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Licence 2 · Espaces euclidiens et produit scalaire

Orthogonalité, bases orthonormées et procédé de Gram-Schmidt

Orthogonalité, bases orthonormées et procédé de Gram-Schmidt

1. Vecteurs orthogonaux et familles orthogonales

Dans un espace euclidien EE, deux vecteurs x,yx,y sont orthogonaux si x,y=0\langle x,y\rangle = 0, ce que l'on note xyx \perp y. Une famille (e1,,ep)(e_1,\dots,e_p) de vecteurs est dite orthogonale si les vecteurs sont deux à deux orthogonaux et tous non nuls :

ij,ei,ej=0\forall i \neq j, \quad \langle e_i,e_j\rangle = 0

Elle est dite orthonormée (ou orthonormale) si, de plus, chaque vecteur est de norme 11 :

ei,ej=δij={1si i=j0si ij\langle e_i,e_j\rangle = \delta_{ij} = \begin{cases} 1 & \text{si } i=j \\ 0 & \text{si } i \neq j \end{cases}

Théorème : toute famille orthogonale (de vecteurs non nuls) est libre.

Démonstration : soit (e1,,ep)(e_1,\dots,e_p) orthogonale et λ1e1++λpep=0\lambda_1 e_1 + \cdots + \lambda_p e_p = 0. En prenant le produit scalaire avec eie_i :

k=1pλkek,ei=k=1pλkek,ei=λiei2=0,ei=0\left\langle \sum_{k=1}^p \lambda_k e_k,\, e_i \right\rangle = \sum_{k=1}^p \lambda_k \langle e_k,e_i\rangle = \lambda_i \|e_i\|^2 = \langle 0,e_i\rangle = 0

Comme ei0e_i \neq 0, on a ei20\|e_i\|^2 \neq 0, donc λi=0\lambda_i = 0. Ceci pour tout ii, donc la famille est libre. \square

2. Théorème de Pythagore généralisé

Théorème : si x1,,xpx_1,\dots,x_p sont deux à deux orthogonaux, alors

k=1pxk2=k=1pxk2\left\| \sum_{k=1}^p x_k \right\|^2 = \sum_{k=1}^p \|x_k\|^2

Démonstration : en développant par bilinéarité,

kxk2=klxk,xl=kxk2+klxk,xl\left\|\sum_k x_k\right\|^2 = \sum_{k} \sum_{l} \langle x_k, x_l \rangle = \sum_k \|x_k\|^2 + \sum_{k \neq l} \langle x_k,x_l\rangle

Les termes croisés xk,xl\langle x_k,x_l\rangle pour klk \neq l sont tous nuls par orthogonalité, donc seule reste la somme des xk2\|x_k\|^2. \square

Pour p=2p=2, c'est le théorème de Pythagore usuel : x+y2=x2+y2\|x+y\|^2 = \|x\|^2+\|y\|^2 lorsque xyx \perp y.

3. Coordonnées dans une base orthonormée

Propriété clé : si (e1,,en)(e_1,\dots,e_n) est une base orthonormée de EE (de dimension nn), alors pour tout xEx \in E :

x=i=1nx,eieietx2=i=1nx,ei2x = \sum_{i=1}^n \langle x,e_i\rangle \, e_i \qquad \text{et} \qquad \|x\|^2 = \sum_{i=1}^n \langle x,e_i\rangle^2

C'est-à-dire que la ii-ème coordonnée de xx dans cette base est simplement x,ei\langle x,e_i\rangle — 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)(v_1,\dots,v_p) une famille libre de EE. Il existe une famille orthogonale (u1,,up)(u_1,\dots,u_p) telle que, pour tout k{1,,p}k \in \{1,\dots,p\}, vect(u1,,uk)=vect(v1,,vk)\mathrm{vect}(u_1,\dots,u_k) = \mathrm{vect}(v_1,\dots,v_k). En normalisant chaque uku_k, on obtient une famille orthonormée (e1,,ep)(e_1,\dots,e_p) engendrant les mêmes sous-espaces emboîtés.

