TD — Algèbre bilinéaire
Chapitre 03
ECS (2e année) — TD du Chapitre 03. Produit scalaire, bases orthonormées, matrices symétriques, théorème spectral.
Exercice 1
Montrer que les applications suivantes définissent des produits scalaires :
- Sur \mathbb{R}^2 : \langle (x_1, x_2), (y_1, y_2) \rangle = x_1 y_1 + 2x_2 y_2.
- Sur \mathcal{C}([0,1], \mathbb{R}) : \langle f, g \rangle = \int_0^1 f(t)g(t)\, dt.
- Sur \mathcal{M}_n(\mathbb{R}) : \langle A, B \rangle = \mathrm{tr}(A^T B).
Exercice 2
Appliquer le procédé de Gram-Schmidt à la famille (e_1, e_2, e_3) avec e_1 = (1,1,0), e_2 = (1,0,1), e_3 = (0,1,1) dans \mathbb{R}^3 muni du produit scalaire canonique.
Exercice 3
Soit A = \begin{pmatrix} 2 & 1 \\ 1 & 2 \end{pmatrix}.
- Montrer que A est symétrique.
- Diagonaliser A orthogonalement.
- Déterminer une base orthonormée de vecteurs propres.
Exercice 4
Soit A = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 \\ 1 & 1 & 1 \\ 1 & 1 & 1 \end{pmatrix}.
- Montrer que A est symétrique.
- Déterminer les valeurs propres et les sous-espaces propres.
- Diagonaliser A orthogonalement.
Exercice 5
Soit A une matrice symétrique réelle. Montrer que :
- Toutes les valeurs propres de A sont réelles.
- Les sous-espaces propres associés à des valeurs propres distinctes sont orthogonaux.
- Si A est symétrique positive, alors toutes ses valeurs propres sont positives.
Exercice 6
Soit A = \begin{pmatrix} 3 & 1 & 0 \\ 1 & 2 & 1 \\ 0 & 1 & 3 \end{pmatrix}.
- Montrer que A est symétrique.
- Diagonaliser A orthogonalement.
- Calculer A^n pour tout n \in \mathbb{N}.
Exercice 7
Soit A une matrice symétrique réelle. Montrer que :
- \mathrm{tr}(A^2) \geq 0.
- \mathrm{tr}(A^2) = 0 si et seulement si A = 0.
Exercice 8
Soit A une matrice symétrique réelle définie positive.
- Montrer que \mathrm{tr}(A) > 0 et \det(A) > 0.
- Montrer que pour tout x \neq 0, x^T A x > 0.
Exercice 9
Soit A une matrice symétrique réelle de valeurs propres \lambda_1 \leq \lambda_2 \leq \cdots \leq \lambda_n. Montrer que pour tout x \in \mathbb{R}^n de norme 1 : \lambda_1 \leq x^T A x \leq \lambda_n.
Exercice 10
Soit A une matrice symétrique réelle. Montrer que A est symétrique positive si et seulement s’il existe une matrice B telle que A = B^T B.