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Licence 2 · Espaces euclidiens et produit scalaire

Projections orthogonales, matrices orthogonales et isométries

Projections orthogonales, matrices orthogonales et isométries

1. Définition de la projection orthogonale sur un sous-espace

Soit EE un espace euclidien de dimension finie et FF un sous-espace de EE. D'après le théorème du supplémentaire orthogonal, E=F⊕F⊥E = F \oplus F^\perp, donc tout x∈Ex \in E s'écrit de façon unique x=xF+xF⊥x = x_F + x_{F^\perp} avec xF∈Fx_F \in F et xF⊥∈F⊥x_{F^\perp} \in F^\perp. Le vecteur xFx_F est appelé projection orthogonale de xx sur FF, notée pF(x)p_F(x).

Formule pratique : si (e1,…,ep)(e_1,\dots,e_p) est une base orthonormée de FF, alors :

pF(x)=∑i=1p⟨x,ei⟩ eip_F(x) = \sum_{i=1}^{p} \langle x,e_i\rangle\, e_i

Si l'on dispose seulement d'une base orthogonale (non normée) (u1,…,up)(u_1,\dots,u_p) de FF, la formule devient :

pF(x)=∑i=1p⟨x,ui⟩∥ui∥2 uip_F(x) = \sum_{i=1}^{p} \frac{\langle x,u_i\rangle}{\|u_i\|^2}\, u_i

Cas d'une droite : si F=vect(a)F = \mathrm{vect}(a) avec a≠0a \neq 0, pF(x)=⟨x,a⟩∥a∥2 ap_F(x) = \dfrac{\langle x,a\rangle}{\|a\|^2}\, a.

2. Exemple résolu : projection sur une droite

Projetons x=(3,2,1)x=(3,2,1) sur la droite F=vect(a)F=\mathrm{vect}(a) avec a=(1,1,1)a=(1,1,1) dans R3\mathbb{R}^3 canonique.

On calcule ⟨x,a⟩=3+2+1=6\langle x,a\rangle = 3+2+1=6 et ∥a∥2=1+1+1=3\|a\|^2 = 1+1+1=3. Donc :

pF(x)=63 (1,1,1)=(2,2,2)p_F(x) = \frac{6}{3}\,(1,1,1) = (2,2,2)

Le résidu (composante orthogonale) est x−pF(x)=(3,2,1)−(2,2,2)=(1,0,−1)x - p_F(x) = (3,2,1)-(2,2,2) = (1,0,-1). On vérifie ⟨(1,0,−1),a⟩=1+0−1=0\langle (1,0,-1), a\rangle = 1+0-1=0 : le résidu est bien orthogonal à FF, ce qui confirme le calcul.

3. Exemple résolu : projection sur un plan

Projetons w=(2,−1,3)w=(2,-1,3) sur le plan H={(x,y,z):x+y+z=0}H = \{(x,y,z) : x+y+z=0\}, qui est l'orthogonal de la droite vect(a)\mathrm{vect}(a) avec a=(1,1,1)a=(1,1,1).

Méthode : H=(vect(a))⊥H = (\mathrm{vect}(a))^\perp, donc pH(w)=w−pvect(a)(w)p_H(w) = w - p_{\mathrm{vect}(a)}(w). On calcule ⟨w,a⟩=2−1+3=4\langle w,a\rangle = 2-1+3=4 et ∥a∥2=3\|a\|^2=3, donc pvect(a)(w)=43(1,1,1)p_{\mathrm{vect}(a)}(w) = \dfrac{4}{3}(1,1,1). Ainsi :

pH(w)=(2,−1,3)−43(1,1,1)=(23, −73, 53)p_H(w) = (2,-1,3) - \frac43(1,1,1) = \left(\frac23,\,-\frac73,\,\frac53\right)

Vérification : la somme des coordonnées de pH(w)p_H(w) vaut 23−73+53=2−7+53=0\dfrac23-\dfrac73+\dfrac53 = \dfrac{2-7+5}{3}=0 : le projeté appartient bien à HH.

