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MPSI · Mathématiques · Algèbre · Chapitre 24

Espaces préhilbertiens

Fiche de cours9 min de lecturePar Robin RinguetMise à jour : octobre 2026

Dans toute la fiche EE est un R\R-espace vectoriel : les scalaires sont réels, il n’est jamais question de produit scalaire hermitien. On note C(I,R)\mathcal{C}(I,\R) l’espace des fonctions continues de II dans R\R.

1Produit scalaire

Définition. Un produit scalaire sur EE est une application φ:E×E→R\varphi:E\times E\to\R bilinéaire (linéaire en chaque variable, l’autre étant fixée), symétrique (φ(x,y)=φ(y,x)\varphi(x,y)=\varphi(y,x)), positive (φ(x,x)⩾0\varphi(x,x)\geq0 pour tout xx) et définie (φ(x,x)=0⇒x=0\varphi(x,x)=0\Rightarrow x=0) : une forme bilinéaire symétrique définie positive.

Notation. On note ⟨x , y⟩\left\langle x\,,\,y\right\rangle, ou (x∣y)(x\mid y), ou x⋅yx\cdot y. Le couple (E,⟨⋅ , ⋅⟩)\bigl(E,\left\langle \cdot\,,\,\cdot\right\rangle\bigr) est un espace préhilbertien réel ; si de plus EE est de dimension finie, c’est un espace euclidien. La symétrie dispense de vérifier la linéarité par rapport à la seconde variable ; « positive » et « définie » restent deux conditions distinctes, et c’est la seconde que l’on oublie.

Propriété — les exemples du programme. Les applications suivantes sont des produits scalaires.

  • Produit scalaire canonique de Rn\R^{n} :  ⟨X , Y⟩=t ⁣XY=∑i=1nxiyi\ \left\langle X\,,\,Y\right\rangle={}^{t}\!XY=\sum_{i=1}^{n}x_{i}y_{i}. Produit scalaire canonique de Mn,p(R)\mathcal{M}_{n,p}(\R) :  ⟨A , B⟩=tr⁡(A t ⁣B)=∑i=1n∑j=1pai,jbi,j\ \left\langle A\,,\,B\right\rangle=\operatorname{tr}\bigl(A\,{}^{t}\!B\bigr)=\sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{p}a_{i,j}b_{i,j}.
  • Sur C([a ;b],R)\mathcal{C}\bigl(\intff{a}{b},\R\bigr) avec a<ba<b, et sur R[X]\R[X] ou Rn[X]\R_{n}[X] :  ⟨f , g⟩=∫abf(t)g(t) ⁣dt\ \left\langle f\,,\,g\right\rangle=\int_{a}^{b}f(t)g(t)\dd t, et plus généralement ∫abfg w\int_{a}^{b}fg\,w avec ww continue strictement positive sur [a ;b]\intff{a}{b}.

Idée de preuve (cas intégraux). Bilinéarité et positivité sont celles de l’intégrale ; le caractère défini vient du théorème « une fonction continue positive d’intégrale nulle est nulle » (chapitre 21), appliqué à h=f2h=f^{2}. C’est là, et là seulement, qu’intervient la continuité : sur les fonctions continues par morceaux, ⟨⋅ , ⋅⟩\left\langle \cdot\,,\,\cdot\right\rangle reste positive mais n’est plus définie.

Attention

Sur R[X]\R[X], le caractère défini vient de ce qu’un polynôme nul sur un segment non réduit à un point a une infinité de racines. Avec une somme d’évaluations ⟨P , Q⟩=∑k=0nP(ak)Q(ak)\left\langle P\,,\,Q\right\rangle=\sum_{k=0}^{n}P(a_{k})Q(a_{k}), il faut n+1n+1 points distincts et se restreindre à Rn[X]\R_{n}[X] : sur R[X]\R[X] entier, ∏k(X−ak)\prod_{k}(X-a_{k}) est non nul de « norme » nulle.

Méthode — montrer que φ\varphi est un produit scalaire. bilinéarité ; symétrie ; φ(x,x)⩾0\varphi(x,x)\geq0 en l’écrivant comme une somme de carrés ou une intégrale de carré ; puis φ(x,x)=0⇒x=0\varphi(x,x)=0\Rightarrow x=0, une somme de carrés nulle ayant tous ses termes nuls.

2Norme associée, inégalités de Cauchy-Schwarz et triangulaire

Définition. La norme associée au produit scalaire est  ∥x∥=⟨x , x⟩\ \norme{x}=\sqrt{\left\langle x\,,\,x\right\rangle}, et la distance de xx à yy est  d ⁣(x,y)=∥x−y∥\ d\!\left(x,y\right)=\norme{x-y} ; un vecteur de norme 11 est dit unitaire. On a ∥λx∥=∣λ∣∥x∥\norme{\lambda x}=\abs{\lambda}\norme{x} pour λ∈R\lambda\in\R, et ∥x∥=0  ⟺  x=0\norme{x}=0\iff x=0.