Construction (algorithme) : on pose u1=v1u_1 = v_1, puis pour k=2,,pk = 2,\dots,p :

uk=vki=1k1vk,uiui2uiu_k = v_k - \sum_{i=1}^{k-1} \frac{\langle v_k, u_i\rangle}{\|u_i\|^2}\, u_i

c'est-à-dire que l'on soustrait à vkv_k sa projection orthogonale sur vect(u1,,uk1)\mathrm{vect}(u_1,\dots,u_{k-1}) (notion détaillée dans la leçon suivante). Le vecteur uku_k ainsi obtenu est orthogonal à u1,,uk1u_1,\dots,u_{k-1}, et non nul puisque (v1,,vk)(v_1,\dots,v_k) est libre. On normalise ensuite : ek=uk/uke_k = u_k / \|u_k\|.

5. Exemple résolu complet

Orthonormalisons par Gram-Schmidt la base v1=(1,1,0)v_1=(1,1,0), v2=(1,0,1)v_2=(1,0,1), v3=(0,1,1)v_3=(0,1,1) de R3\mathbb{R}^3 (produit scalaire canonique).

Étape 1 : u1=v1=(1,1,0)u_1 = v_1 = (1,1,0), avec u12=1+1+0=2\|u_1\|^2 = 1+1+0=2.

Étape 2 : on calcule v2,u1=1×1+0×1+1×0=1\langle v_2,u_1\rangle = 1\times1+0\times1+1\times0 = 1. Le coefficient de projection est v2,u1u12=12\dfrac{\langle v_2,u_1\rangle}{\|u_1\|^2} = \dfrac12. Donc :

u2=v212u1=(1,0,1)12(1,1,0)=(12,12,1)u_2 = v_2 - \frac12 u_1 = (1,0,1) - \frac12(1,1,0) = \left(\frac12,\,-\frac12,\,1\right)

On vérifie u2,u1=12×1+(12)×1+1×0=1212=0\langle u_2,u_1\rangle = \frac12\times1 + (-\frac12)\times1 + 1\times0 = \frac12-\frac12=0 : orthogonal, comme attendu. On a u22=14+14+1=32\|u_2\|^2 = \frac14+\frac14+1=\frac32.

Étape 3 : on calcule v3,u1=0×1+1×1+1×0=1\langle v_3,u_1\rangle = 0\times1+1\times1+1\times0=1 et v3,u2=0×12+1×(12)+1×1=12+1=12\langle v_3,u_2\rangle = 0\times\frac12+1\times(-\frac12)+1\times1 = -\frac12+1=\frac12. Les coefficients sont 12\dfrac{1}{2} (pour u1u_1, u12=2\|u_1\|^2=2) et 1/23/2=13\dfrac{1/2}{3/2}=\dfrac13 (pour u2u_2). Donc :

u3=v312u113u2=(0,1,1)12(1,1,0)13(12,12,1)=(23,23,23)u_3 = v_3 - \frac12 u_1 - \frac13 u_2 = (0,1,1) - \frac12(1,1,0) - \frac13\left(\frac12,-\frac12,1\right) = \left(-\frac23,\,\frac23,\,\frac23\right)

On vérifie u3,u1=23+23+0=0\langle u_3,u_1\rangle = -\frac23+\frac23+0=0 et u3,u2=13+(13)+23=0\langle u_3,u_2\rangle = -\frac13+(-\frac13)+\frac23 = 0 : les trois vecteurs sont bien deux à deux orthogonaux. On a u32=49+49+49=129=43\|u_3\|^2 = \frac49+\frac49+\frac49=\frac{12}{9}=\frac43.

Normalisation : la base orthonormée obtenue est e1=12(1,1,0)e_1 = \dfrac{1}{\sqrt2}(1,1,0), e2=13/2(12,12,1)e_2 = \dfrac{1}{\sqrt{3/2}}\left(\frac12,-\frac12,1\right), e3=14/3(23,23,23)e_3 = \dfrac{1}{\sqrt{4/3}}\left(-\frac23,\frac23,\frac23\right).

