Flashcards : Produit scalaire et projections orthogonales (45 cartes)

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1Question

Comment calcule-t-on le produit scalaire de deux vecteurs dans la base canonique de Rn\mathbb R^n ?

Réponse

u⋅v=∑k=1nxkyku\cdot v=\sum_{k=1}^{n}x_ky_k.

2Question

Comment exprime-t-on la norme euclidienne d’un vecteur uu à partir de ses coordonnées ?

Réponse

∥u∥=∑k=1nxk2\|u\|=\sqrt{\sum_{k=1}^{n}x_k^2}.

3Question

Quelle condition définit l’orthogonalité de deux vecteurs uu et vv ?

Réponse

u⋅v=0u\cdot v=0.

4Question

Quelles propriétés possède le produit scalaire ?

Réponse

Il est symétrique et bilinéaire.

5Question

Quelle formule donne ∥u+v∥2\|u+v\|^2 par polarisation ?

Réponse

∥u+v∥2=∥u∥2+2u⋅v+∥v∥2\|u+v\|^2=\|u\|^2+2u\cdot v+\|v\|^2.

6Question

Quelle formule donne ∥u−v∥2\|u-v\|^2 par polarisation ?

Réponse

∥u−v∥2=∥u∥2−2u⋅v+∥v∥2\|u-v\|^2=\|u\|^2-2u\cdot v+\|v\|^2.

7Question

Quelle inégalité exprime Cauchy-Schwarz pour uu et vv ?

Réponse

∣u⋅v∣≤∥u∥∥v∥|u\cdot v|\leq\|u\|\|v\|.

8Question

Quelle formule définit la distance euclidienne entre u=(x1,…,xn)u=(x_1,\ldots,x_n) et v=(y1,…,yn)v=(y_1,\ldots,y_n) dans Rn\mathbb R^n ?

Réponse

d(u,v)=∑k=1n(xk−yk)2d(u,v)=\sqrt{\sum_{k=1}^{n}(x_k-y_k)^2}

9Question

Que devient toute famille orthonormée de Rn\mathbb R^n ?

Réponse

Une base de Rn\mathbb R^n.

10Question

Comment calculer ∥u∥2\|u\|^2 avec les coordonnées XX dans une base orthonormée ?

Réponse

∥u∥2=∑k=1nxk2=XTX\|u\|^2=\sum_{k=1}^{n}x_k^2=X^TX.

11Question

Comment définit-on l’orthogonal A⊥A^\perp d’un sous-espace vectoriel AA ?

Réponse

A⊥={u∈Rn:∀a∈A, u⋅a=0}A^\perp=\{u\in\mathbb R^n:\forall a\in A,\ u\cdot a=0\}.

12Question

À quoi est égal (A⊥)⊥\left(A^\perp\right)^\perp pour un sous-espace AA de Rn\mathbb R^n ?

Réponse

AA.

13Question

Que vaut A+A⊥A+A^\perp pour un sous-espace AA de Rn\mathbb R^n ?

Réponse

Rn\mathbb R^n.

14Question

Comment s’écrit chaque vecteur de Rn\mathbb R^n relativement à AA et A⊥A^\perp ?

Réponse

De manière unique comme somme d’un vecteur de AA et d’un vecteur de A⊥A^\perp.

15Question

Que représente la projection orthogonale de uu sur AA ?

Réponse

La composante de uu dans AA.

16Question

Quel vecteur de AA minimise la distance à uu ?

Réponse

L’unique vecteur p(u)p(u).

17Question

Quelle formule donne la projection de uu sur AA à partir d’une base orthonormée (e1,…,er)(e_1,\ldots,e_r) ?

Réponse

p(u)=∑i=1r(u⋅ei)ei.p(u)=\sum_{i=1}^{r}(u\cdot e_i)e_i.

18Question

Quelle relation vérifie la matrice de passage entre deux bases orthonormées ?

Réponse

PTP=InP^TP=I_n

19Question

Quelle propriété possède la matrice d’une projection orthogonale dans une base orthonormée ?

Réponse

Elle est réelle et symétrique.

20Question

Quelle relation lie deux vecteurs propres associés à des valeurs propres distinctes d’une matrice réelle symétrique ?

Réponse

Ils sont orthogonaux.

21Question

Dans quel type de base toute matrice réelle symétrique est-elle diagonalisable ?

Réponse

Dans une base orthonormée.

22Question

Quand un vecteur est-il dit unitaire ou normé ?

Réponse

Lorsque sa norme vaut 1.

23Question

Quelle propriété caractérise les vecteurs d’une famille orthogonale ?

Réponse

Ils sont deux à deux orthogonaux.

24Question

Quelle propriété supplémentaire caractérise une famille orthonormée ?

Réponse

Tous ses vecteurs sont unitaires.

25Question

Comment la norme de λu\lambda u s’exprime-t-elle en fonction de ∥u∥\|u\| ?