Propriété — identité remarquable et polarisation. Pour tous x,y∈Ex,y\in E :

∥x+y∥2=∥x∥2+∥y∥2+2⟨x , y⟩,∥x−y∥2=∥x∥2+∥y∥2−2⟨x , y⟩,\norme{x+y}^{2}=\norme{x}^{2}+\norme{y}^{2}+2\left\langle x\,,\,y\right\rangle,\qquad \norme{x-y}^{2}=\norme{x}^{2}+\norme{y}^{2}-2\left\langle x\,,\,y\right\rangle,

d’où la formule de polarisation, qui reconstitue le produit scalaire à partir de la seule norme :

⟨x , y⟩=12(∥x+y∥2−∥x∥2−∥y∥2)=14(∥x+y∥2−∥x−y∥2).\boxed{\left\langle x\,,\,y\right\rangle=\tfrac{1}{2}\Bigl(\norme{x+y}^{2}-\norme{x}^{2}-\norme{y}^{2}\Bigr)=\tfrac{1}{4}\Bigl(\norme{x+y}^{2}-\norme{x-y}^{2}\Bigr).}

En ajoutant les deux premières égalités :  ∥x+y∥2+∥x−y∥2=2(∥x∥2+∥y∥2)\ \norme{x+y}^{2}+\norme{x-y}^{2}=2\bigl(\norme{x}^{2}+\norme{y}^{2}\bigr).

Théorème — inégalité de Cauchy-Schwarz. Pour tous x,y∈Ex,y\in E :

∣⟨x , y⟩∣⩽∥x∥ ∥y∥,\boxed{\abs{\left\langle x\,,\,y\right\rangle}\leq\norme{x}\,\norme{y},}

avec égalité si et seulement si xx et yy sont colinéaires.

Démonstration (exigible) — l’idée : un trinôme positif. Si y=0y=0, tout est nul. Sinon Φ(t)=∥x+ty∥2=∥y∥2t2+2⟨x , y⟩t+∥x∥2\Phi(t)=\norme{x+ty}^{2}=\norme{y}^{2}t^{2}+2\left\langle x\,,\,y\right\rangle t+\norme{x}^{2} est un trinôme du second degré (∥y∥2≠0\norme{y}^{2}\neq0) positif sur R\R : son discriminant 4⟨x , y⟩2−4∥x∥2∥y∥24\left\langle x\,,\,y\right\rangle^{2}-4\norme{x}^{2}\norme{y}^{2} est ⩽0\leq0, d’où l’inégalité. Égalité   ⟺  Δ=0  ⟺  Φ\iff\Delta=0\iff\Phi a une racine t0t_{0}, et alors ∥x+t0y∥=0\norme{x+t_{0}y}=0 donne x=−t0yx=-t_{0}y ; réciproquement si x=λyx=\lambda y, les deux membres valent ∣λ∣∥y∥2\abs{\lambda}\norme{y}^{2}.

Exempleles deux cas du programme

Sommes finies : (∑k=1nakbk)2⩽(∑k=1nak2)(∑k=1nbk2)\bigl(\sum_{k=1}^{n}a_{k}b_{k}\bigr)^{2}\leq\bigl(\sum_{k=1}^{n}a_{k}^{2}\bigr)\bigl(\sum_{k=1}^{n}b_{k}^{2}\bigr), avec égalité si et seulement si (ak)(a_{k}) et (bk)(b_{k}) sont proportionnelles. Intégrales : pour f,gf,g continues sur [a ;b]\intff{a}{b}, (∫abfg)2⩽(∫abf2)(∫abg2)\bigl(\int_{a}^{b}fg\bigr)^{2}\leq\bigl(\int_{a}^{b}f^{2}\bigr)\bigl(\int_{a}^{b}g^{2}\bigr), avec égalité si et seulement si ff et gg sont proportionnelles.

Théorème — inégalité triangulaire.  ∥x+y∥⩽∥x∥+∥y∥,\ \boxed{\norme{x+y}\leq\norme{x}+\norme{y},} avec égalité si et seulement si xx et yy sont positivement colinéaires (l’un est nul, ou y=λxy=\lambda x avec λ>0\lambda>0). On en déduit ∣∥x∥−∥y∥∣⩽∥x−y∥\bigl|\norme{x}-\norme{y}\bigr|\leq\norme{x-y}.