4. Caractérisation par minimisation de la distance

Théorème : pour x∈Ex \in E et FF sous-espace de EE, le projeté pF(x)p_F(x) est l'unique point de FF qui minimise la distance à xx :

∥x−pF(x)∥=min⁡y∈F∥x−y∥\|x - p_F(x)\| = \min_{y \in F} \|x-y\|

Démonstration : pour tout y∈Fy \in F, écrivons x−y=(x−pF(x))+(pF(x)−y)x - y = (x-p_F(x)) + (p_F(x)-y). Le premier terme appartient à F⊥F^\perp (par définition de pF(x)p_F(x)) et le second à FF (différence de deux éléments de FF) : ces deux vecteurs sont donc orthogonaux. Par le théorème de Pythagore :

∥x−y∥2=∥x−pF(x)∥2+∥pF(x)−y∥2≥∥x−pF(x)∥2\|x-y\|^2 = \|x-p_F(x)\|^2 + \|p_F(x)-y\|^2 \geq \|x-p_F(x)\|^2

avec égalité si et seulement si ∥pF(x)−y∥=0\|p_F(x)-y\|=0, c'est-à-dire y=pF(x)y = p_F(x). □\square

Ce résultat est le principe de la méthode des moindres carrés : pour résoudre approximativement un système linéaire Ax=b{}Ax=b sans solution exacte, on cherche xx qui minimise ∥Ax−b∥\|Ax-b\|, ce qui revient à projeter bb orthogonalement sur l'image de AA.

5. Exemple résolu : moindres carrés en aperçu

Reprenons F=vect(e1,u2)F = \mathrm{vect}(e_1,u_2) avec e1=(1,1,0)e_1=(1,1,0) et u2=(12,−12,1)u_2 = \left(\frac12,-\frac12,1\right) (base orthogonale obtenue par Gram-Schmidt dans la leçon précédente), et projetons w=(1,2,3)w=(1,2,3) sur FF.

On calcule ⟨w,e1⟩=1+2+0=3\langle w,e_1\rangle = 1+2+0=3, ∥e1∥2=2\|e_1\|^2=2, coefficient 32\dfrac32. Puis ⟨w,u2⟩=12−1+3=52\langle w,u_2\rangle = \frac12 - 1 + 3 = \dfrac52, ∥u2∥2=32\|u_2\|^2=\dfrac32, coefficient 5/23/2=53\dfrac{5/2}{3/2}=\dfrac53. Donc :

pF(w)=32(1,1,0)+53(12,−12,1)=(73, 23, 53)p_F(w) = \frac32(1,1,0) + \frac53\left(\frac12,-\frac12,1\right) = \left(\frac73,\,\frac23,\,\frac53\right)

Le résidu est w−pF(w)=(13−43,… )w - p_F(w) = \left(\frac13-\frac43, \dots\right), plus précisément (1−73, 2−23, 3−53)=(−43, 43, 43)\left(1-\frac73,\, 2-\frac23,\, 3-\frac53\right) = \left(-\frac43,\,\frac43,\,\frac43\right), de norme au carré 169×3=163\dfrac{16}{9}\times3=\dfrac{16}{3}. Cette quantité ∥w−pF(w)∥2=163\|w-p_F(w)\|^2 = \dfrac{16}{3} est la distance au carré minimale de ww à FF.

6. Matrices orthogonales

Une matrice A∈Mn(R)A \in \mathcal{M}_n(\mathbb{R}) est dite orthogonale si tA A=In{}^tA\, A = I_n, ce qui équivaut à A tA=InA\,{}^tA = I_n et donc à A−1=tAA^{-1} = {}^tA.

Théorème : AA est orthogonale si et seulement si ses colonnes (vues comme vecteurs de Rn\mathbb{R}^n) forment une base orthonormée de Rn\mathbb{R}^n pour le produit scalaire canonique.

Conséquence sur le déterminant : si AA est orthogonale, det⁡(tA A)=det⁡(A)2=det⁡(In)=1\det({}^tA\,A) = \det(A)^2 = \det(I_n)=1, donc det⁡A=±1\det A = \pm1. On distingue les matrices orthogonales directes (det⁡A=1\det A = 1, rotations) des indirectes (det⁡A=−1\det A = -1, réflexions/symétries).

7. Propriétés : conservation du produit scalaire et des normes

Théorème : si AA est une matrice orthogonale, alors pour tous X,Y∈RnX,Y \in \mathbb{R}^n :

⟨AX,AY⟩=⟨X,Y⟩et∥AX∥=∥X∥\langle AX,AY\rangle = \langle X,Y\rangle \qquad \text{et} \qquad \|AX\| = \|X\|

Démonstration : ⟨AX,AY⟩=t(AX)(AY)=tX tA A Y=tX In Y=tX Y=⟨X,Y⟩\langle AX,AY\rangle = {}^t(AX)(AY) = {}^tX\,{}^tA\,A\,Y = {}^tX\,I_n\,Y = {}^tX\,Y = \langle X,Y\rangle. En prenant Y=XY=X, on obtient ∥AX∥2=∥X∥2\|AX\|^2 = \|X\|^2, soit ∥AX∥=∥X∥\|AX\|=\|X\|. □\square

Une application linéaire qui conserve le produit scalaire (ou, de façon équivalente, qui conserve les normes) est appelée isométrie vectorielle. Les matrices orthogonales sont exactement les matrices des isométries vectorielles de Rn\mathbb{R}^n exprimées dans une base orthonormée.

