mathématiques (PSI) · Chapitre 3 · Exercice de TD
Inégalité de Bessel et meilleure approximation affine
Espaces Préhilbertiens et Espaces Euclidiens · Niveau ★★★ — approfondissement · niveau 3 (difficile)
Énoncé
Soit un espace préhilbertien et une famille orthonormale de , .
- Montrer que pour tout : , avec égalité si et seulement si .
- En déduire , et le couple qui le réalise.
Corrigé
1. La famille étant orthonormale, elle est libre (proposition du cours), donc c'est une base orthonormale de , et . La proposition « tout se calcule en base orthonormée » donne , et le théorème de la meilleure approximation : L'égalité équivaut à , c'est-à-dire , c'est-à-dire . Le défaut dans l'inégalité de Bessel est exactement le carré de la distance à : . C'est cette lecture qui rend l'inégalité utile.
2. Sur muni de , la quantité à minimiser est pour parcourant : c'est , et le minimum est atteint en l'unique point .
Base orthonormale de par Gram-Schmidt sur : donc ; puis , , , d'où .
Coefficients : et Distance (variante économique du cours, qui évite d'écrire la projection) : Point où le minimum est atteint : , soit — et ce couple est le seul, par unicité de la projection orthogonale. Contrôle chiffré par le calcul direct, sans aucune projection : (C'est la régression au sens des moindres carrés : la meilleure droite approchant sur est , obtenue sans dériver quoi que ce soit — un problème de minimisation résolu par une somme de produits scalaires.)
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