Démonstration (exigible). ∥x+y∥2=∥x∥2+2⟨x , y⟩+∥y∥2⩽∥x∥2+2∥x∥∥y∥+∥y∥2=(∥x∥+∥y∥)2\norme{x+y}^{2}=\norme{x}^{2}+2\left\langle x\,,\,y\right\rangle+\norme{y}^{2}\leq\norme{x}^{2}+2\norme{x}\norme{y}+\norme{y}^{2}=\bigl(\norme{x}+\norme{y}\bigr)^{2} par Cauchy-Schwarz, puis croissance de la racine carrée. Égalité   ⟺  ⟨x , y⟩=∥x∥∥y∥\iff\left\langle x\,,\,y\right\rangle=\norme{x}\norme{y}, soit x,yx,y colinéaires et ⟨x , y⟩⩾0\left\langle x\,,\,y\right\rangle\geq0 : colinéarité de même sens.

3Orthogonalité, familles orthonormées, Gram-Schmidt

Définition. Deux vecteurs x,yx,y sont orthogonaux, noté x⊥yx\perp y, si ⟨x , y⟩=0\left\langle x\,,\,y\right\rangle=0. Une famille (x1,…,xp)(x_{1},\dots,x_{p}) est orthogonale si ⟨xi , xj⟩=0\left\langle x_{i}\,,\,x_{j}\right\rangle=0 pour i≠ji\neq j ; elle est orthonormée (ou orthonormale) si de plus ∥xi∥=1\norme{x_{i}}=1 pour tout ii, c’est-à-dire si ⟨xi , xj⟩=δi,j\left\langle x_{i}\,,\,x_{j}\right\rangle=\delta_{i,j}.

Théorème — théorème de Pythagore.  x⊥y  ⟺  ∥x+y∥2=∥x∥2+∥y∥2\ x\perp y\iff\norme{x+y}^{2}=\norme{x}^{2}+\norme{y}^{2}. Plus généralement, si (x1,…,xp)(x_{1},\dots,x_{p}) est orthogonale,

∥∑i=1pxi∥2=∑i=1p∥xi∥2.\norme{\textstyle\sum_{i=1}^{p}x_{i}}^{2}=\sum_{i=1}^{p}\norme{x_{i}}^{2}.

Idée de preuve (exigible). C’est l’identité remarquable, lue dans les deux sens ; pour pp vecteurs, développer ∥∑ixi∥2=∑i,j⟨xi , xj⟩\norme{\sum_{i}x_{i}}^{2}=\sum_{i,j}\left\langle x_{i}\,,\,x_{j}\right\rangle, où seuls survivent les termes i=ji=j.

Théorème — liberté. Toute famille orthogonale de vecteurs non nuls est libre. En particulier toute famille orthonormée est libre.

Démonstration (exigible) — l’idée : tester contre chaque vecteur. Si ∑iλixi=0\sum_{i}\lambda_{i}x_{i}=0, le produit scalaire avec xjx_{j} donne λj∥xj∥2=0\lambda_{j}\norme{x_{j}}^{2}=0, et xj≠0x_{j}\neq0 force λj=0\lambda_{j}=0.

Attention

L’hypothèse « vecteurs non nuls » est indispensable : la famille (0,x)(0,x) est orthogonale et liée. Et x⊥yx\perp y n’entraîne pas que (x,y)(x,y) soit libre.

Définition — orthogonal d’une partie. Pour X⊂EX\subset E non vide,  X⊥={y∈E, ∀x∈X, ⟨x , y⟩=0}\ X^{\perp}=\ens{y\in E,\ \forall x\in X,\ \left\langle x\,,\,y\right\rangle=0}.

Propriété. X⊥X^{\perp} est un sous-espace vectoriel de EE : c’est l’intersection des noyaux des formes linéaires y↦⟨x , y⟩y\mapsto\left\langle x\,,\,y\right\rangle, x∈Xx\in X. De plus X⊥=(Vect⁡X)⊥X^{\perp}=\bigl(\operatorname{Vect} X\bigr)^{\perp}, X⊂Y⇒Y⊥⊂X⊥X\subset Y\Rightarrow Y^{\perp}\subset X^{\perp}, E⊥={0}E^{\perp}=\ens{0}, {0}⊥=E\ens{0}^{\perp}=E ; et pour un sous-espace FF : F∩F⊥={0}F\cap F^{\perp}=\ens{0}, F⊂(F⊥)⊥F\subset\bigl(F^{\perp}\bigr)^{\perp}.

Attention

F⊥F^{\perp} n’est pas le complémentaire de FF : c’est un sous-espace, donc il contient 00. Et Vect⁡(u1,…,up)⊥\operatorname{Vect}(u_{1},\dots,u_{p})^{\perp} se calcule en résolvant le système ⟨u1 , y⟩=⋯=⟨up , y⟩=0\left\langle u_{1}\,,\,y\right\rangle=\dots=\left\langle u_{p}\,,\,y\right\rangle=0 : il suffit de tester les générateurs.

