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Algèbre9 min de lecture22 mars 2026

Espaces préhilbertiens et projection orthogonale

préhilbertienprojectionGram-Schmidt
Les espaces préhilbertiens généralisent la géométrie euclidienne à la dimension quelconque (y compris infinie). Le produit scalaire permet de définir angles, distances et orthogonalité, et la projection orthogonale est un outil central en analyse (approximation, moindres carrés) comme en algèbre.

Produit scalaire

Définition

Soit EE un R\mathbb{R}-espace vectoriel. Un produit scalaire sur EE est une forme bilinéaire symétrique définie positive ,:E×ER\langle \cdot, \cdot \rangle : E \times E \to \mathbb{R} :

  • Bilinéarité : linéaire en chaque variable
  • Symétrie : x,y=y,x\langle x, y \rangle = \langle y, x \rangle
  • Positivité : x,x0\langle x, x \rangle \geq 0
  • Définie : x,x=0x=0\langle x, x \rangle = 0 \Rightarrow x = 0
  • Un espace muni d'un produit scalaire est un espace préhilbertien. S'il est de dimension finie, c'est un espace euclidien.

    Exemples :

    • Sur Rn\mathbb{R}^n : x,y=i=1nxiyi\langle x, y \rangle = \sum_{i=1}^n x_i y_i (produit scalaire canonique)
    • Sur C([a,b],R)\mathcal{C}([a,b], \mathbb{R}) : f,g=abf(t)g(t)dt\langle f, g \rangle = \int_a^b f(t)g(t)\,dt
    • Sur Mn(R)\mathcal{M}_n(\mathbb{R}) : A,B=tr(ATB)\langle A, B \rangle = \text{tr}(A^T B)

    Norme associée

    La norme euclidienne associée est x=x,x\|x\| = \sqrt{\langle x, x \rangle}. Elle vérifie les propriétés d'une norme : positivité, homogénéité, inégalité triangulaire.

    Inégalité de Cauchy-Schwarz

    Théorème : pour tous x,yEx, y \in E :

    x,yxy|\langle x, y \rangle| \leq \|x\| \cdot \|y\|

    avec égalité si et seulement si xx et yy sont colinéaires.

    Démonstration : pour y0y \neq 0, considérons P(t)=x+ty2=x2+2tx,y+t2y20P(t) = \|x + ty\|^2 = \|x\|^2 + 2t\langle x,y\rangle + t^2\|y\|^2 \geq 0 pour tout tt. Ce trinôme en tt est positif, donc son discriminant est négatif :

    4x,y24x2y204\langle x, y \rangle^2 - 4\|x\|^2 \|y\|^2 \leq 0

    L'égalité a lieu quand PP s'annule, c'est-à-dire quand x+ty=0x + ty = 0 pour un certain tt.

    Conséquence : l'inégalité triangulaire x+yx+y\|x + y\| \leq \|x\| + \|y\| découle de Cauchy-Schwarz.

    Angle entre deux vecteurs

    En dimension finie, on définit l'angle θ\theta entre deux vecteurs non nuls par :

    cosθ=x,yxy\cos \theta = \frac{\langle x, y \rangle}{\|x\| \cdot \|y\|}

    Cauchy-Schwarz garantit que cosθ[1,1]\cos \theta \in [-1, 1].

    Orthogonalité

    Vecteurs orthogonaux

    Deux vecteurs x,yx, y sont orthogonaux (noté xyx \perp y) si x,y=0\langle x, y \rangle = 0.

    Théorème de Pythagore : si xyx \perp y, alors x+y2=x2+y2\|x + y\|^2 = \|x\|^2 + \|y\|^2.

    Familles orthogonales et orthonormées

    Une famille (e1,,en)(e_1, \ldots, e_n) est :

    • Orthogonale si ei,ej=0\langle e_i, e_j \rangle = 0 pour iji \neq j
    • Orthonormée (ou orthonormale, ONF) si de plus ei=1\|e_i\| = 1, i.e. ei,ej=δij\langle e_i, e_j \rangle = \delta_{ij}

    Propriété clé : toute famille orthogonale de vecteurs non nuls est libre. En effet, si λiei=0\sum \lambda_i e_i = 0, en prenant le produit scalaire avec eke_k : λkek2=0\lambda_k \|e_k\|^2 = 0, donc λk=0\lambda_k = 0.

    Coordonnées dans une base orthonormée

    Si (e1,,en)(e_1, \ldots, e_n) est une base orthonormée de EE, alors pour tout xEx \in E :

    x=i=1nx,eieix = \sum_{i=1}^n \langle x, e_i \rangle e_i

    et x2=i=1nx,ei2\|x\|^2 = \sum_{i=1}^n \langle x, e_i \rangle^2 (identité de Parseval en dimension finie).