8. Exemples en dimension 2 : rotation et symétrie

Rotation d'angle θ\theta : la matrice Rθ=(cos⁡θ−sin⁡θsin⁡θcos⁡θ)R_\theta = \begin{pmatrix} \cos\theta & -\sin\theta \\ \sin\theta & \cos\theta \end{pmatrix} est orthogonale : on vérifie tRθRθ=I2{}^tR_\theta R_\theta = I_2 car cos⁡2θ+sin⁡2θ=1\cos^2\theta+\sin^2\theta=1. Son déterminant est cos⁡2θ+sin⁡2θ=1\cos^2\theta+\sin^2\theta=1 : c'est une isométrie directe.

Exemple numérique : pour θ=60°=π3\theta = 60° = \dfrac{\pi}{3}, cos⁡θ=12\cos\theta = \dfrac12 et sin⁡θ=32\sin\theta = \dfrac{\sqrt3}{2}, donc Rθ=(12−323212)R_\theta = \begin{pmatrix} \frac12 & -\frac{\sqrt3}{2} \\ \frac{\sqrt3}{2} & \frac12 \end{pmatrix}. Appliquée au vecteur (1,0)(1,0), elle donne (12,32)\left(\frac12, \frac{\sqrt3}{2}\right), qui est bien de norme 14+34=1\sqrt{\frac14+\frac34}=1 comme (1,0)(1,0).

Symétrie orthogonale par rapport à la droite y=xy=x : la matrice S=(0110)S = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} est orthogonale (tS S=S2=I2{}^tS\,S = S^2 = I_2 car SS échange les coordonnées deux fois de suite redonne l'identité). Son déterminant est 0×0−1×1=−10\times0-1\times1=-1 : c'est une isométrie indirecte.

9. Synthèse

La projection orthogonale sur un sous-espace FF réalise le meilleur compromis (au sens de la distance euclidienne) entre un vecteur quelconque et le sous-espace FF — c'est le principe fondateur des moindres carrés. Les matrices orthogonales, caractérisées par tAA=In{}^tA A = I_n, représentent exactement les isométries vectorielles : elles préservent à la fois le produit scalaire et les normes, et se classent en rotations (det⁡=1\det = 1) et réflexions (det⁡=−1\det = -1). Ces trois leçons forment ainsi un socle cohérent : produit scalaire →\to orthogonalité →\to projections et isométries, qui structure toute la géométrie euclidienne en dimension finie.

Exercices de la leçon

Exercice 1

Soit F=vect(a)F=\mathrm{vect}(a) avec a=(1,0,0)a=(1,0,0) dans R3\mathbb{R}^3. Que vaut pF(x)p_F(x) pour x=(5,3,2)x=(5,3,2) ?

Corrigé

pF(x)=⟨x,a⟩∥a∥2a=51(1,0,0)=(5,0,0)p_F(x) = \dfrac{\langle x,a\rangle}{\|a\|^2}a = \dfrac{5}{1}(1,0,0) = (5,0,0).

Exercice 2

Vrai ou faux : une matrice orthogonale AA vérifie A−1=tAA^{-1} = {}^tA.

Corrigé

Vrai. Par définition, tA A=In{}^tA\,A=I_n, ce qui signifie exactement que tA{}^tA est l'inverse de AA.

Exercice 3

Quel est le déterminant possible d'une matrice orthogonale A∈Mn(R)A \in \mathcal{M}_n(\mathbb{R}) ?

Corrigé

De tAA=In{}^tA A=I_n, on tire (det⁡A)2=det⁡(tA)det⁡A=det⁡(In)=1(\det A)^2 = \det({}^tA)\det A = \det(I_n)=1, donc det⁡A=±1\det A = \pm1.

Exercice 4

Vrai ou faux : la projection orthogonale pF(x)p_F(x) minimise la distance entre xx et les points de FF.

Corrigé

Vrai. C'est le théorème de caractérisation par minimisation : ∥x−pF(x)∥=min⁡y∈F∥x−y∥\|x-p_F(x)\| = \min_{y\in F}\|x-y\|, démontré via le théorème de Pythagore appliqué à x−y=(x−pF(x))+(pF(x)−y)x-y = (x-p_F(x))+(p_F(x)-y).

Exercice 5

Soit a=(1,1,1)a=(1,1,1) et x=(3,2,1)x=(3,2,1) dans R3\mathbb{R}^3. Que vaut pvect(a)(x)p_{\mathrm{vect}(a)}(x) ?

