QCM : Produit scalaire et Gram-Schmidt en maths sup (MPSI)
Ce QCM Gram-Schmidt MPSI parcourt le chapitre de géométrie euclidienne de première année. Il commence par reconnaître un produit scalaire sur \(\mathbb{R}^2\), calculer une norme pour le produit scalaire intégral et retrouver un produit scalaire par polarisation. Il exploite ensuite l’inégalité de Cauchy-Schwarz, avec le cas où elle devient une égalité, puis l’orthogonal d’une partie et le théorème de Pythagore. La seconde moitié applique le procédé d’orthonormalisation dans \(\mathbb{R}^3\) et dans un espace de polynômes, avant de calculer un projeté orthogonal, une distance à un plan et un minimum d’intégrale.
Réponds d’abord sans le cours, en écrivant les calculs au brouillon. Lis ensuite chaque explication : elle refait le calcul et nomme le piège visé, comme une racine carrée oubliée, une forme seulement positive prise pour définie ou une projection faite sur la normale au lieu du plan.
Les 12 questions
Question 1
Laquelle de ces formes bilinéaires symétriques, avec \(x=(x_1,x_2)\) et \(y=(y_1,y_2)\), est un produit scalaire sur \(\mathbb{R}^2\) ?
- \(x_1y_1-x_2y_2\)
- \(x_1y_2+x_2y_1\)
- \(2x_1y_1+x_1y_2+x_2y_1+x_2y_2\)
- \(x_1y_1+x_1y_2+x_2y_1+x_2y_2\)
Réponse C.
Pour la forme retenue, \(\varphi(x,x)=x_1^2+(x_1+x_2)^2\), qui est positif et ne s’annule que si \(x=0\). En revanche, \(x_1y_1-x_2y_2\) donne \(-1\) pour \(x=(0,1)\). De même, \(x_1y_2+x_2y_1\) donne \(-2\) pour \(x=(1,-1)\). Enfin, la dernière forme vaut \((x_1+x_2)^2\) : elle est positive, mais pas définie, puisqu’elle s’annule en \((1,-1)\).
Question 2
On munit l’espace des fonctions continues sur \([0,1]\) du produit scalaire intégral : \(\langle f,g\rangle\) est l’intégrale de \(fg\) sur \([0,1]\). Quelle est la norme de la fonction \(t\mapsto t\) ?
- \(\frac{1}{\sqrt{3}}\)
- \(\frac{1}{3}\)
- \(\frac{1}{2}\)
- \(\frac{1}{\sqrt{2}}\)
Réponse A.
Par définition, le carré de la norme est l’intégrale de \(t^2\) sur \([0,1]\), soit \(\frac{1}{3}\). La norme est donc \(\frac{1}{\sqrt{3}}\). La réponse \(\frac{1}{3}\) oublie la racine carrée. La réponse \(\frac{1}{2}\) intègre \(t\) au lieu de \(t^2\), ce qui revient à calculer le produit scalaire avec la fonction constante \(1\). Enfin, \(\frac{1}{\sqrt{2}}\) prend la racine de cette même valeur erronée.
Question 3
Dans un espace préhilbertien réel, on sait que \(\|x\|=3\), \(\|y\|=2\) et \(\|x+y\|=4\). Que vaut \(\langle x,y\rangle\) ?
- \(3\)
- \(\frac{7}{2}\)
- \(\frac{3}{2}\)
- \(-\frac{3}{2}\)
Réponse C.
En développant le carré de \(\|x+y\|\), on trouve \(16=9+4+2\langle x,y\rangle\). Le produit scalaire vaut donc \(\frac{3}{2}\). La réponse \(3\) oublie le facteur \(2\) du double produit. La réponse \(\frac{7}{2}\) ne retranche pas \(\|y\|^2\). Enfin, \(-\frac{3}{2}\) utilise la formule de \(\|x-y\|^2\), où le double produit change de signe.
Question 4
Quel est le maximum de \(a+2b+2c\) lorsque les réels \(a,b,c\) vérifient \(a^2+b^2+c^2=1\) ?
- \(3\)
- \(5\)
- \(9\)
- \(1\)
Réponse A.