    Procédé de Gram-Schmidt

    Théorème : tout espace préhilbertien de dimension finie admet une base orthonormée. On la construit par le procédé de Gram-Schmidt.

    Algorithme : à partir d'une base (v1,,vn)(v_1, \ldots, v_n), on construit une base orthonormée (e1,,en)(e_1, \ldots, e_n) :

  • e1=v1v1e_1 = \frac{v_1}{\|v_1\|}
  • Pour k=2,,nk = 2, \ldots, n :
  • - wk=vki=1k1vk,eieiw_k = v_k - \sum_{i=1}^{k-1} \langle v_k, e_i \rangle e_i (soustraction des projections) - ek=wkwke_k = \frac{w_k}{\|w_k\|} (normalisation)

    Propriété : pour tout kk, Vect(e1,,ek)=Vect(v1,,vk)\text{Vect}(e_1, \ldots, e_k) = \text{Vect}(v_1, \ldots, v_k).

    Exemple. Dans R3\mathbb{R}^3 avec le produit scalaire canonique, orthonormalisons v1=(1,1,0)v_1 = (1, 1, 0), v2=(1,0,1)v_2 = (1, 0, 1).

    e1=12(1,1,0)e_1 = \frac{1}{\sqrt{2}}(1, 1, 0)

    w2=v2v2,e1e1=(1,0,1)1212(1,1,0)=(1,0,1)12(1,1,0)=(12,12,1)w_2 = v_2 - \langle v_2, e_1 \rangle e_1 = (1, 0, 1) - \frac{1}{\sqrt{2}} \cdot \frac{1}{\sqrt{2}}(1, 1, 0) = (1, 0, 1) - \frac{1}{2}(1, 1, 0) = \left(\frac{1}{2}, -\frac{1}{2}, 1\right)

    w2=14+14+1=32\|w_2\| = \sqrt{\frac{1}{4} + \frac{1}{4} + 1} = \sqrt{\frac{3}{2}}, donc e2=16(1,1,2)e_2 = \frac{1}{\sqrt{6}}(1, -1, 2).

    Projection orthogonale

    Théorème de projection

    Théorème : soit FF un sous-espace vectoriel de dimension finie d'un espace préhilbertien EE. Pour tout xEx \in E, il existe un unique pF(x)Fp_F(x) \in F tel que :

    xpF(x)=minyFxy=d(x,F)\|x - p_F(x)\| = \min_{y \in F} \|x - y\| = d(x, F)

    Ce vecteur pF(x)p_F(x) est la projection orthogonale de xx sur FF, caractérisée par :

    pF(x)FetxpF(x)Fp_F(x) \in F \quad \text{et} \quad x - p_F(x) \in F^\perp

    Calcul dans une base orthonormée

    Si (e1,,er)(e_1, \ldots, e_r) est une base orthonormée de FF, alors :

    pF(x)=i=1rx,eieip_F(x) = \sum_{i=1}^r \langle x, e_i \rangle e_i

    et la distance de xx à FF est :

    d(x,F)=xpF(x)=x2i=1rx,ei2d(x, F) = \|x - p_F(x)\| = \sqrt{\|x\|^2 - \sum_{i=1}^r \langle x, e_i \rangle^2}

    Décomposition en somme directe orthogonale

    En dimension finie : E=FFE = F \oplus F^\perp. Tout vecteur xx s'écrit de manière unique x=pF(x)+pF(x)x = p_F(x) + p_{F^\perp}(x).

    Matrice de Gram et déterminant de Gram

    La matrice de Gram d'une famille (v1,,vk)(v_1, \ldots, v_k) est :

    G=(vi,vj)1i,jkG = (\langle v_i, v_j \rangle)_{1 \leq i,j \leq k}

    Le déterminant de Gram detG\det G est strictement positif si et seulement si la famille est libre. Il mesure le « volume » du parallélotope engendré :

    vol2=detG\text{vol}^2 = \det G

    Moindres carrés

    La projection orthogonale résout le problème des moindres carrés : trouver xRnx \in \mathbb{R}^n minimisant Axb2\|Ax - b\|^2 pour AMm,n(R)A \in \mathcal{M}_{m,n}(\mathbb{R}) et bRmb \in \mathbb{R}^m.

    La solution vérifie les équations normales :

    ATAx=ATbA^T A x = A^T b

    Si AA est de rang nn (colonnes indépendantes), la solution est unique :

    x=(ATA)1ATbx = (A^T A)^{-1} A^T b

    C'est la base de la régression linéaire : on cherche la droite (ou l'hyperplan) qui minimise la somme des carrés des résidus.

    Application : approcher fC([0,1])f \in \mathcal{C}([0,1]) par un polynôme de degré n\leq n au sens de 2\|\cdot\|_2 revient à projeter ff sur Rn[X]\mathbb{R}_n[X] pour le produit scalaire f,g=01fg\langle f, g \rangle = \int_0^1 fg.


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