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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 , deux vecteurs sont orthogonaux si , ce que l'on note . Une famille de vecteurs est dite orthogonale si les vecteurs sont deux à deux orthogonaux et tous non nuls :
Elle est dite orthonormée (ou orthonormale) si, de plus, chaque vecteur est de norme :
Théorème : toute famille orthogonale (de vecteurs non nuls) est libre.
Démonstration : soit orthogonale et . En prenant le produit scalaire avec :
Comme , on a , donc . Ceci pour tout , donc la famille est libre.
2. Théorème de Pythagore généralisé
Théorème : si sont deux à deux orthogonaux, alors
Démonstration : en développant par bilinéarité,
Les termes croisés pour sont tous nuls par orthogonalité, donc seule reste la somme des .
Pour , c'est le théorème de Pythagore usuel : lorsque .
3. Coordonnées dans une base orthonormée
Propriété clé : si est une base orthonormée de (de dimension ), alors pour tout :
C'est-à-dire que la -ème coordonnée de dans cette base est simplement — 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 une famille libre de . Il existe une famille orthogonale telle que, pour tout , . En normalisant chaque , on obtient une famille orthonormée engendrant les mêmes sous-espaces emboîtés.
Construction (algorithme) : on pose , puis pour :
c'est-à-dire que l'on soustrait à sa projection orthogonale sur (notion détaillée dans la leçon suivante). Le vecteur ainsi obtenu est orthogonal à , et non nul puisque est libre. On normalise ensuite : .
5. Exemple résolu complet
Orthonormalisons par Gram-Schmidt la base , , de (produit scalaire canonique).
Étape 1 : , avec .
Étape 2 : on calcule . Le coefficient de projection est . Donc :
On vérifie : orthogonal, comme attendu. On a .
Étape 3 : on calcule et . Les coefficients sont (pour , ) et (pour ). Donc :
On vérifie et : les trois vecteurs sont bien deux à deux orthogonaux. On a .
Normalisation : la base orthonormée obtenue est , , .
6. Existence de bases orthonormées
Corollaire : tout espace euclidien de dimension finie 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 un sous-espace vectoriel de . L'orthogonal de , noté , est l'ensemble des vecteurs orthogonaux à tous les éléments de :
est lui-même un sous-espace vectoriel de (intersection de noyaux des formes linéaires ... plus directement : combinaison linéaire de vecteurs orthogonaux à reste orthogonale à par bilinéarité).
Théorème (supplémentaire orthogonal) : si est de dimension finie et un sous-espace de dimension , alors :
Démonstration (existence de la somme directe) : car si , alors est orthogonal à lui-même : , donc par séparation. Pour montrer que , on complète une base orthonormée de (obtenue par Gram-Schmidt) en une base orthonormée de ; alors et tout se décompose selon cette base, donnant .
On en déduit également .
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 . Ces résultats sont la clé de la leçon suivante, consacrée aux projections orthogonales.
Exercices de la leçon
Exercice 1
Soit et dans . La famille est-elle orthonormée ?
Corrigé
Vrai. (orthogonaux) et (normés). La famille est donc orthonormée.
Exercice 2
Soit et tels que avec . Vérifier : vaut :
Corrigé
. 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 de la famille, on obtient , donc car .
Exercice 4
Si avec et , que vaut ?
Corrigé
Par le théorème de Pythagore généralisé (valable car ), , donc .
Exercice 5
Dans le procédé de Gram-Schmidt appliqué à , comment définit-on ?
Corrigé
On soustrait à sa projection orthogonale sur , donnée par , afin d'obtenir un vecteur orthogonal à .
Exercice 6
On applique Gram-Schmidt à , . Que vaut ?
Corrigé
, , coefficient . Donc .
Exercice 7
Soit dans . Quelle est la dimension de ?
Corrigé
Comme est de dimension et , le théorème du supplémentaire orthogonal donne .
Exercice 8
Vrai ou faux : pour tout sous-espace d'un espace euclidien de dimension finie, .
Corrigé
Vrai, c'est une conséquence du théorème (valable en dimension finie) : appliqué deux fois, on retrouve .
Exercice 9
Dans une base orthonormée , soit tel que , , . Que vaut ?
Corrigé
Dans une base orthonormée, , donc .
Exercice 10
Vrai ou faux : la famille et est une famille orthonormée de .
Corrigé
Vrai. Le produit scalaire des deux vecteurs non normalisés est (orthogonaux), et chacun a pour norme , donc après division par , chacun est de norme .
Exercice 11
Démontrer le théorème de Pythagore généralisé : si sont deux à deux orthogonaux, alors .
Corrigé
Preuve : par bilinéarité et symétrie du produit scalaire,
On sépare les termes diagonaux () des termes croisés () :
Par hypothèse, les sont deux à deux orthogonaux, donc pour tout . Tous les termes croisés s'annulent, et il reste :
Exercice 12
On applique Gram-Schmidt à , , dans . Que vaut après orthogonalisation (avant normalisation) ?
Corrigé
On a calculé , donc .
Exercice 13
Effectuer entièrement le procédé de Gram-Schmidt sur , , dans canonique, et donner la base orthonormée obtenue.
Corrigé
Étape 1 : , .
Étape 2 : , coefficient . , .
Étape 3 : (coefficient ), (coefficient ). Donc , .
Vérification d'orthogonalité : ; .
Base orthonormée :
Exercice 14
Soit un sous-espace de dimension d'un espace euclidien de dimension . Que vaut ?
Corrigé
Par le théorème .
Exercice 15
Démontrer que pour tout sous-espace d'un espace euclidien .
Corrigé
Preuve : soit . Comme , est orthogonal à tout élément de : . Or également, donc on peut choisir dans cette propriété :
Par l'axiome de séparation du produit scalaire, . Donc , et comme trivialement (les deux sont des sous-espaces vectoriels), on conclut .
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