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Comprendre la notion de produit scalaire et dâorthogonalitĂ©.
Montrer que si \(B=(e_1,\dots,e_n)\) est une base orthonormée de \(V\), alors pour tout \(u \in V\), \(u = \sum_{i=1}^n (u|e_i)e_i\).
Comme \(B\) est une base, on sait quâil existe une unique façon dâĂ©crire \(u \in V\) sous la forme \(u = \sum_{i=1}^n \lambda_i e_i\). Or dans ce cas, \((u|e_j) = \sum_{i=1}^n \lambda_i (e_i|e_j)\). Comme la base est orthonormĂ©e, \((e_i|e_j) = 0\) si \(i \neq j\) et \(1\) sinon. Donc pour tout \(j\), \((u|e_j) = \lambda_j\) ce qui prouve bien lâĂ©galitĂ© que nous voulions.
On munit \(\mathbb{R}^3\) de son produit scalaire canonique. On pose \(u_1 = (1, â1, 0)\), \(u_2 = (2, â1, â1)\) et \(u_3 = (1, 2, 1)\). Montrer que \((u_1, u_2, u_3)\) est une base de \(\mathbb{R}^3\) et orthonormaliser cette base par le procĂ©dĂ© de Gram-Schmid.
On montre que la matrice \(\begin{pmatrix} 1 & -1 & 0 \\ 2 & -1 & -1 \\ 1 & 2 & 1\end{pmatrix}\) est de rang \(3\). Il suffit de faire \(C_2 \gets C_2 + C_1\) puis \(C_3 \gets C_2 + C_3\) pour avoir une forme triangulaire inférieure. On a donc bien une base.
On pose alors \(v_1 = {u_1 \over \|u_1\|} = {u_1 \over \sqrt{2}}\).
Puis \(w_2 = u_2 - (u_2 | v_1)v_1\). On a \((u_2 | v_1) = {1 \over \sqrt{2}} (u_2|u_1) ={3 \over \sqrt{2}}\) donc \((u_2|v_1)v_1 = {3 \over 2}u_1\). Donc \(w_2 = ({1 \over 2}, {1 \over 2}, -1)\). On pose \(v_2 = {w_2 \over \|w_2\|} = {\sqrt{3} \over \sqrt{2}} w_2\).
Enfin on pose \(w_3 = u_3 - (u_3|v_1)v_1 - (u_3|v_2)v_2 = u_3 + {1 \over 2} u_1 + {3 \over 4} w_2\).
On dit quâune matrice \(M\) est orthogonale si et seulement si \(MM^T = I_n\).
On a \(M^T = M^{-1}\) donc \(M\) est bien inversible.
Pour \(1 \leq i,j \leq n\), on a
\[\begin{align*} MM^T[i,j] &= \sum_{k=1}^n M[i,k]M^T[k,j] \\ &=\sum_{k=1}^n M[i,k]M[j,k] \end{align*}\]
Donc \(MM^T[i,j]\) est le produit scalaire (canonique) entre les lignes \(i\) et \(j\) de \(M\). Si \(i \neq j\), cette valeur vaut \(I_n[i,j] = 0\) ce qui prouve que les lignes de \(M\) sont orthogonales.
Pour prouver que les colonnes de \(M\) sont orthogonales, il suffit de voir que \((M M^T)^T = I_n^T\) donc \(M^T M = I_n\), ce qui veut dire que \(M^T\) est une matrice orthogonale aussi donc ses lignes sont orthogonales par ce qui précÚde. Donc les colonnes de \(M\) sont orthogonales (puisque ces sont les lignes de \(M^T\)).
Soit \(u_1 = (1, â1, 1) , u_2 = (1, 0, 0)\) et \(u_3 = (0, 1, 0)\). Montrer que \(\|u_1+u_2+u_3\|^2=\|u_1\|^2+\|u_2\|^2+\|u_3\|^2\). En dĂ©duire que la rĂ©ciproque du thĂ©orĂšme de Pythagore est fausse en dimension \(n \geq 3\).
On vĂ©rifie par le calcul: \(w = u_1+u_2+u_3 = (2,0,1)\) donc \(\|w\|^2 = 5\). Aussi \(\|u_1\|^2 = 3\), \(\|u_2\|^2 = \|u_3\|^2 = 1\) ce qui montre bien lâĂ©galitĂ©. Or \(u_1\) et \(u_3\) ne sont pas orthogonaux, donc la rĂ©ciproque du thĂ©orĂšme de Pythagore est fausse en dimension \(3\).
\((u+u' | v+v') = (u|v) + (u|v') + (u'|v) + (u'|v')\). Donc \((u+v|u+v) = (u|u) + (u|v) + (v|u) + (v|v) = (u|u)+2(u|v)+(v|v)\).
Il âsuffitâ dâĂ©crire la matrice donc le coefficient \(i,j\) est \(\phi(b_i,b_j)\) pour \(b_1,b_2,b_3\) la base canonique de \(\mathbb{R}^3\). On a alors \(A = \begin{pmatrix} 1 & 0 & -1 \\ 0 & 1 & 0 \\ -1 & 0 & 2 \end{pmatrix}\).
La bilinĂ©aritĂ© est claire par la question prĂ©cĂ©dente et la symmĂ©trie est claire par dĂ©finition. De plus, on a \(\phi(u,u) = u_1^2 - 2u_1u_3 + u_2^2 + 2u_3^2 = (u_1-u_3)^2 + u_2^2 + u_3^2\). Il est donc clair que \(\phi(u,u) \geq 0\) car câest une somme de terme positif. De plus, si \(\phi(u,u) = 0\) alors chacun des termes de \((u_1-u_3)^2 + u_2^2 + u_3^2\) doit ĂȘtre nul. Donc \(u_2=u_3=(u_1-u_3)=0\). Donc \(u_2=u_3=0\), ce qui donne aussi que \(u_1 - u_3 = u_1 = 0\). Câest donc bien un produit scalaire.
Non, si on considĂšre \(u = (0,0,1)\) alors \(\psi(u,u) = -1 < 0\).
Trouver une base orthonormale de \(\mathbb{R}^3\) pour le produit scalaire \(\phi\) de lâexercice prĂ©cĂ©dent.
On applique le procédé de Gram Schmidt en partant de la base canonique et en utilisant le produit scalaire induit par \(\phi\).
On pose alors \(v_1 = {b_1 \over \sqrt{\phi(b_1,b_1)}} = (1,0,0)\).
\(w_2 = b_2 - \phi(b_2, v_1)v_1 = (0,1,0) - 0 \times v_1 = b_2\) et \(v_2 = {w_2 \over \|w_2\|} = {b_2 \over \|b_2\|} = b_2\).
Finalement \(w_3 = b_3 - \phi(b_3,v_1) v_1 - \phi(b_3,v_2)v_2\).
On a \(\phi(b_3,v_1) = -1\) et \(\phi(b_3,v_2) = 0\) donc \(w_3 = b_3 + b_1 = (1,0,1)\). On pose alors \(v_3 = {w_3 \over \|w_3\|} = w_3 \over 1 = w_3\).
On a donc \((1,0,0), (0,1,0), (1,0,1)\) qui est une base orthonormale pour \(\phi\).