Théorème — algorithme d’orthonormalisation de Gram-Schmidt. Soit (v1,…,vp)(v_{1},\dots,v_{p}) une famille libre de EE. Il existe une unique famille orthonormée (e1,…,ep)(e_{1},\dots,e_{p}) telle que Vect⁡(e1,…,ek)=Vect⁡(v1,…,vk)\operatorname{Vect}(e_{1},\dots,e_{k})=\operatorname{Vect}(v_{1},\dots,v_{k}) et ⟨vk , ek⟩>0\left\langle v_{k}\,,\,e_{k}\right\rangle>0 pour tout k∈⟦1 ;p⟧k\in\intent{1}{p}. Elle est donnée par w1=v1w_{1}=v_{1}, puis pour k⩾2k\geq2

wk=vk−∑i=1k−1⟨vk , ei⟩ ei,ek=wk∥wk∥.\boxed{w_{k}=v_{k}-\sum_{i=1}^{k-1}\left\langle v_{k}\,,\,e_{i}\right\rangle\,e_{i},\qquad e_{k}=\frac{w_{k}}{\norme{w_{k}}}.}

Idée de preuve (exigible). Récurrence : wk≠0w_{k}\neq0 sinon vk∈Vect⁡(v1,…,vk−1)v_{k}\in\operatorname{Vect}(v_{1},\dots,v_{k-1}) contredirait la liberté ; et ⟨wk , ej⟩=⟨vk , ej⟩−⟨vk , ej⟩=0\left\langle w_{k}\,,\,e_{j}\right\rangle=\left\langle v_{k}\,,\,e_{j}\right\rangle-\left\langle v_{k}\,,\,e_{j}\right\rangle=0 pour j<kj<k, d’où l’orthonormalité ; enfin ⟨vk , ek⟩=∥wk∥>0\left\langle v_{k}\,,\,e_{k}\right\rangle=\norme{w_{k}}>0.

La figure : on retranche à v2v_{2} sa composante sur e1e_{1} ; le reste w2w_{2} est orthogonal à e1e_{1}, et e2=w2/∥w2∥e_{2}=w_{2}/\norme{w_{2}}. En pratique on utilise la variante non normalisée

wk=vk−∑i=1k−1⟨vk , wi⟩∥wi∥2 wiw_{k}=v_{k}-\sum_{i=1}^{k-1}\frac{\left\langle v_{k}\,,\,w_{i}\right\rangle}{\norme{w_{i}}^{2}}\,w_{i}

et l’on ne normalise qu’à la fin : les calculs restent rationnels.

4Bases orthonormées d’un espace euclidien

Théorème — existence. Tout espace euclidien EE de dimension n⩾1n\geq1 admet une base orthonormée : il suffit d’appliquer Gram-Schmidt à une base quelconque de EE.

Théorème — base orthonormée incomplète. Soit EE euclidien de dimension nn. Toute famille orthonormée (e1,…,ep)(e_{1},\dots,e_{p}) de EE se complète en une base orthonormée (e1,…,en)(e_{1},\dots,e_{n}) de EE. Idée de preuve. Elle est libre, donc se complète en une base (chapitre 17), et Gram-Schmidt laisse inchangés les pp premiers vecteurs, déjà orthonormés.

Théorème — calculs dans une base orthonormée. Soit B=(e1,…,en)\mathcal{B}=(e_{1},\dots,e_{n}) une base orthonormée de EE. Pour tous x,y∈Ex,y\in E :

x=∑i=1n⟨x , ei⟩ ei,⟨x , y⟩=∑i=1n⟨x , ei⟩⟨y , ei⟩=t ⁣XY,∥x∥2=∑i=1n⟨x , ei⟩2,\boxed{x=\sum_{i=1}^{n}\left\langle x\,,\,e_{i}\right\rangle\,e_{i},\qquad \left\langle x\,,\,y\right\rangle=\sum_{i=1}^{n}\left\langle x\,,\,e_{i}\right\rangle\left\langle y\,,\,e_{i}\right\rangle={}^{t}\!XY,\qquad \norme{x}^{2}=\sum_{i=1}^{n}\left\langle x\,,\,e_{i}\right\rangle^{2},}

où XX, YY sont les colonnes de coordonnées dans B\mathcal{B} : dans une base orthonormée, tout produit scalaire se lit comme le produit scalaire canonique sur les coordonnées. Idée de preuve. Si x=∑ixieix=\sum_{i}x_{i}e_{i}, le produit scalaire avec eje_{j} donne xj=⟨x , ej⟩x_{j}=\left\langle x\,,\,e_{j}\right\rangle ; puis développer par bilinéarité avec ⟨ei , ej⟩=δi,j\left\langle e_{i}\,,\,e_{j}\right\rangle=\delta_{i,j}.

Attention

Si la base est seulement orthogonale (non normée), la formule devient x=∑i⟨x , ei⟩∥ei∥2eix=\sum_{i}\frac{\left\langle x\,,\,e_{i}\right\rangle}{\norme{e_{i}}^{2}}e_{i} : oublier les ∥ei∥2\norme{e_{i}}^{2} est l’erreur de calcul la plus fréquente du chapitre.

