Cours – Algèbre bilinéaire

Chapitre 03

Auteur·rice

Saîd MAHARI

Date de publication

19 septembre 2026

ECS (2e année) — Chapitre 03. Produit scalaire, bases orthonormées, matrices symétriques, théorème spectral.

Ce chapitre a été réalisé conformément au programme marocain de mathématiques de la filière ECS.

Dans tout ce chapitre, E désigne un \mathbb{R}-espace vectoriel de dimension finie n \geq 1.

1 Produit scalaire

1.1 Définition

Définition 1.1 — (Produit scalaire)

Un produit scalaire sur E est une application \langle \cdot, \cdot \rangle : E \times E \to \mathbb{R} vérifiant :

  1. Bilinéarité : \forall x, y, z \in E, \forall \lambda, \mu \in \mathbb{R} : \langle \lambda x + \mu y, z \rangle = \lambda \langle x, z \rangle + \mu \langle y, z \rangle.
  2. Symétrie : \langle x, y \rangle = \langle y, x \rangle.
  3. Définie positive : \langle x, x \rangle \geq 0 et \langle x, x \rangle = 0 \iff x = 0.

Définition 1.2 — (Espace euclidien)

Un \mathbb{R}-espace vectoriel de dimension finie muni d’un produit scalaire est un espace euclidien.

1.2 Norme euclidienne

Définition 1.3 — (Norme associée)

Pour x \in E : \|x\| = \sqrt{\langle x, x \rangle}.

Proposition 1.1 — (Règles de calcul)

  1. \|x + y\|^2 = \|x\|^2 + 2\langle x, y \rangle + \|y\|^2
  2. \|x - y\|^2 = \|x\|^2 - 2\langle x, y \rangle + \|y\|^2
  3. \langle x, y \rangle = \frac{1}{2}(\|x+y\|^2 - \|x\|^2 - \|y\|^2) (identité de polarisation)

1.3 Inégalité de Cauchy-Schwarz

Théorème 1.1 — (Cauchy-Schwarz)

Pour tous x, y \in E : |\langle x, y \rangle| \leq \|x\| \cdot \|y\| avec égalité si et seulement si x et y sont liés.

Théorème 1.2 — (Minkowski)

Pour tous x, y \in E : \|x + y\| \leq \|x\| + \|y\|

1.4 Théorème de Pythagore

Théorème 1.3 — (Pythagore)

x \perp y \iff \|x + y\|^2 = \|x\|^2 + \|y\|^2

2 Orthogonalité

Définition 2.1 — (Orthogonalité)

x \perp y \iff \langle x, y \rangle = 0.

Définition 2.2 — (Orthogonal d’une partie)

Pour A \subset E : A^\perp = \{y \in E \mid \forall x \in A, \langle x, y \rangle = 0\}.

Proposition 2.1

  1. A^\perp est un sous-espace vectoriel.
  2. E^\perp = \{0\} et \{0\}^\perp = E.
  3. A^\perp = (\mathrm{Vect}(A))^\perp.

Théorème 2.1 — (Supplémentaire orthogonal)

Pour tout sous-espace vectoriel F de E : E = F \oplus F^\perp

3 Bases orthonormées

Définition 3.1 — (Famille orthogonale, orthonormée)

Une famille (e_i) est orthogonale si \langle e_i, e_j \rangle = 0 pour i \neq j. Elle est orthonormée si de plus \|e_i\| = 1 pour tout i.

Proposition 3.1

Toute famille orthogonale de vecteurs non nuls est libre.

3.1 Procédé de Gram-Schmidt

Théorème 3.1 — (Gram-Schmidt)

Toute famille libre (u_1, \ldots, u_n) peut être orthonormalisée en une famille orthonormée (e_1, \ldots, e_n) telle que pour tout k : \mathrm{Vect}(u_1, \ldots, u_k) = \mathrm{Vect}(e_1, \ldots, e_k)

Corollaire 3.1

Tout espace euclidien admet une base orthonormée.