6. Existence de bases orthonormées

Corollaire : tout espace euclidien de dimension finie n1n \geq 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 FF un sous-espace vectoriel de EE. L'orthogonal de FF, noté FF^\perp, est l'ensemble des vecteurs orthogonaux à tous les éléments de FF :

F={xE  :  yF,  x,y=0}F^\perp = \{ x \in E \;:\; \forall y \in F,\; \langle x,y\rangle = 0\}

FF^\perp est lui-même un sous-espace vectoriel de EE (intersection de noyaux des formes linéaires yx,yy \mapsto \langle x,y\rangle... plus directement : combinaison linéaire de vecteurs orthogonaux à FF reste orthogonale à FF par bilinéarité).

Théorème (supplémentaire orthogonal) : si EE est de dimension finie nn et FF un sous-espace de dimension pp, alors :

E=FFetdimF=npE = F \oplus F^\perp \qquad \text{et} \qquad \dim F^\perp = n - p

Démonstration (existence de la somme directe) : FF={0}F \cap F^\perp = \{0\} car si xFFx \in F \cap F^\perp, alors xx est orthogonal à lui-même : x,x=0\langle x,x\rangle=0, donc x=0x=0 par séparation. Pour montrer que F+F=EF+F^\perp=E, on complète une base orthonormée (e1,,ep)(e_1,\dots,e_p) de FF (obtenue par Gram-Schmidt) en une base orthonormée (e1,,en)(e_1,\dots,e_n) de EE ; alors vect(ep+1,,en)F\mathrm{vect}(e_{p+1},\dots,e_n) \subset F^\perp et tout xEx \in E se décompose selon cette base, donnant x=xF+xFx = x_F + x_{F^\perp}.

On en déduit également (F)=F(F^\perp)^\perp = 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=FFE = F \oplus F^\perp. Ces résultats sont la clé de la leçon suivante, consacrée aux projections orthogonales.

Exercices de la leçon

Exercice 1

Soit u1=(1,0,0)u_1=(1,0,0) et u2=(0,1,0)u_2=(0,1,0) dans R3\mathbb{R}^3. La famille (u1,u2)(u_1,u_2) est-elle orthonormée ?

Corrigé

Vrai. u1,u2=0\langle u_1,u_2\rangle = 0 (orthogonaux) et u1=u2=1\|u_1\|=\|u_2\|=1 (normés). La famille est donc orthonormée.

Exercice 2

Soit x=(3,4)x=(3,4) et y=(2,1)y=(2,1) tels que xyx \perp y' avec y=(4,3)y'=(4,-3). Vérifier : x,y\langle x,y'\rangle vaut :

Corrigé

x,y=3×4+4×(3)=1212=0\langle x,y'\rangle = 3\times4+4\times(-3)=12-12=0. Les vecteurs sont bien orthogonaux.

Exercice 3

Vrai ou faux : toute famille orthogonale de vecteurs non nuls est libre.

Corrigé

Vrai. C'est un théorème du cours : en prenant le produit scalaire d'une combinaison linéaire nulle avec chaque vecteur eie_i de la famille, on obtient λiei2=0\lambda_i \|e_i\|^2=0, donc λi=0\lambda_i=0 car ei0e_i \neq 0.

Exercice 4

Si xyx \perp y avec x=3\|x\|=3 et y=4\|y\|=4, que vaut x+y\|x+y\| ?

Corrigé

Par le théorème de Pythagore généralisé (valable car xyx\perp y), x+y2=x2+y2=9+16=25\|x+y\|^2 = \|x\|^2+\|y\|^2 = 9+16=25, donc x+y=5\|x+y\|=5.

Exercice 5

Dans le procédé de Gram-Schmidt appliqué à (v1,v2)(v_1,v_2), comment définit-on u2u_2 ?

Corrigé

On soustrait à v2v_2 sa projection orthogonale sur u1u_1, donnée par v2,u1u12u1\dfrac{\langle v_2,u_1\rangle}{\|u_1\|^2}u_1, afin d'obtenir un vecteur orthogonal à u1u_1.

