Sujet : Algèbre linéaire, Déterminant de Gram

David Delaunay Http://Mpsiddl.Free.Fr

Description

Déterminants. Espaces euclidiens.

Sujets

• Classe préparatoire aux grandes écoles
• Mathématiques, physique et sciences de l'ingénieur
• Public Readiness and Emergency Preparedness Act
• exercices

Informations

• Publié par: algebre-mpsi
• Nombre de lectures: 50
• Licence : En savoir +
  Paternité, pas d'utilisation commerciale, partage des conditions initiales à l'identique
• Langue: Français

Extrait

Déterminant de Gram

Soitunℝ (.-espace vectoriel muni d’un produit scalaire noté | .)

1.

2.

2.a

2.b

2.c

2.d

Partie I

Soitetdeux vecteurs quelconques de.
( | ) ( | )
On notre(,)=(|) (|)et(,)=det((,)) .

Montrer que(,)≥0 . A quelle condition y a-t-il égalité ?
Soit,ettrois vecteurs quelconques de.
(|) (|) (|)
On note(,,)=(|) (|) (|) et(,,)=det((,,)) .
(|) (|) (|)
On suppose queest orthogonal àet.
Exprimer(,,) en fonction de(,) .
On suppose queest combinaison linéaire deet.
Calculer(,,) .
On suppose que=+aveccombinaison linéaire deet, etorthogonal àet.
Montrer que(,,)=(,)2.
Etablir l’équivalence : (,,) est libre⇔ (,,)≠0 .

Partie II

Soit1,…, vecteurs de.
On note :(1,…,) la matrice carrée d’ordre (dont le coefficient d’indice,) est (|) et
(1,…, déterminant de celle-ci.) le
1. On suppose la famille (1,…, Montrer que) liée.(1,…,)=0 .
2. On suppose la famille (1,…, On introduit () libre.1,…,) une base orthonormée de l’espace
vectoriel engendré par1,…,et on note=(,) la matrice de passage de la base (1,…,) à la
base (1,…,) .
2.a Exprimer (| l’aide des coefficients de la matrice) à.
2.b Montrer que(1,…,)=. En déduire que(1,…,)>0 .
3. Soitun sous-espace vectoriel dede dimensionet (1,…, base de) une.
On appelle distance devecteur deau sous-espace vectorielle réel :  =nf−
( , ) i∈.

3.a

3.b

1.

En écrivant=+avec∈et∈⊥, démontrer que(,)=
Etablir :(,)=((1,1,……,,). )
,

Partie III

Pour tout polynômeetdeℝon poseϕ(,)=
Montrer queϕdéfinit un produit scalaire surℝ.

1
()()d.
0

.

2.a

2.b

2.c

Désormais, on munitℝ (de ce produit scalaire et on note| lieu de) auϕ(,) le produit
scalaire de deux élémentsetdeℝ.

On désire calculeri,n∈fℝ01(2( ))2
=−+d.
Interpréterà l’aide de la distance d’un vecteur à un sous-espace vectoriel deà préciser.

1
Calculer les déterminants 11
2

Donner la valeur de.

1 1 1
1 1 2 3
2 1 1 1
1 et .
2 3 4
3 1 1 1
3 4 5

Partie IV

Soitun entier naturel non nul et1,…,,1,…,des réels tels que pour tout∈ {1,…,},
pour tout≠∈ {1,…,},≠.
Le but de cette partie est de calculer le déterminant de la matrice :
 11 1
⋯
1+11+21+
 1 1⋯1
1+1≤,≤=2⋮+12⋮+2⋱2⋮+∈(ℝ) .
    
1 1 1
⋯
+1+2+
Ce déterminant sera noté(1,…,,1,…,) .

1.

2.

3.

   
 
Soit ( )=((+−11))⋯⋯((+−−)1. )
Réaliser la décomposition en éléments simples de.
On notele déterminant d’ordre:
1+⋯+1(1)
111−1
=1+⋯+1(2 ).
 22 1−1

⋮ ⋮
1+⋯+1()
1 −1
En calculantde deux façons, établir :
−1
∏(+)
()−1(1,…,−1,1,…,−1)=−=11(,1…,,,1…,)
∏(−)
=1
∏(−)∏(−)
     
En déduire :(1,…,,1,…,)=1≤ < ≤∏(1≤+<≤ .)
1≤,≤

.

>0 ,≥0 et

4.a

4.b

4.c

1 1 1 1
⋯
1 2 3
1 1 1 1
⋯
2 3 4+1
Calculer=1 1 1⋯1∈(ℝ) .
3 4 5+2
⋮ ⋮ ⋮ ⋱ ⋮
1 1 1 1
⋯
 +1+2 2−1
On pourra se contenter d’une expression comportant un ou plusieurs∏(…) .
En déduire la valeur de=1(−−−+⋯+ +)2.
(0,…i,n−f1)∈ℝ0( 01 1 1
On exprimera le résultat à l’aire de nombres factoriels.
Quelle est la limite de () ?