Corrigé

⟨x,a⟩=3+2+1=6\langle x,a\rangle = 3+2+1=6, ∥a∥2=3\|a\|^2=3, donc pvect(a)(x)=63(1,1,1)=(2,2,2)p_{\mathrm{vect}(a)}(x) = \dfrac63(1,1,1)=(2,2,2).

Exercice 6

Pour la rotation Rθ=(cos⁡θ−sin⁡θsin⁡θcos⁡θ)R_\theta = \begin{pmatrix}\cos\theta & -\sin\theta\\ \sin\theta&\cos\theta\end{pmatrix} avec θ=π3\theta=\dfrac{\pi}{3}, quelle est l'image du vecteur (1,0)(1,0) ?

Corrigé

Rθ(1,0)=(cos⁡θ,sin⁡θ)=(12,32)R_\theta(1,0) = (\cos\theta, \sin\theta) = \left(\dfrac12, \dfrac{\sqrt3}{2}\right) pour θ=π/3\theta=\pi/3.

Exercice 7

Vrai ou faux : une matrice orthogonale conserve toujours les normes mais pas nécessairement le produit scalaire.

Corrigé

Faux. Une matrice orthogonale conserve simultanément le produit scalaire (⟨AX,AY⟩=⟨X,Y⟩\langle AX,AY\rangle=\langle X,Y\rangle) et, par conséquent, les normes (∥AX∥=∥X∥\|AX\|=\|X\|) : la conservation des normes découle de celle du produit scalaire en prenant Y=XY=X.

Exercice 8

Soit S=(0110)S=\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}, la symétrie par rapport à la droite y=xy=x. Que vaut det⁡S\det S et qu'en déduit-on ?

Corrigé

det⁡S=0×0−1×1=−1\det S = 0\times0-1\times1=-1. Comme SS est orthogonale (tSS=S2=I2{}^tS S = S^2=I_2) avec déterminant −1-1, c'est une isométrie indirecte (réflexion).

Exercice 9

Soit H={(x,y,z):x+y+z=0}H=\{(x,y,z):x+y+z=0\} et w=(2,−1,3)w=(2,-1,3). Que vaut pH(w)p_H(w) ?

Corrigé

H=(vect(1,1,1))⊥H=(\mathrm{vect}(1,1,1))^\perp. On calcule ⟨w,(1,1,1)⟩=2−1+3=4\langle w,(1,1,1)\rangle=2-1+3=4, donc pvect(1,1,1)(w)=43(1,1,1)p_{\mathrm{vect}(1,1,1)}(w)=\dfrac43(1,1,1), puis pH(w)=w−43(1,1,1)=(23,−73,53)p_H(w)=w-\dfrac43(1,1,1)=\left(\dfrac23,-\dfrac73,\dfrac53\right).

Exercice 10

Vrai ou faux : si AA et BB sont deux matrices orthogonales de même taille, alors ABAB est aussi orthogonale.

Corrigé

Vrai. t(AB)(AB)=tB tA A B=tB In B=tBB=In{}^t(AB)(AB) = {}^tB\,{}^tA\,A\,B = {}^tB\,I_n\,B = {}^tB B = I_n : l'ensemble des matrices orthogonales forme un groupe pour la multiplication (le groupe orthogonal O(n)O(n)).

Exercice 11

Démontrer que si AA est une matrice orthogonale, alors ⟨AX,AY⟩=⟨X,Y⟩\langle AX,AY\rangle = \langle X,Y\rangle pour tous X,Y∈RnX,Y \in \mathbb{R}^n.

Corrigé

Preuve : en notant le produit scalaire canonique ⟨U,V⟩=tU V\langle U,V\rangle = {}^tU\,V, on a :

⟨AX,AY⟩=t(AX) (AY)=(tX tA)(AY)=tX (tA A) Y\langle AX,AY\rangle = {}^t(AX)\,(AY) = ({}^tX\,{}^tA)(AY) = {}^tX\,({}^tA\,A)\,Y

Car AA est orthogonale, tA A=In{}^tA\,A = I_n, donc :
⟨AX,AY⟩=tX In Y=tX Y=⟨X,Y⟩\langle AX,AY\rangle = {}^tX\,I_n\,Y = {}^tX\,Y = \langle X,Y\rangle
□\square

En particulier, en prenant Y=XY=X, on obtient ∥AX∥2=⟨AX,AX⟩=⟨X,X⟩=∥X∥2\|AX\|^2=\langle AX,AX\rangle=\langle X,X\rangle=\|X\|^2, donc ∥AX∥=∥X∥\|AX\|=\|X\| : les matrices orthogonales conservent aussi les normes.