Exercice 6

On applique Gram-Schmidt à v1=(1,1,0)v_1=(1,1,0), v2=(1,0,1)v_2=(1,0,1). Que vaut u2u_2 ?

Corrigé

v2,u1=1×1+0×1+1×0=1\langle v_2,u_1\rangle = 1\times1+0\times1+1\times0=1, u12=2\|u_1\|^2=2, coefficient 12\frac12. Donc u2=(1,0,1)12(1,1,0)=(12,12,1)u_2 = (1,0,1) - \frac12(1,1,0) = \left(\frac12,-\frac12,1\right).

Exercice 7

Soit F=vect((1,0,0))F = \mathrm{vect}((1,0,0)) dans R3\mathbb{R}^3. Quelle est la dimension de FF^\perp ?

Corrigé

Comme E=R3E=\mathbb{R}^3 est de dimension 33 et dimF=1\dim F = 1, le théorème du supplémentaire orthogonal donne dimF=31=2\dim F^\perp = 3-1=2.

Exercice 8

Vrai ou faux : pour tout sous-espace FF d'un espace euclidien de dimension finie, (F)=F(F^\perp)^\perp = F.

Corrigé

Vrai, c'est une conséquence du théorème E=FFE = F \oplus F^\perp (valable en dimension finie) : appliqué deux fois, on retrouve FF.

Exercice 9

Dans une base orthonormée (e1,e2,e3)(e_1,e_2,e_3), soit xx tel que x,e1=2\langle x,e_1\rangle=2, x,e2=1\langle x,e_2\rangle=-1, x,e3=2\langle x,e_3\rangle=2. Que vaut x\|x\| ?

Corrigé

Dans une base orthonormée, x2=ix,ei2=22+(1)2+22=4+1+4=9\|x\|^2 = \sum_i \langle x,e_i\rangle^2 = 2^2+(-1)^2+2^2 = 4+1+4=9, donc x=3\|x\|=3.

Exercice 10

Vrai ou faux : la famille (1,1,0)/2(1,1,0)/\sqrt2 et (1,1,0)/2(1,-1,0)/\sqrt2 est une famille orthonormée de R3\mathbb{R}^3.

Corrigé

Vrai. Le produit scalaire des deux vecteurs non normalisés est 1×1+1×(1)+0×0=01\times1+1\times(-1)+0\times0=0 (orthogonaux), et chacun a pour norme 12+12+02=2\sqrt{1^2+1^2+0^2}=\sqrt2, donc après division par 2\sqrt2, chacun est de norme 11.

Exercice 11

Démontrer le théorème de Pythagore généralisé : si x1,,xpx_1,\dots,x_p sont deux à deux orthogonaux, alors kxk2=kxk2\left\|\sum_k x_k\right\|^2 = \sum_k \|x_k\|^2.

Corrigé

Preuve : par bilinéarité et symétrie du produit scalaire,

k=1pxk2=k=1pxk,l=1pxl=k=1pl=1pxk,xl\left\|\sum_{k=1}^p x_k\right\|^2 = \left\langle \sum_{k=1}^p x_k, \sum_{l=1}^p x_l \right\rangle = \sum_{k=1}^p \sum_{l=1}^p \langle x_k,x_l\rangle

On sépare les termes diagonaux (k=lk=l) des termes croisés (klk\neq l) :

=k=1pxk,xk+klxk,xl=k=1pxk2+klxk,xl= \sum_{k=1}^p \langle x_k,x_k\rangle + \sum_{k\neq l} \langle x_k,x_l\rangle = \sum_{k=1}^p \|x_k\|^2 + \sum_{k\neq l}\langle x_k,x_l\rangle

Par hypothèse, les xkx_k sont deux à deux orthogonaux, donc xk,xl=0\langle x_k,x_l\rangle = 0 pour tout klk \neq l. Tous les termes croisés s'annulent, et il reste :

k=1pxk2=k=1pxk2\left\|\sum_{k=1}^p x_k\right\|^2 = \sum_{k=1}^p \|x_k\|^2
\square

Exercice 12

On applique Gram-Schmidt à v1=(1,1,0)v_1=(1,1,0), v2=(1,0,1)v_2=(1,0,1), v3=(0,1,1)v_3=(0,1,1) dans R3\mathbb{R}^3. Que vaut u32\|u_3\|^2 après orthogonalisation (avant normalisation) ?