3.2 Expression dans une base orthonormée

Proposition 3.2

Si (e_1, \ldots, e_n) est une base orthonormée et x = \sum x_i e_i, y = \sum y_i e_i, alors : \langle x, y \rangle = \sum_{i=1}^n x_i y_i, \quad \|x\|^2 = \sum_{i=1}^n x_i^2

4 Projection orthogonale

Définition 4.1 — (Projection orthogonale)

La projection orthogonale sur F est la projection sur F associée à E = F \oplus F^\perp.

Proposition 4.1 — (Formule)

Si (e_1, \ldots, e_p) est une base orthonormée de F, alors pour tout x \in E : p_F(x) = \sum_{k=1}^p \langle x, e_k \rangle e_k

Théorème 4.1 — (Meilleure approximation)

Pour tout x \in E : \|x - p_F(x)\| = \min_{y \in F} \|x - y\|

5 Matrices symétriques

Définition 5.1 — (Matrice symétrique)

A \in \mathcal{M}_n(\mathbb{R}) est symétrique si A^T = A.

Proposition 5.1 — (Caractérisation matricielle)

Soit u un endomorphisme de E euclidien et \mathcal{B} une base orthonormée. Alors : u \text{ symétrique} \iff \mathrm{Mat}_{\mathcal{B}}(u) \text{ symétrique}

Proposition 5.2 — (Sous-espaces propres orthogonaux)

Si u est symétrique et \lambda \neq \mu deux valeurs propres de u, alors E_\lambda(u) \perp E_\mu(u).

6 Théorème spectral

Théorème 6.1 — (Théorème spectral)

Soit u un endomorphisme symétrique d’un espace euclidien E. Alors :

  1. Toutes les valeurs propres de u sont réelles.
  2. u est diagonalisable dans une base orthonormée.

Théorème 6.2 — (Version matricielle)

Soit A \in \mathcal{S}_n(\mathbb{R}). Il existe P \in O_n(\mathbb{R}) (orthogonale : P^T P = I_n) et D diagonale réelle telles que : A = P D P^T

Proposition 6.1 — (Matrices symétriques positives)

A \in \mathcal{S}_n(\mathbb{R}) est positive (resp. définie positive) si : \forall x \in \mathbb{R}^n, \quad x^T A x \geq 0 \quad (\text{resp. } > 0 \text{ pour } x \neq 0)

A est symétrique positive si et seulement si toutes ses valeurs propres sont \geq 0 (resp. > 0).

7 Exercices

Exercice 7.1

Montrer que \langle (x_1, \ldots, x_n), (y_1, \ldots, y_n) \rangle = \sum x_i y_i définit un produit scalaire sur \mathbb{R}^n.

Exercice 7.2

Soit f : \mathbb{R} \to \mathbb{R} continue. Montrer que \langle f, g \rangle = \int_0^1 f(t)g(t)\, dt définit un produit scalaire sur \mathcal{C}([0,1], \mathbb{R}).

Exercice 7.3

Appliquer Gram-Schmidt à la famille (1, X, X^2) dans \mathbb{R}_2[X] muni de \langle P, Q \rangle = \int_{-1}^1 P(t)Q(t)\, dt.

Exercice 7.4

Soit A = \begin{pmatrix} 2 & 1 \\ 1 & 2 \end{pmatrix}. Diagonaliser A orthogonalement.

Exercice 7.5

Soit A = \begin{pmatrix} 3 & 1 & 1 \\ 1 & 3 & 1 \\ 1 & 1 & 3 \end{pmatrix}.

  1. Calculer \chi_A.
  2. Diagonaliser A orthogonalement.

Exercice 7.6

Soit A \in \mathcal{S}_n(\mathbb{R}). Montrer que \mathrm{tr}(A^2) \geq 0.

Exercice 7.7

Soit A \in \mathcal{S}_n(\mathbb{R}) définie positive. Montrer que \mathrm{tr}(A) > 0 et \det(A) > 0.

Exercice 7.8

Soit A \in \mathcal{S}_n(\mathbb{R}). Montrer que A est symétrique positive si et seulement si ses valeurs propres sont \geq 0.

Document en PDF

📝 Chapitre 03 : Algèbre bilinéaire

Voir TD

✍️ TD 03 : Algèbre bilinéaire