Réponse

∥λu∥=∣λ∣∥u∥\|\lambda u\|=|\lambda|\|u\|.

26Question

Quelle inégalité de Minkowski relie ∥u+v∥\|u+v\| à ∥u∥\|u\| et ∥v∥\|v\| ?

Réponse

∥u+v∥≤∥u∥+∥v∥\|u+v\|\leq\|u\|+\|v\|.

27Question

Quelle égalité caractérise l’orthogonalité de uu et vv selon Pythagore ?

Réponse

u⊥v  ⟺  ∥u+v∥2=∥u∥2+∥v∥2u\perp v\iff\|u+v\|^2=\|u\|^2+\|v\|^2.

28Question

Quelle propriété de symétrie vérifie la distance euclidienne entre uu et vv ?

Réponse

d(u,v)=d(v,u)d(u,v)=d(v,u)

29Question

Quand la distance entre deux vecteurs est-elle nulle ?

Réponse

Si et seulement si les deux vecteurs sont égaux.

30Question

Quelle inégalité triangulaire vérifie la distance euclidienne entre uu, vv et ww ?

Réponse

d(u,w)≤d(u,v)+d(v,w)d(u,w)\leq d(u,v)+d(v,w)

31Question

Comment définit-on la distance d’un vecteur uu au sous-espace vectoriel HH ?

Réponse

d(u,H)=inf⁡h∈H∥u−h∥d(u,H)=\inf_{h\in H}\|u-h\|

32Question

Comment calculer la coordonnée xix_i de uu dans une base orthonormée ?

Réponse

xi=u⋅eix_i=u\cdot e_i.

33Question

Comment exprimer uu à partir de ses produits scalaires avec les vecteurs d'une base orthonormée ?

Réponse

u=∑i=1n(u⋅ei)eiu=\sum_{i=1}^{n}(u\cdot e_i)e_i.

34Question

Quelle est la structure de l’orthogonal A⊥A^\perp d’un sous-espace vectoriel AA ?

Réponse

C’est un sous-espace vectoriel de Rn\mathbb R^n.

35Question

Quel est l’orthogonal de Rn\mathbb R^n ?

Réponse

Le sous-espace nul.

36Question

Si A⊆BA\subseteq B, quelle inclusion relie leurs orthogonaux ?

Réponse

B⊥⊆A⊥B^\perp\subseteq A^\perp.

37Question

Quelle relation vérifie la matrice MM d’une projection orthogonale ?

Réponse

M2=MM^2=M.

38Question

Quel est l’image d’une projection orthogonale sur AA ?

Réponse

AA.

39Question

Quel est le noyau d’une projection orthogonale sur AA ?

Réponse

A⊥A^\perp.

40Question

Quelles sont les valeurs propres possibles d’une projection orthogonale ?

Réponse

00 et 11.

41Question

Quelle identité relie les normes de uu, p(u)p(u) et u−p(u)u-p(u) ?

Réponse

∥u∥2=∥p(u)∥2+∥u−p(u)∥2\|u\|^2=\|p(u)\|^2+\|u-p(u)\|^2.

42Question

Quelle formule donne la projection de uu sur la droite A=Vect⁡(a)A=\operatorname{Vect}(a), avec ∥a∥=1\|a\|=1 ?

Réponse

p(u)=(u⋅a)a.p(u)=(u\cdot a)a.

43Question

Quelle formule donne la projection de uu sur le plan A=Vect⁡(e1,e2)A=\operatorname{Vect}(e_1,e_2) muni d’une base orthonormée ?

Réponse

p(u)=(u⋅e1)e1+(u⋅e2)e2.p(u)=(u\cdot e_1)e_1+(u\cdot e_2)e_2.

44Question

À quelle condition un endomorphisme ff est-il la projection orthogonale sur Im⁡(f)\operatorname{Im}(f) ?

Réponse

Il faut que f∘f=ff\circ f=f et que ker⁡(f)=(Im⁡(f))⊥.\ker(f)=(\operatorname{Im}(f))^\perp.

45Question

Quelle formule exprime le produit scalaire de uu et vv à partir de leurs normes ?

Réponse

u⋅v=14(∥u+v∥2−∥u−v∥2).u\cdot v=\frac{1}{4}\bigl(\|u+v\|^2-\|u-v\|^2\bigr).

Teste-toi avec le QCM

Teste tes connaissances avec un QCM de 19 questions sur Produit scalaire et projections orthogonales.

1. Dans la base canonique de R3\mathbb{R}^3, on prend u=(2,−1,3)u=(2,-1,3) et v=(4,5,−2)v=(4,5,-2). Quelle est la valeur de leur produit scalaire ?

2. Pour u=(−3,4,12)u=(-3,4,12) dans R3\mathbb{R}^3, quelle est sa norme euclidienne ?

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