Corrigé

On a calculé u3=(23,23,23)u_3 = \left(-\dfrac23,\dfrac23,\dfrac23\right), donc u32=49+49+49=129=43\|u_3\|^2 = \dfrac49+\dfrac49+\dfrac49 = \dfrac{12}{9} = \dfrac43.

Exercice 13

Effectuer entièrement le procédé de Gram-Schmidt sur v1=(1,1,0)v_1=(1,1,0), v2=(1,0,1)v_2=(1,0,1), v3=(0,1,1)v_3=(0,1,1) dans R3\mathbb{R}^3 canonique, et donner la base orthonormée obtenue.

Corrigé

Étape 1 : u1=v1=(1,1,0)u_1=v_1=(1,1,0), u12=2\|u_1\|^2=2.

Étape 2 : v2,u1=1×1+0×1+1×0=1\langle v_2,u_1\rangle = 1\times1+0\times1+1\times0=1, coefficient 12\dfrac{1}{2}. u2=(1,0,1)12(1,1,0)=(12,12,1)u_2 = (1,0,1)-\dfrac12(1,1,0) = \left(\dfrac12,-\dfrac12,1\right), u22=14+14+1=32\|u_2\|^2=\dfrac14+\dfrac14+1=\dfrac32.

Étape 3 : v3,u1=0+1+0=1\langle v_3,u_1\rangle = 0+1+0=1 (coefficient 12\dfrac12), v3,u2=0×12+1×(12)+1×1=12\langle v_3,u_2\rangle = 0\times\frac12+1\times(-\frac12)+1\times1=\dfrac12 (coefficient 1/23/2=13\dfrac{1/2}{3/2}=\dfrac13). Donc u3=(0,1,1)12(1,1,0)13(12,12,1)=(23,23,23)u_3 = (0,1,1)-\dfrac12(1,1,0)-\dfrac13\left(\dfrac12,-\dfrac12,1\right) = \left(-\dfrac23,\dfrac23,\dfrac23\right), u32=43\|u_3\|^2=\dfrac43.

Vérification d'orthogonalité : u3,u1=23+23+0=0\langle u_3,u_1\rangle=-\frac23+\frac23+0=0 ; u3,u2=1313+23=0\langle u_3,u_2\rangle=-\frac13-\frac13+\frac23=0.

Base orthonormée :

e1=12(1,1,0),e2=23(12,12,1),e3=32(23,23,23)e_1=\frac{1}{\sqrt2}(1,1,0), \quad e_2=\sqrt{\frac23}\left(\frac12,-\frac12,1\right), \quad e_3=\frac{\sqrt3}{2}\left(-\frac23,\frac23,\frac23\right)
\square

Exercice 14

Soit FF un sous-espace de dimension 22 d'un espace euclidien EE de dimension 55. Que vaut dimF\dim F^\perp ?

Corrigé

Par le théorème dimF=dimEdimF=52=3\dim F^\perp = \dim E - \dim F = 5-2=3.

Exercice 15

Démontrer que FF={0}F \cap F^\perp = \{0\} pour tout sous-espace FF d'un espace euclidien EE.

Corrigé

Preuve : soit xFFx \in F \cap F^\perp. Comme xFx \in F^\perp, xx est orthogonal à tout élément de FF : yF,x,y=0\forall y \in F,\, \langle x,y\rangle=0. Or xFx \in F également, donc on peut choisir y=xy=x dans cette propriété :

x,x=0\langle x,x\rangle = 0

Par l'axiome de séparation du produit scalaire, x,x=0x=0\langle x,x\rangle=0 \Rightarrow x=0. Donc FF{0}F \cap F^\perp \subset \{0\}, et comme 0FF0 \in F \cap F^\perp trivialement (les deux sont des sous-espaces vectoriels), on conclut FF={0}F \cap F^\perp = \{0\}. \square

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