5Supplémentaire orthogonal, projection orthogonale, distance

Théorème — supplémentaire orthogonal. Soient EE préhilbertien et FF un sous-espace de EE de dimension finie. Alors E=F⊕F⊥,\boxed{E=F\oplus F^{\perp},} et F⊥F^{\perp} s’appelle le supplémentaire orthogonal de FF dans EE.

Démonstration (exigible) — l’idée : poser le candidat et vérifier. F∩F⊥={0}F\cap F^{\perp}=\ens{0}, car x∈F∩F⊥x\in F\cap F^{\perp} donne ⟨x , x⟩=0\left\langle x\,,\,x\right\rangle=0. Soit (e1,…,ep)(e_{1},\dots,e_{p}) une base orthonormée de FF (qui existe, FF étant euclidien) ; pour x∈Ex\in E, posons y=∑i=1p⟨x , ei⟩ei∈Fy=\sum_{i=1}^{p}\left\langle x\,,\,e_{i}\right\rangle e_{i}\in F et z=x−yz=x-y : alors ⟨z , ej⟩=0\left\langle z\,,\,e_{j}\right\rangle=0 pour tout jj, donc z⊥Fz\perp F et x=y+zx=y+z.

Attention

L’hypothèse « FF de dimension finie » est essentielle. Sur E=R[X]E=\R[X] muni de ⟨P , Q⟩=∑kakbk\left\langle P\,,\,Q\right\rangle=\sum_{k}a_{k}b_{k} (somme finie des produits de coefficients), posons F={P, P(1)=0}F=\ens{P,\ P(1)=0}. Comme Xk−1∈FX^{k}-1\in F, tout A∈F⊥A\in F^{\perp} vérifie αk=α0\alpha_{k}=\alpha_{0} pour tout kk, donc A=0A=0 : F⊥={0}F^{\perp}=\ens{0} bien que F≠EF\neq E, et E=F⊕F⊥E=F\oplus F^{\perp} est faux.

Définition. La projection orthogonale sur FF, notée pFp_{F}, est la projection sur FF parallèlement à F⊥F^{\perp} : pF(x)p_{F}(x) est l’unique vecteur de FF tel que x−pF(x)∈F⊥x-p_{F}(x)\in F^{\perp}. C’est un projecteur (pF2=pFp_{F}^{2}=p_{F}), d’image FF et de noyau F⊥F^{\perp}.

Théorème — expression dans une base orthonormée de FF. Si (e1,…,ep)(e_{1},\dots,e_{p}) est une base orthonormée de FF, alors

∀x∈E,pF(x)=∑i=1p⟨x , ei⟩ ei.\boxed{\forall x\in E,\qquad p_{F}(x)=\sum_{i=1}^{p}\left\langle x\,,\,e_{i}\right\rangle\,e_{i}.}

C’est le vecteur yy construit ci-dessus. Si la base de FF est seulement orthogonale, pF(x)=∑i⟨x , ei⟩∥ei∥2eip_{F}(x)=\sum_{i}\frac{\left\langle x\,,\,e_{i}\right\rangle}{\norme{e_{i}}^{2}}e_{i}.

Théorème — dimension de l’orthogonal. Si EE est euclidien de dimension nn et FF un sous-espace de EE :  dim⁡F⊥=n−dim⁡F, \ \boxed{\dim F^{\perp}=n-\dim F,}\ et  (F⊥)⊥=F\ \bigl(F^{\perp}\bigr)^{\perp}=F.

Définition — distance à un sous-espace. Pour x∈Ex\in E et FF de dimension finie,  d ⁣(x,F)=inf⁡y∈F∥x−y∥\ d\!\left(x,F\right)=\inf\limits_{y\in F}\norme{x-y}.

Théorème — caractérisation du projeté par la distance. Soient FF de dimension finie et x∈Ex\in E. Alors

d ⁣(x,F)=∥x−pF(x)∥,\boxed{d\!\left(x,F\right)=\norme{x-p_{F}(x)},}

et pF(x)p_{F}(x) est l’unique vecteur de FF réalisant cette borne inférieure : pour tout y∈Fy\in F distinct de pF(x)p_{F}(x), ∥x−y∥>d ⁣(x,F)\norme{x-y}>d\!\left(x,F\right).

Démonstration (exigible) — l’idée : Pythagore sur x−y=(x−pF(x))+(pF(x)−y)x-y=\bigl(x-p_{F}(x)\bigr)+\bigl(p_{F}(x)-y\bigr). Pour y∈Fy\in F, le premier terme est dans F⊥F^{\perp}, le second dans FF : ils sont orthogonaux, donc ∥x−y∥2=∥x−pF(x)∥2+∥pF(x)−y∥2⩾∥x−pF(x)∥2\norme{x-y}^{2}=\norme{x-p_{F}(x)}^{2}+\norme{p_{F}(x)-y}^{2}\geq\norme{x-p_{F}(x)}^{2}, avec égalité si et seulement si y=pF(x)y=p_{F}(x).

