.5}P_0$

Pour tout $\,\ell\leq k-1,\,$ on développe $\ps{P_k}{P_{\ell}}$ par
Un espace préhilbertien réel  est  un $\bb R\tiret$espace vectoriel $E$ muni d'un produit scalaire.

Il s'agit d'une application $\,(u,v)\mapsto\ps uv,\,$ de $E\!\times\! E$ vers $\bb R,$ qui soit à la fois :
  • bilinéaire : pour tous $u,u',v, v'\app E$ et tous $\alpha,\beta\app\bb R\sp{1.5},$
    $\displaystyle{}\syst{\ps{\alpha\sp{1.5}u+\beta\sp{1.5}u'}v&=\alpha\sp{1.5}\ps uv+\beta\sp{1.5}\ps{u'}v\\[-.75ex] \ps u{\alpha\sp{1.5}v+\beta\sp{1.5}v'}&=\alpha\sp{1.5}\ps u v+\beta\sp{1.5}\ps u{v'}}$
  • symétrique :  $\,\ptt u,v\app E,\ \ps u v=\ps v u\sp{1.5};\,$
  • positive :  $\,\ptt u\app E,\ \ps uu\!\geq0\sp{1.5};\,$
  • définie :  $\,\ptt u\app E,\ \big(\ps uu=0\Imp u=0\sp{1.5}\big).\,$

Un espace euclidien  est  un espace préhilbertien réel de dimension finie.
bilinéarité
du produit scalaire :
$\eqalign{\ps{P_k}{P_{\ell}}&=\ps{(X+\alpha)\sp{1.5}P_{k-1}}{P_{\ell}}+\ps{R_k}{P_{\ell}}\\ &=\ps{X\sp{1.5}P_{k-1}}{P_{\ell}}+\alpha\sp{1.5}\ps{P_{k-1}}{P_{\ell}}+\ps{R_k}{P_{\ell}}=0}$

En développant $\,\ps{R_k}{P_{\ell}}=\beta_{k-2}\sp{1.5}\ps{P_{k-2}}{P_{\ell}}+\cdots+\beta_0\sp{1.5}\sp{1.5}\ps{P_0}{P_{\ell}}\sp{1.5},\,$ on obtient :

  • pour $\,\ell=k-1:\,$  $\,\ps{R_k}{P_{k-1}}=0\sp{1.5},\,$ d'où :  $\,\ps{X\sp{1.5}P_{k-1}}{P_{k-1}}+\alpha\sp{1.5}\|P_{k-1}\|^2\!=0\sp{1.5};\,$

  • pour $\,\ell\leq k-2\sp{1.5}:\,$  $\,\ps{P_{k-1}}{P_{\ell}}\sp{-1.5}=\sp{-1.5}0\,$ et $\,\ps{R_k}{P_{\ell}}\sp{-1.5}=\sp{-1.5}\beta_{\ell}\sp{1.5}\|P_{\ell}\|^2\sp{1.5},\,$ d'où : $\,\ps{X\sp{1.5}P_{k-1}}{P_{\ell}}+\beta_{\ell}\sp{1.5}\|P_{\ell}\|^2\!=\sp{-1.5}0\sp{1.5}.\,$

On en déduit : $\,\alpha=-\dfrac{\ps{X\sp{1.5}P_{k-1}}{P_{k-1}}}{\|P_{k-1}\|^2}\,$  et  $\,\beta_{\ell}=-\dfrac{\ps{X\sp{1.5}P_{k-1}}{P_{\ell}}}{\|P_{\ell}\|^2}\,$  pour tout $\,\ell\leq k-2\sp{1.5}.\,$

De plus, lorsque $\,\ell\leq k-3\sp{1.5},\,$ on a : $\,\,X\sp{1.5}P_{\ell}\,\app\,\bb R_{k-2}[X]\perp P_{k-1},\,\,$ si bien que $\,\beta_{\ell}=0\sp{1.5},\,$ car :
$\displaystyle{}\ps{X\sp{1.5}P_{k-1}}{P_{\ell}}=\int_{a}^{b}x\,P_{k-1}(x)\sp{1.5}P_{\ell}(x)\d x=\ps{P_{k-1}}{X\sp{1.5}P_{\ell}}=0$

En conclusion, on a établi que : $\,\,P_k=(X-\alpha)\sp{1.5}P_{k-1}+\beta\sp{1.5}P_{k-2},\,\,$ avec :
$\displaystyle{}\alpha=-\dfrac{\ps{X\sp{1.5}P_{k-1}}{P_{k-1}}}{\|P_{k-1}\|^2}\ \txt{et}\ \beta=\beta_{k-2}=-\dfrac{\ps{X\sp{1.5}P_{k-1}}{P_{k-2}}}{\|P_{k-2}\|^2}$

Cette relation de récurrence permet de calculer progressivement les $P_k$ à partir de $P_0$ et $P_1\sp{1.5}.$
L'expression intégrale du produit scalaire ne sert ici qu'à fixer les idées : on ne l'a pas utilisé dans la démonstration.

Les résultats établis ci-dessus sont donc valables pour n'importe quel produit scalaire sur $\bb R_n[X]\sp{1.5}.$