L'angle de deux fonctions
Application directe du cours · niveau 2 · mathématiques (PCSI), chapitre 16 — Espaces préhilbertiens réels · B. Cauchy-Schwarz et normes
Énoncé
Dans un espace préhilbertien réel, pour et non nuls, on définit l'angle par
a) Justifier que cette définition a un sens.
b) Calculer l'angle entre et dans canonique.
c) Calculer l'angle entre les fonctions et dans muni de . Le résultat change-t-il sur ?
Corrigé
La stratégie : c'est Cauchy-Schwarz qui rend la définition licite, et le calcul intégral qui donne les valeurs.
a) La définition a un sens. L'inégalité de Cauchy-Schwarz s'écrit , donc le quotient proposé appartient à . ⚠️ C'est précisément ce que réclame la fonction , qui n'accepte rien d'autre : sans Cauchy-Schwarz, on écrirait une formule sans objet. Comme est une bijection de sur , l'angle existe et est unique.
b) Dans . Avec et :
d'où et , soit soixante degrés.
Le calcul se généralise : dans , l'angle entre la diagonale et un axe vaut , soit degrés en dimension , degrés en dimension , et déjà degrés en dimension . En grande dimension, la diagonale est presque orthogonale à chacun des axes — un fait qui déroute l'intuition tirée du plan.
c) Entre et . Sur :
Les deux fonctions sont donc orthogonales sur : l'angle vaut . (Leurs normes, , n'ont même pas besoin d'être calculées pour conclure.)
⚠️ Sur , la réponse est tout autre. On y trouve et , donc
L'orthogonalité n'est pas une propriété des deux fonctions : c'est une propriété du produit scalaire, donc de l'intervalle d'intégration. Changer l'intervalle change la géométrie.
Contrôle numérique. Sur , la primitive vaut aux deux bornes : le produit scalaire est nul sans approximation. Sur , elle vaut puis : la différence est bien le produit scalaire annoncé.
Ce que l'exercice installe. Le produit scalaire intégral transporte tout le vocabulaire de la géométrie — angle, orthogonalité, projection — sur des espaces de fonctions. L'orthogonalité de et sur une période est la première pierre des séries de Fourier.
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Un blocage sur cet exercice ? Le tuteur d'Adloun guide par questions, sans donner la réponse.