Aller au contenu principal

Cours · Bac+2 (MP)

Espaces euclidiens

Fiches de cours et sous-notions liées à ce chapitre.

Connecte-toi pour t'entraîner

Pas assez de questions pour un entraînement ciblé sur cette notion.

Orthogonalité

Non commencé

Définitions

Un espace euclidien est un espace vectoriel de dimension finie muni d'un produit scalaire ,\langle \cdot, \cdot \rangle (bilinéaire symétrique défini positif). On a l'inégalité de Cauchy-Schwarz u,vuv|\langle u,v \rangle| \leq \|u\|\,\|v\| et l'égalité u2=u,u\|u\|^2 = \langle u,u \rangle.

Deux vecteurs sont orthogonaux si u,v=0\langle u,v \rangle = 0. Une famille orthonormée (ei)(e_i) vérifie ei,ej=δij\langle e_i, e_j \rangle = \delta_{ij} ; elle est libre. Le procédé de Gram-Schmidt orthonormalise une famille libre. Pour un SEV FF, F={x:yF,x,y=0}F^\perp = \{x : \forall y \in F, \langle x,y \rangle = 0\} est un supplémentaire orthogonal : E=FFE = F \oplus F^\perp, dimF=dimEdimF\dim F^\perp = \dim E - \dim F.

Espace euclidien : EV dim finie + produit scalaire. Cauchy-Schwarz : u,vuv|\langle u,v\rangle|\leq\|u\|\|v\|. Orthogonalité : u,v=0\langle u,v\rangle=0.

Gram-Schmidt orthonormalise. E=FFE=F\oplus F^\perp.

Formules

  • u,vuv(Cauchy-Schwarz)|\langle u,v \rangle| \leq \|u\|\,\|v\| \quad \text{(Cauchy-Schwarz)}
  • u+v2=u2+v2si uv\|u + v\|^2 = \|u\|^2 + \|v\|^2 \quad \text{si } u \perp v
  • dimF+dimF=dimE\dim F + \dim F^\perp = \dim E
  • Gram-Schmidt : ek=vki<kvk,eiei\text{Gram-Schmidt : } e_k' = v_k - \sum_{i<k} \langle v_k, e_i \rangle e_i

Exemples

Exemple 1

Base canonique de R3\mathbb{R}^3 : orthonormée ?

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) ei,ej=δij\langle e_i,e_j\rangle=\delta_{ij} : oui. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Base orthonormée.

Exemple 2

F=Vect((1,0,0))F=\mathrm{Vect}((1,0,0)) dans R3\mathbb{R}^3 : FF^\perp ?

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) F={(0,y,z)}F^\perp=\{(0,y,z)\}, dimension 22. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

F=Vect(e2,e3)F^\perp=\mathrm{Vect}(e_2,e_3).

À retenir

Projection

Non commencé

Définitions

La projection orthogonale sur un SEV FF est l'unique endomorphisme pp tel que p2=pp^2 = p, kerp=F\ker p = F^\perp, Imp=F\mathrm{Im}\, p = F, et pp est self-adjoint (p(u),v=u,p(v)\langle p(u), v \rangle = \langle u, p(v) \rangle). Pour xEx \in E, p(x)p(x) est le unique vecteur de FF minimisant xy\|x - y\| pour yFy \in F.

Formule : si (e1,,ek)(e_1,\ldots,e_k) base ON de FF, alors p(x)=i=1kx,eieip(x) = \sum_{i=1}^k \langle x, e_i \rangle e_i. La symétrie orthogonale par rapport à FF est s=2pIds = 2p - \mathrm{Id} : isométrie, involutive, ker(sId)=F\ker(s - \mathrm{Id}) = F.

Projection orthogonale pp sur FF : p2=pp^2=p, Im=F\mathrm{Im}=F, ker=F\ker=F^\perp, autoadjointe. p(x)p(x) minimise xy\|x-y\| pour yFy\in F.

Symétrie orthogonale s=2pIds=2p-\mathrm{Id}. Formule ON : p(x)=x,eieip(x)=\sum\langle x,e_i\rangle e_i.

Formules

  • p2=p;E=FF;pF=0p^2 = p \quad ; \quad E = F \oplus F^\perp \quad ; \quad p|_{F^\perp} = 0
  • p(x)=argminyFxyp(x) = \arg\min_{y \in F} \|x - y\|
  • s=2pId(symeˊtrie orthogonale)s = 2p - \mathrm{Id} \quad \text{(symétrie orthogonale)}
  • x2=p(x)2+xp(x)2\|x\|^2 = \|p(x)\|^2 + \|x - p(x)\|^2

Exemples

Exemple 1

Projection sur Vect((1,0))\mathrm{Vect}((1,0)) dans R2\mathbb{R}^2.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) p(x,y)=(x,0)p(x,y)=(x,0). (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

p(x,y)=(x,0)p(x,y)=(x,0).

Exemple 2

Symétrie par rapport à OxOx.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) s(x,y)=(x,y)s(x,y)=(x,-y) : s=2pIds=2p-\mathrm{Id} avec p(x,y)=(x,0)p(x,y)=(x,0). (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

(x,y)(x,y)(x,y)\mapsto(x,-y).

À retenir

Endomorphismes orthogonaux

Non commencé

Définitions

Une isométrie (endomorphisme orthogonal) ff d'un espace euclidien vérifie f(u)=u\|f(u)\| = \|u\| pour tout uu, ou équivalent f(u),f(v)=u,v\langle f(u), f(v) \rangle = \langle u,v \rangle. Alors ff est bijectif et f1=ff^{-1} = f^* (adjoint).

detf=±1\det f = \pm 1. Isométrie directe (rotation) : det=1\det = 1 ; indirecte (symétrie) : det=1\det = -1. Dans R2\mathbb{R}^2, toute isométrie directe est une rotation RθR_\theta ; toute indirecte est une réflexion. Matrice orthogonale : MTM=InM^T M = I_n. Endomorphisme symétrique : u(u),v=u,u(v)\langle u(u), v \rangle = \langle u, u(v) \rangle ; diagonalisable dans une BON.

Isométrie : f(u)=u\|f(u)\|=\|u\| \Leftrightarrow préserve le produit scalaire. det=±1\det=\pm 1. Matrice orthogonale : MTM=IM^TM=I.

Endomorphisme symétrique réel : diagonalisable dans une BON, vp réelles.

Formules

  • f(u)=uf isomeˊtrie\|f(u)\| = \|u\| \Leftrightarrow f \text{ isométrie}
  • detf{1,1}\det f \in \{-1, 1\}
  • MTM=InM orthogonaleM^T M = I_n \Leftrightarrow M \text{ orthogonale}
  • Symeˊtrique reˊel  diagonalisable, vp reˊelles\text{Symétrique réel } \Rightarrow \text{ diagonalisable, vp réelles}

Exemples

Exemple 1

Matrice de rotation d'angle θ\theta dans R2\mathbb{R}^2.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Rθ=(cosθsinθsinθcosθ)R_\theta=\begin{pmatrix}\cos\theta&-\sin\theta\\\sin\theta&\cos\theta\end{pmatrix}, det=1\det=1 : isométrie directe. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Rotation = isométrie directe.

Exemple 2

Matrice (1225)\begin{pmatrix}1&2\\2&5\end{pmatrix} : diagonalisable ?

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Symétrique réelle \Rightarrow vp réelles, diagonalisable dans une BON. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Oui (symétrique réelle).

À retenir