L’expression est le produit scalaire canonique de \((1,2,2)\) et \((a,b,c)\). Cauchy-Schwarz la majore donc par \(\sqrt{1+4+4}\times1=3\). Le cas d’égalité, avec des vecteurs positivement colinéaires, donne \((a,b,c)=\frac{1}{3}(1,2,2)\) : le majorant est atteint. La réponse \(5\) additionne les coefficients. La réponse \(9\) oublie la racine carrée. Enfin, \(1\) recopie la contrainte.
Question 5
Dans \(\mathbb{R}^3\) euclidien canonique, \(F\) est le plan engendré par \((1,2,0)\) et \((0,1,-1)\). Quel est son orthogonal ?
- \(\operatorname{Vect}\big((1,1,1)\big)\)
- \(\operatorname{Vect}\big((-2,1,1)\big)\)
- \(\operatorname{Vect}\big((2,-1,0)\big)\)
- Le plan d’équation \(2x-y-z=0\)
Réponse B.
Un vecteur \((x,y,z)\) est orthogonal à \(F\) si \(x+2y=0\) et \(y-z=0\). On obtient donc \((-2y,y,y)\), d’où une droite dirigée par \((-2,1,1)\). Le vecteur \((1,1,1)\) n’est orthogonal qu’au second générateur. À l’inverse, \((2,-1,0)\) n’est orthogonal qu’au premier. Enfin, le plan \(2x-y-z=0\) contient les deux générateurs : c’est \(F\) lui-même, confondu ici avec son orthogonal.
Question 6
Soit \(A\) une partie quelconque d’un espace préhilbertien réel \(E\). Quelle affirmation est toujours vraie ?
- \(A\) et \(A^{\perp}\) sont toujours supplémentaires dans \(E\)
- \(A^{\perp}\) est un sous-espace vectoriel de \(E\)
- \((A^{\perp})^{\perp}\) est toujours égal à \(A\)
- si \(A\subset B\), alors \(A^{\perp}\) est inclus dans \(B^{\perp}\)
Réponse B.
L’orthogonal est une intersection de noyaux de formes linéaires \(y\mapsto\langle a,y\rangle\) : c’est donc toujours un sous-espace. En revanche, si \(A\) n’est pas un sous-espace, parler de supplémentaires n’a pas de sens, et \((A^{\perp})^{\perp}\) vaut \(\operatorname{Vect}(A)\) en dimension finie. Par ailleurs, l’inclusion s’inverse : agrandir la partie impose plus de conditions, donc c’est \(B^{\perp}\) qui est inclus dans \(A^{\perp}\).
Question 7
Soit \((e_1,e_2,e_3)\) une famille orthonormée et \(x=2e_1-3e_2+6e_3\). Que vaut \(\|x\|\) ?
- \(49\)
- \(5\)
- \(11\)
- \(7\)
Réponse D.
Comme la famille est orthonormée, les trois termes de \(x\) sont orthogonaux entre eux. Par Pythagore, on a alors \(\|x\|^2=4+9+36=49\), d’où \(\|x\|=7\). La réponse \(49\) s’arrête au carré de la norme. La réponse \(5\) additionne les coordonnées avec leur signe, comme si la norme était linéaire. Enfin, \(11\) additionne leurs valeurs absolues, ce qui donne une autre norme que la norme euclidienne.
Question 8
On applique le procédé de Gram-Schmidt à \(u_1=(1,1,0)\) puis \(u_2=(1,0,1)\) dans \(\mathbb{R}^3\) canonique. Quel est le deuxième vecteur \(e_2\) obtenu ?
- \(\frac{1}{\sqrt{2}}(1,0,1)\)
- \(\frac{1}{\sqrt{14}}(3,1,2)\)
- \(\frac{1}{\sqrt{6}}(1,-1,2)\)
- \(\frac{1}{\sqrt{3}}(1,-1,2)\)
Réponse C.
Le vecteur \(e_1\) est \(u_1\) divisé par \(\sqrt{2}\). On retire ensuite à \(u_2\) sa composante selon \(e_1\), égale à \(\frac{1}{2}(1,1,0)\). Il reste \(\frac{1}{2}(1,-1,2)\), qu’on normalise. La réponse \(\frac{1}{\sqrt{2}}(1,0,1)\) normalise \(u_2\) sans l’orthogonaliser. Le vecteur \((3,1,2)\) ajoute la composante au lieu de la retrancher. Enfin, le facteur \(\frac{1}{\sqrt{3}}\) se trompe sur la norme, puisque \(1+1+4=6\).