Exercice 12

Soit F=vect(e1,u2)F=\mathrm{vect}(e_1,u_2) avec e1=(1,1,0)e_1=(1,1,0), u2=(12,−12,1)u_2=\left(\frac12,-\frac12,1\right) (orthogonaux) et w=(1,2,3)w=(1,2,3). Que vaut pF(w)p_F(w) ?

Corrigé

Coefficient sur e1e_1 : ⟨w,e1⟩∥e1∥2=32\dfrac{\langle w,e_1\rangle}{\|e_1\|^2}=\dfrac{3}{2}. Coefficient sur u2u_2 : ⟨w,u2⟩∥u2∥2=5/23/2=53\dfrac{\langle w,u_2\rangle}{\|u_2\|^2}=\dfrac{5/2}{3/2}=\dfrac53. Donc pF(w)=32(1,1,0)+53(12,−12,1)=(73,23,53)p_F(w)=\dfrac32(1,1,0)+\dfrac53\left(\dfrac12,-\dfrac12,1\right)=\left(\dfrac73,\dfrac23,\dfrac53\right).

Exercice 13

Démontrer le théorème de minimisation : pour x∈Ex\in E et FF sous-espace, ∥x−pF(x)∥=min⁡y∈F∥x−y∥\|x-p_F(x)\| = \min_{y\in F}\|x-y\|, en explicitant le rôle du théorème de Pythagore.

Corrigé

Preuve : soit y∈Fy \in F quelconque. On décompose :

x−y=(x−pF(x))+(pF(x)−y)x-y = (x-p_F(x)) + (p_F(x)-y)

Le vecteur x−pF(x)x-p_F(x) appartient à F⊥F^\perp par définition de la projection orthogonale. Le vecteur pF(x)−yp_F(x)-y appartient à FF (différence de deux éléments de FF, sous-espace vectoriel). Ces deux vecteurs sont donc orthogonaux.

Par le théorème de Pythagore généralisé :

∥x−y∥2=∥x−pF(x)∥2+∥pF(x)−y∥2\|x-y\|^2 = \|x-p_F(x)\|^2 + \|p_F(x)-y\|^2

Comme ∥pF(x)−y∥2≥0\|p_F(x)-y\|^2 \geq 0, on a ∥x−y∥2≥∥x−pF(x)∥2\|x-y\|^2 \geq \|x-p_F(x)\|^2 pour tout y∈Fy \in F, c'est-à-dire ∥x−y∥≥∥x−pF(x)∥\|x-y\| \geq \|x-p_F(x)\|.

L'égalité a lieu si et seulement si ∥pF(x)−y∥=0\|p_F(x)-y\|=0, c'est-à-dire y=pF(x)y=p_F(x). Donc pF(x)p_F(x) est l'unique point de FF réalisant le minimum de ∥x−y∥\|x-y\| sur FF. □\square

Exercice 14

Soit AA une matrice orthogonale de M2(R)\mathcal{M}_2(\mathbb{R}) avec det⁡A=−1\det A = -1. Quelle est la nature géométrique de l'application associée ?

Corrigé

En dimension 2, les isométries orthogonales se classent en deux familles : déterminant +1+1 (rotations) et déterminant −1-1 (réflexions par rapport à une droite passant par l'origine). Avec det⁡A=−1\det A=-1, c'est une réflexion.

Exercice 15

Démontrer que si AA et BB sont des matrices orthogonales de Mn(R)\mathcal{M}_n(\mathbb{R}), alors ABAB est orthogonale.

Corrigé

Preuve : on calcule t(AB)(AB){}^t(AB)(AB) en utilisant la règle de transposition d'un produit, t(AB)=tB tA{}^t(AB) = {}^tB\,{}^tA :

t(AB)(AB)=(tB tA)(AB)=tB (tA A) B{}^t(AB)(AB) = ({}^tB\,{}^tA)(AB) = {}^tB\,({}^tA\,A)\,B

Comme AA est orthogonale, tA A=In{}^tA\,A = I_n, donc :
t(AB)(AB)=tB In B=tB B{}^t(AB)(AB) = {}^tB\,I_n\,B = {}^tB\,B

Comme BB est orthogonale, tB B=In{}^tB\,B = I_n. Donc t(AB)(AB)=In{}^t(AB)(AB) = I_n : ABAB est bien orthogonale. □\square

Ceci montre que l'ensemble des matrices orthogonales O(n)O(n) est stable par produit (c'est en fait un groupe, le groupe orthogonal).

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