Théorème — hyperplan et vecteur normal. Soit u∈Eu\in E non nul. Alors H=Vect⁡(u)⊥={u}⊥H=\operatorname{Vect}(u)^{\perp}=\ens{u}^{\perp} est le noyau de la forme linéaire non nulle y↦⟨u , y⟩y\mapsto\left\langle u\,,\,y\right\rangle : c’est un hyperplan de EE, de vecteur normal uu. En dimension finie, tout hyperplan est de cette forme, son vecteur normal étant unique à un scalaire non nul près. Pour tout x∈Ex\in E :

pH(x)=x−⟨x , u⟩∥u∥2 u,d ⁣(x,H)=∣⟨x , u⟩∣∥u∥.\boxed{p_{H}(x)=x-\frac{\left\langle x\,,\,u\right\rangle}{\norme{u}^{2}}\,u,\qquad d\!\left(x,H\right)=\frac{\abs{\left\langle x\,,\,u\right\rangle}}{\norme{u}}.}

Idée de preuve. (u/∥u∥)\bigl(u/\norme{u}\bigr) est une base orthonormée de Vect⁡(u)\operatorname{Vect}(u), donc pVect⁡(u)(x)=⟨x , u⟩∥u∥2up_{\operatorname{Vect}(u)}(x)=\frac{\left\langle x\,,\,u\right\rangle}{\norme{u}^{2}}u ; puis pH=id⁡E−pVect⁡(u)p_{H}=\operatorname{id}_{E}-p_{\operatorname{Vect}(u)} et d ⁣(x,H)=∥pVect⁡(u)(x)∥d\!\left(x,H\right)=\norme{p_{\operatorname{Vect}(u)}(x)}.

Propriété. En appliquant Pythagore à x=pF(x)+(x−pF(x))x=p_{F}(x)+\bigl(x-p_{F}(x)\bigr) :

∥x∥2=∥pF(x)∥2+d ⁣(x,F)2,\norme{x}^{2}=\norme{p_{F}(x)}^{2}+d\!\left(x,F\right)^{2},

donc ∥pF(x)∥⩽∥x∥\norme{p_{F}(x)}\leq\norme{x} et d ⁣(x,F)⩽∥x∥d\!\left(x,F\right)\leq\norme{x} : pF(x)p_{F}(x) est le pied de la perpendiculaire abaissée de xx sur FF.

Savoir-faire
  • Vérifier qu’une application est un produit scalaire (bilinéarité, symétrie, positivité, caractère défini), repérer l’axiome en défaut dans un contre-exemple ; majorer une somme ou une intégrale par Cauchy-Schwarz et discuter le cas d’égalité en revenant à la colinéarité.
  • Orthonormaliser une famille libre par Gram-Schmidt dans Rn\R^{n}, Rn[X]\R_{n}[X] ou Mn(R)\mathcal{M}_{n}(\R) et contrôler en recalculant les ⟨ei , ej⟩\left\langle e_{i}\,,\,e_{j}\right\rangle ; déterminer F⊥F^{\perp} par un système, vérifier dim⁡F+dim⁡F⊥=dim⁡E\dim F+\dim F^{\perp}=\dim E.
  • Calculer pF(x)p_{F}(x) dans une base orthonormée de FF, puis d ⁣(x,F)=∥x−pF(x)∥d\!\left(x,F\right)=\norme{x-p_{F}(x)} (pour un hyperplan, passer par le vecteur normal), et reconnaître un problème de minimisation — d’une somme de carrés, d’une intégrale de carré — comme un calcul de distance.
ExempleGram-Schmidt dans R2[X]\R_{2}[X], une distance, un hyperplan

Sur R2[X]\R_{2}[X] muni de ⟨P , Q⟩=∫01PQ\left\langle P\,,\,Q\right\rangle=\int_{0}^{1}PQ, orthonormalisons (1,X,X2)(1,X,X^{2}) : w1=1w_{1}=1 et e1=1e_{1}=1, puis

w2=X−12,  ∥w2∥2=112,  e2=3 (2X−1);w3=X2−X+16,  ∥w3∥2=1180,  e3=5 (6X2−6X+1).w_{2}=X-\tfrac12,\ \ \norme{w_{2}}^{2}=\tfrac{1}{12},\ \ e_{2}=\sqrt{3}\,(2X-1);\qquad w_{3}=X^{2}-X+\tfrac16,\ \ \norme{w_{3}}^{2}=\tfrac{1}{180},\ \ e_{3}=\sqrt5\,\bigl(6X^{2}-6X+1\bigr).