Question 9
On munit \(\mathbb{R}_1[X]\) du produit scalaire intégral sur \([0,1]\), puis on orthonormalise la base \((1,X)\). Quel polynôme obtient-on en second ?
- \(2X-1\)
- \(\sqrt{3}\,X\)
- \(\sqrt{6}\,(2X-1)\)
- \(\sqrt{3}\,(2X-1)\)
Réponse D.
Le premier vecteur est \(1\), déjà unitaire. On retire à \(X\) sa composante \(\langle X,1\rangle=\frac{1}{2}\), ce qui donne \(X-\frac{1}{2}\). Or \(\int_0^1\left(t-\frac{1}{2}\right)^2\mathrm{d}t=\frac{1}{12}\), donc on multiplie par \(\sqrt{12}=2\sqrt{3}\). La réponse \(2X-1\) est orthogonale à \(1\) mais pas unitaire. La réponse \(\sqrt{3}\,X\) normalise \(X\) sans l’orthogonaliser. Enfin, \(\sqrt{6}\) provient d’une erreur sur l’intégrale.
Question 10
Dans \(\mathbb{R}^3\) muni du produit scalaire usuel, soit \(P\) le plan \(x+y+z=0\). Quel vecteur de \(P\) est la projection orthogonale de \(v=(1,2,3)\) ?
- \((2,\,2,\,2)\)
- \((-1,\,0,\,1)\)
- \((-5,\,-4,\,-3)\)
- \((3,\,4,\,5)\)
Réponse B.
Le vecteur \(n=(1,1,1)\) est normal à \(P\). On retire à \(v\) sa composante selon \(n\), soit \(\frac{\langle v,n\rangle}{\|n\|^2}n=\frac{6}{3}n=(2,2,2)\). Il reste \((-1,0,1)\), qui vérifie bien l’équation du plan. La réponse \((2,2,2)\) est le projeté sur la normale, et non sur le plan. Le vecteur \((-5,-4,-3)\) oublie de diviser par \(\|n\|^2\). Enfin, \((3,4,5)\) ajoute la composante au lieu de la retrancher.
Question 11
Avec les mêmes données, quelle est la distance de \(v=(1,2,3)\) au plan \(P\) d’équation \(x+y+z=0\) ?
- \(6\)
- \(2\)
- \(12\)
- \(2\sqrt{3}\)
Réponse D.
La distance est la norme de \(v-p(v)\), c’est-à-dire de \((2,2,2)\). On obtient donc \(\sqrt{12}=2\sqrt{3}\). De façon équivalente, la formule \(\frac{|\langle v,n\rangle|}{\|n\|}\) donne \(\frac{6}{\sqrt{3}}\). La valeur \(6\) néglige la division par \(\|n\|\). La réponse \(2\) divise par \(\|n\|^2\) au lieu de \(\|n\|\). Enfin, \(12\) est le carré de la distance.
Question 12
Pour quel couple \((a,b)\) l’intégrale \(\int_0^1\big(t^2-at-b\big)^2\,\mathrm{d}t\) est-elle minimale ?
- \(\left(1,\,-\frac{1}{6}\right)\)
- \(\left(1,\,\frac{1}{6}\right)\)
- \(\left(\frac{3}{4},\,0\right)\)
- \(\left(0,\,\frac{1}{3}\right)\)
Réponse A.
Le minimum est atteint pour le projeté orthogonal de \(t^2\) sur \(\mathbb{R}_1[X]\). On écrit donc que \(t^2-at-b\) est orthogonal à \(1\) et à \(t\) : \(\frac{a}{2}+b=\frac{1}{3}\) et \(\frac{a}{3}+\frac{b}{2}=\frac{1}{4}\). Par conséquent, \(a=1\) et \(b=-\frac{1}{6}\). Le couple avec \(+\frac{1}{6}\) se trompe de signe. Enfin, \(\left(\frac{3}{4},0\right)\) et \(\left(0,\frac{1}{3}\right)\) n’utilisent chacun qu’une seule condition d’orthogonalité.
Pour aller plus loin
- Revoir la leçon : cours de maths sup (MPSI) sur produit scalaire et Gram-Schmidt
- S’exercer : exercices corrigés sur produit scalaire et Gram-Schmidt
- QCM précédent : QCM : Variables aléatoires finies en maths sup (MPSI)
- QCM suivant : QCM : Dérivées partielles et gradient en maths sup (MPSI)
- Tous les chapitres : le sommaire de maths sup (MPSI)
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