Orthogonalité, bases orthonormées et procédé de Gram-Schmidt
50 min15 exercicesSéquence 2.2 — Licence 2
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Orthogonalité, bases orthonormées et procédé de Gram-Schmidt
1. Vecteurs orthogonaux et familles orthogonales
Dans un espace euclidien E, deux vecteurs x,y sont orthogonaux si ⟨x,y⟩=0, ce que l'on note x⊥y. Une famille (e1,…,ep) de vecteurs est dite orthogonale si les vecteurs sont deux à deux orthogonaux et tous non nuls :
∀i=j,⟨ei,ej⟩=0
Elle est dite orthonormée (ou orthonormale) si, de plus, chaque vecteur est de norme 1 :
⟨ei,ej⟩=δij={10si i=jsi i=j
Théorème : toute famille orthogonale (de vecteurs non nuls) est libre.
Démonstration : soit (e1,…,ep) orthogonale et λ1e1+⋯+λpep=0. En prenant le produit scalaire avec ei :
Les termes croisés ⟨xk,xl⟩ pour k=l sont tous nuls par orthogonalité, donc seule reste la somme des ∥xk∥2. □
Pour p=2, c'est le théorème de Pythagore usuel : ∥x+y∥2=∥x∥2+∥y∥2 lorsque x⊥y.
3. Coordonnées dans une base orthonormée
Propriété clé : si (e1,…,en) est une base orthonormée de E (de dimension n), alors pour tout x∈E :
x=i=1∑n⟨x,ei⟩eiet∥x∥2=i=1∑n⟨x,ei⟩2
C'est-à-dire que la i-ème coordonnée de x dans cette base est simplement ⟨x,ei⟩ — il n'y a pas besoin de résoudre un système linéaire, contrairement à une base quelconque. Cette simplicité est la principale motivation pour construire des bases orthonormées.
4. Le procédé de Gram-Schmidt : principe
Théorème (Gram-Schmidt) : soit (v1,…,vp) une famille libre de E. Il existe une famille orthogonale (u1,…,up) telle que, pour tout k∈{1,…,p}, vect(u1,…,uk)=vect(v1,…,vk). En normalisant chaque uk, on obtient une famille orthonormée (e1,…,ep) engendrant les mêmes sous-espaces emboîtés.
Construction (algorithme) : on pose u1=v1, puis pour k=2,…,p :
uk=vk−i=1∑k−1∥ui∥2⟨vk,ui⟩ui
c'est-à-dire que l'on soustrait à vk sa projection orthogonale sur vect(u1,…,uk−1) (notion détaillée dans la leçon suivante). Le vecteur uk ainsi obtenu est orthogonal à u1,…,uk−1, et non nul puisque (v1,…,vk) est libre. On normalise ensuite : ek=uk/∥uk∥.
5. Exemple résolu complet
Orthonormalisons par Gram-Schmidt la base v1=(1,1,0), v2=(1,0,1), v3=(0,1,1) de R3 (produit scalaire canonique).
Étape 1 :u1=v1=(1,1,0), avec ∥u1∥2=1+1+0=2.
Étape 2 : on calcule ⟨v2,u1⟩=1×1+0×1+1×0=1. Le coefficient de projection est ∥u1∥2⟨v2,u1⟩=21. Donc :
u2=v2−21u1=(1,0,1)−21(1,1,0)=(21,−21,1)
On vérifie ⟨u2,u1⟩=21×1+(−21)×1+1×0=21−21=0 : orthogonal, comme attendu. On a ∥u2∥2=41+41+1=23.
Étape 3 : on calcule ⟨v3,u1⟩=0×1+1×1+1×0=1 et ⟨v3,u2⟩=0×21+1×(−21)+1×1=−21+1=21. Les coefficients sont 21 (pour u1, ∥u1∥2=2) et 3/21/2=31 (pour u2). Donc :
On vérifie ⟨u3,u1⟩=−32+32+0=0 et ⟨u3,u2⟩=−31+(−31)+32=0 : les trois vecteurs sont bien deux à deux orthogonaux. On a ∥u3∥2=94+94+94=912=34.
Normalisation : la base orthonormée obtenue est e1=21(1,1,0), e2=3/21(21,−21,1), e3=4/31(−32,32,32).
6. Existence de bases orthonormées
Corollaire : tout espace euclidien de dimension finie n≥1 possède une base orthonormée. En effet, il suffit de partir d'une base quelconque (qui existe toujours en dimension finie) et de lui appliquer le procédé de Gram-Schmidt.
Théorème de la base orthonormée incomplète : toute famille orthonormée d'un espace euclidien peut être complétée en une base orthonormée de l'espace tout entier.
7. Sous-espaces orthogonaux et orthogonal d'un sous-espace
Soit F un sous-espace vectoriel de E. L'orthogonal de F, noté F⊥, est l'ensemble des vecteurs orthogonaux à tous les éléments de F :
F⊥={x∈E:∀y∈F,⟨x,y⟩=0}
F⊥ est lui-même un sous-espace vectoriel de E (intersection de noyaux des formes linéaires y↦⟨x,y⟩... plus directement : combinaison linéaire de vecteurs orthogonaux à F reste orthogonale à F par bilinéarité).
Théorème (supplémentaire orthogonal) : si E est de dimension finie n et F un sous-espace de dimension p, alors :
E=F⊕F⊥etdimF⊥=n−p
Démonstration (existence de la somme directe) :F∩F⊥={0} car si x∈F∩F⊥, alors x est orthogonal à lui-même : ⟨x,x⟩=0, donc x=0 par séparation. Pour montrer que F+F⊥=E, on complète une base orthonormée (e1,…,ep) de F (obtenue par Gram-Schmidt) en une base orthonormée (e1,…,en) de E ; alors vect(ep+1,…,en)⊂F⊥ et tout x∈E se décompose selon cette base, donnant x=xF+xF⊥.
On en déduit également (F⊥)⊥=F.
8. Synthèse
Le procédé de Gram-Schmidt transforme algorithmiquement n'importe quelle base en une base orthonormée, sans changer les sous-espaces engendrés à chaque étape. Cette construction garantit l'existence de bases orthonormées en dimension finie et permet de décomposer tout espace euclidien en somme directe orthogonale E=F⊕F⊥. Ces résultats sont la clé de la leçon suivante, consacrée aux projections orthogonales.
Exercices
Soit u1=(1,0,0) et u2=(0,1,0) dans R3. La famille (u1,u2) est-elle orthonormée ?
Soit x=(3,4) et y=(2,1) tels que x⊥y′ avec y′=(4,−3). Vérifier : ⟨x,y′⟩ vaut :
Vrai ou faux : toute famille orthogonale de vecteurs non nuls est libre.
Si x⊥y avec ∥x∥=3 et ∥y∥=4, que vaut ∥x+y∥ ?
Dans le procédé de Gram-Schmidt appliqué à (v1,v2), comment définit-on u2 ?
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