Contrôle : ⟨ei , ej⟩=δi,j\left\langle e_{i}\,,\,e_{j}\right\rangle=\delta_{i,j} pour tous i,ji,j. ✓ Comme w3=X2−pF(X2)w_{3}=X^{2}-p_{F}(X^{2}) avec F=R1[X]=Vect⁡(e1,e2)F=\R_{1}[X]=\operatorname{Vect}(e_{1},e_{2}), on obtient d ⁣(X2,R1[X])=∥w3∥=530d\!\left(X^{2},\R_{1}[X]\right)=\norme{w_{3}}=\frac{\sqrt5}{30}, c’est-à-dire min⁡(a,b)∈R2∫01(t2−at−b)2 ⁣dt=1180\min_{(a,b)\in\R^{2}}\int_{0}^{1}(t^{2}-at-b)^{2}\dd t=\frac{1}{180}, atteint pour a=1a=1 et b=−16b=-\frac16.

Un hyperplan de R3\R^{3}. Dans R3\R^{3} canonique, H={(x,y,z), x+y+z=0}=Vect⁡(u)⊥H=\ens{(x,y,z),\ x+y+z=0}=\operatorname{Vect}(u)^{\perp} avec u=(1,1,1)u=(1,1,1) pour vecteur normal. Pour x=(1,2,3)x=(1,2,3) : ⟨x , u⟩=6\left\langle x\,,\,u\right\rangle=6, ∥u∥2=3\norme{u}^{2}=3, donc pH(x)=(1,2,3)−2(1,1,1)=(−1,0,1)p_{H}(x)=(1,2,3)-2(1,1,1)=(-1,0,1) et d ⁣(x,H)=6/3=23d\!\left(x,H\right)=6/\sqrt3=2\sqrt3. Contrôles : −1+0+1=0-1+0+1=0 ✓ ; x−pH(x)=(2,2,2)x-p_{H}(x)=(2,2,2) colinéaire à uu ✓ ; ∥x∥2=14=2+12=∥pH(x)∥2+d ⁣(x,H)2\norme{x}^{2}=14=2+12=\norme{p_{H}(x)}^{2}+d\!\left(x,H\right)^{2} ✓.

Pièges
  • Oublier le caractère défini : ∫01fg\int_{0}^{1}fg sur les fonctions continues par morceaux, ou ∑k=0nP(ak)Q(ak)\sum_{k=0}^{n}P(a_{k})Q(a_{k}) sur R[X]\R[X] entier, ne sont pas des produits scalaires.
  • Confondre F⊥F^{\perp} et le complémentaire de FF ; croire deux vecteurs orthogonaux toujours libres (faux si l’un est nul) ; écrire E=F⊕F⊥E=F\oplus F^{\perp} ou (F⊥)⊥=F(F^{\perp})^{\perp}=F sans que FF soit de dimension finie.
  • Oublier de normaliser à la fin de Gram-Schmidt, ou utiliser pF(x)=∑i⟨x , ei⟩eip_{F}(x)=\sum_{i}\left\langle x\,,\,e_{i}\right\rangle e_{i} dans une base seulement orthogonale (il manque les ∥ei∥2\norme{e_{i}}^{2}).
  • Hors programme : « inégalité de Bessel », « identité du parallélogramme », matrices orthogonales, symétries orthogonales, endomorphismes symétriques, théorème spectral, produit scalaire hermitien.

Exercices, contrôles et sujets

Les énoncés sont en accès libre, à télécharger en PDF.

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Exercices de base

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Les bases : reconnaître un produit scalaire, Cauchy-Schwarz, orthogonalité, Gram-Schmidt, bases orthonormées, projection orthogonale et distance

12 exercicesniveau Difficulté 1 sur 3 à Difficulté 2 sur 3durée conseillée : 2 h 30sans calculatrice

  1. Est-ce un produit scalaire ?Difficulté 1 sur 3
  2. Le produit scalaire canonique de Mn,p(R)\mathcal{M}_{n,p}(\R)Difficulté 1 sur 3
  3. Produits scalaires intégrauxDifficulté 1 sur 3
  4. Cauchy-Schwarz : sommes finiesDifficulté 1 sur 3
  5. Cauchy-Schwarz : intégralesDifficulté 2 sur 3
  6. Identité remarquable et polarisationDifficulté 1 sur 3
  7. Une famille orthogonale de R4\R^{4}Difficulté 1 sur 3
  8. Gram-Schmidt dans R3\R^{3}Difficulté 1 sur 3
  9. Gram-Schmidt dans R2[X]\R_{2}[X]Difficulté 2 sur 3
  10. Calculer dans une base orthonorméeDifficulté 1 sur 3
  11. Orthogonal d’une partieDifficulté 2 sur 3
  12. Projections orthogonales et distancesDifficulté 2 sur 3
2

