Exercices corrigés des Mines-Ponts sur le thème « espaces préhilbertiens réels », regroupés par filière.
MP–MPI
Pour {x=\sum\limits_i\lambda_ix_i} et {y=\sum\limits_i|\lambda_i|x_i}, comparer leurs normes.
Si {x=0}, montrer que les coefficients sont tous nuls ou tous non nuls, puis que toute sous-famille de {p-1} vecteurs est libre.
Donner un exemple avec {p=3} dans {\mathbb{R}^2} et généraliser à {p=n+1}.
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Montrer que c'est un produit scalaire.
Avec {F=\left\{f:f(0)=f(1)=0\right\}} et {G=\left\{g\in C^2:g''=g\right\}}, montrer {E=F\overset\perp\oplus G} et expliciter la projection sur {G}.
Pour {E_{a,b}=\left\{f:f(0)=a,f(1)=b\right\}}, décrire cet espace affine et minimiser {\int_0^1(f^2+f'^2)} dessus.
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2) Pour {0\leq k\leq n}, montrer que l'ensemble {F_{n,k}} des polynômes ayant leur coefficient de degré {k} égal à {1} est un hyperplan affine.
Préciser sa direction.
3) Trouver {P_0\in F_{n,k}\cap\overrightarrow{F_{n,k}}^{\perp}}.
4) Calculer {\min_{P\in F_{n,k}}\int_0^1P^2}.
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Montrer que c'est une base orthonormée.
Le résultat reste-t-il vrai si les vecteurs sont seulement non nuls ?
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Montrer que {A} est fini si et seulement si {B} est fini.
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Montrer que c'est un produit scalaire, calculer {\Phi(X^p,X^q)}, orthonormaliser {(1,X,X^2)} et calculer {d(X^3,\mathbb{R}_2[X])}.
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Montrer que {f\in C([a,b])} est de la forme {g''}, {g\in F}, exactement si {\int_a^bf=\int_a^btf(t)dt=0}.
Si {h} continue satisfait {\int_a^bhg''=0} pour tout {g\in F}, montrer que {h} est affine.
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Étudier la convergence de {u_n=(n+1)^{-1}\sum\limits_{k=0}^nf^k}.
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Montrer que {\left\lVert \int_a^bf(t)\,dt\right\rVert=\int_a^b\lVert f(t)\rVert\,dt}si et seulement s'il existe {\Phi\in C^0([a,b],\mathbb{R}_+)} et {u\in\mathbb{R}^n} tels que {f(t)=\Phi(t)u} pour tout {t}.
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Que dire de {f} ?
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Montrer que {X} est fini si et seulement si {\left\{\langle x,y\rangle:(x,y)\in X^2\right\}} est fini.
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Montrer que {A} est inversible et {M_p\to A^{-1}}.
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PSI
Montrer qu'il existe une relation de dépendance non triviale, à coefficients rationnels, entre {v_1,\ldots,v_n}.
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Montrer que {\ell^2(\mathbb{N})} est un espace vectoriel muni du produit scalaire {\langle u,v\rangle=\sum\limits_{k\geq0}u_kv_k}.
Pour {c_k(f)=\langle f,e_k\rangle}, montrer que {\Phi(f)=(c_k(f))_k} définit une application continue {H\to\ell^2}.
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Si {u_n\to u}, {v_n\to v} et {u_n,v_n} sont colinéaires, montrer que {u,v} le sont en dimension finie.
Le résultat reste-t-il vrai en dimension infinie ?
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Calculer {L_i(j)} et montrer que {(L_i)} est une base.
Montrer que {\varphi(P,Q)=\sum\limits_{k=0}^3(P(k)+P(k+1))(Q(k)+Q(k+1))} est un produit scalaire, puis trouver une base orthonormale.
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Calculer {L_i(j)}, montrer que les {L_i} forment une base, que {\Phi} est un produit scalaire et trouver une base orthonormée.
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Poser {\Phi(P,Q)=\sum\limits_{k=0}^4(P(k)+(-1)^kP(-k))(Q(k)+(-1)^kQ(-k))}.
Montrer que {\Phi} est un produit scalaire, que {E=F\mathbin{\perp\oplus}G}, et donner une base orthonormée adaptée.
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Montrer que {F} est un sous-espace, donner sa dimension et calculer {d(A,F)} pour toute {A}.
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2) Sur {E=\mathbb{R}[X]} avec {\langle P,Q\rangle=\int_0^1PQ}, prendre {F=\left\{P:P(1)=P'(1)=0\right\}} et déterminer les deux orthogonaux.
3) Donner une condition suffisante pour l'égalité du premier point.
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PC
Minimiser {\int_{-1}^1P(t)^2/\sqrt{1-t^2}\,dt} parmi les polynômes unitaires de degré {n}.
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Construire des polynômes orthonormés {P_n} de degré {n} et montrer que leurs racines sont simples et dans {]0,1[}.
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En déduire l'existence d'un unique {A\in\mathbb{R}_n[X]} tel que {\int_0^1AP=P(0)} pour tout {P\in\mathbb{R}_n[X]}.
Montrer {\deg A=n} et {A(0)>0}.
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Donner son degré et son coefficient dominant, puis son orthogonalité.
Calculer {\min_{a,b,c}\int_{-1}^1(t^3-at^2-bt-c)^2\sqrt{1-t^2}\,dt}.
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Déterminer la dimension de {H=\left\{P:\sum\limits_kP(a_k)=0\right\}} et la distance d'un polynôme {Q} à {H}.
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Construire une base orthonormée {(P_k)} adaptée aux degrés, avec {\langle P_k,X^k\rangle>0}, montrer sa parité et calculer {P_0,P_1,P_2,P_3}.
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Montrer {F} stable par {f} si et seulement si {F^\perp} est stable par {g}.
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Montrer que les {f_i} forment une base.
La conclusion subsiste-t-elle avec des inégalités larges ?
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Pour l'orthonormalisée {(P_0,\ldots,P_n)} de {(1,X,\ldots,X^n)}, calculer {P_0} et montrer que chaque {P_k} est scindé à racines simples strictement positives.
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Montrer que chaque sous-famille de cardinal {p-1} est libre.
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b) Donner une base orthonormée.
c) Pour {H=\left\{Q:\sum\limits_{k=0}^nQ(a_k)=0\right\}}, déterminer sa dimension.
d) Calculer {d(P,H)}.
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b) Montrer que ce produit est au plus {\frac{(\lambda_1+\lambda_n)^2}{4\lambda_1\lambda_n}\lVert X\rVert^4}.
d) Montrer qu'il existe une base orthonormale {(P_0,\ldots,P_n)} de {E} telle que {\deg P_k=k} et {\langle P_k,X^k\rangle>0}.
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Si {M^TJM=J}, montrer que {A,D} sont inversibles.
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Montrer que {V} est un sous-espace de dimension finie et en donner une base.
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Montrer qu'il existe {P\in O_n(\mathbb{R})} telle que {P^TMP} ait sa diagonale nulle.
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Montrer qu'elle admet un minimum et un maximum, et les déterminer.
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