Exercices d'application

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Produits scalaires à paramètre, polynômes orthogonaux, inégalités intégrales, projections et distances dans Rn\R^{n}, dans Rn[X]\R_{n}[X] et dans Mn(R)\Mn{n}

10 exercicesniveau Difficulté 2 sur 3durée conseillée : 3 hsans calculatrice

  1. Un produit scalaire à paramètreDifficulté 2 sur 3
  2. Un produit scalaire défini par des évaluationsDifficulté 2 sur 3
  3. Deux inégalités par Cauchy-SchwarzDifficulté 2 sur 3
  4. Une inégalité de type « énergie »Difficulté 2 sur 3
  5. Polynômes de Legendre et distance dans R3[X]\R_{3}[X]Difficulté 2 sur 3
  6. Projection sur un plan de R4\R^{4}Difficulté 2 sur 3
  7. Symétriques, antisymétriques, scalairesDifficulté 2 sur 3
  8. Un hyperplan de R4\R^{4}Difficulté 2 sur 3
  9. Approcher l’exponentielle par une fonction affineDifficulté 2 sur 3
  10. Propriétés générales de la projection orthogonaleDifficulté 2 sur 3
3

Interrogation A

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Durée : 1 h — sans document ni calculatrice

3 exercicesnoté sur 20niveau Difficulté 1 sur 3 à Difficulté 2 sur 3la rédaction est évaluée

  1. Questions de cours5 ptsDifficulté 1 sur 3
  2. Un plan de R3\R^{3}7 ptsDifficulté 2 sur 3
  3. Un produit scalaire à poids sur R2[X]\R_{2}[X]8 ptsDifficulté 2 sur 3
4

Interrogation B

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Durée : 1 h — sans document ni calculatrice

3 exercicesnoté sur 20niveau Difficulté 2 sur 3la rédaction est évaluée

  1. Questions de cours5 ptsDifficulté 2 sur 3
  2. Le produit scalaire canonique de M2(R)\mathcal{M}_{2}(\R)7 ptsDifficulté 2 sur 3
  3. Approcher t↦tt\mapsto t par a+bt2a+bt^{2}8 ptsDifficulté 2 sur 3
5

Approfondissement

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Identité de Lagrange, matrice de Gram, racines des polynômes orthogonaux, caractérisation des projections orthogonales, familles d’angles obtus

8 exercicesniveau Difficulté 3 sur 3durée conseillée : 4 hsans calculatrice

  1. L’identité de Lagrange : Cauchy-Schwarz sans discriminantDifficulté 3 sur 3
  2. Une inégalité hors programmeDifficulté 3 sur 3
  3. La matrice de GramDifficulté 3 sur 3
  4. Les racines des polynômes orthogonauxDifficulté 3 sur 3
  5. Caractériser les projections orthogonalesDifficulté 3 sur 3
  6. Des vecteurs deux à deux d’angle obtusDifficulté 3 sur 3
  7. Représenter une forme linéaireDifficulté 3 sur 3
  8. Gram-Schmidt en PythonDifficulté 3 sur 3
6

DS type concours

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Les polynômes de Legendre : orthogonalité, formule de Rodrigues, distance à Rn[X]\R_{n}[X] et relation de récurrence

20 questions en 4 partiesdurée : 3 h 30noté sur 20sans document ni calculatrice

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Planche de colle

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Une question de cours et quatre exercices d’oral indépendants

4 exercicesniveaux Difficulté 1 sur 3, Difficulté 2 sur 3, Difficulté 2 sur 3, Difficulté 3 sur 3environ 20 min chacunsans calculatrice

  1. Un plan de R3\R^{3}Difficulté 1 sur 3
  2. Une intégrale sous contrainteDifficulté 2 sur 3
  3. Approcher une racine carréeDifficulté 2 sur 3
  4. Reconnaître une base orthonorméeDifficulté 3 sur 3

Prépa · Mathématiques : les 26 chapitres

  1. Logique et raisonnement
  2. Ensembles et applications
  3. Sommes et produits
  4. Inégalités et trigonométrie
  5. Nombres complexes
  6. Fonctions usuelles
  7. Primitives et équations différentielles
  8. Nombres réels et suites numériques
  9. Limites et continuité
  10. Dérivabilité et convexité
  11. Arithmétique des entiers relatifs
  12. Structures algébriques usuelles
  13. Calcul matriciel
  14. Polynômes et fractions rationnelles
  15. Analyse asymptotique
  16. Espaces vectoriels
  17. Dimension et applications linéaires
  18. Matrices et applications linéaires
  19. Groupe symétrique
  20. Déterminants
  21. Intégration
  22. Dénombrement
  23. Probabilités
  24. Espaces préhilbertiens
  25. Séries et familles sommables
  26. Fonctions de deux variables