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Probl` emes d’approximation

Espaces euclidiens

11. Projections orthogonales

11.3. Probl` emes d’approximation

uk = ek−q1(q1|ek)−q2(q2|ek)− · · · −qk1(qk1|ek), qk = uk

kukk.

En isolant dans le membre de droite le vecteur ek, on obtient une expression de ce vecteur comme combinaison lin´eaire deq1, . . . , qk1, uk :

e1 = u1

= q1ku1k, e2 = q1(q1|e2) +u2

= q1(q1|e2) +q2ku2k, e3 = q1(q1|e3) +q2(q2|e3) +u3

= q1(q1|e3) +q2(q2|e3) +q3ku3k, ...

ek = q1(q1|ek) +· · ·+qk1(qk1|ek) +uk

= q1(q1|ek) +· · ·+qk1(qk1|ek) +qkkukk. La matrice de changement de baseq(IE)es’en d´eduit :

11.5. Corollaire. Soitqla base orthonorm´ee obtenue en appliquant le proc´ed´e de Gram–Schmidt

`

a une base e d’un espace euclidien E. La matrice de changement de base q(IE)e est triangulaire sup´erieure avec des entr´ees diagonales non nulles.

D´emonstration. Les calculs pr´ec´edents montrent que la matriceq(IE)e est

q(IE)e=







ku1k (q1|e2) (q1|e3) · · · (q1|en) 0 ku2k (q2|e3) · · · (q2|en) 0 0 ku3k · · · (q3|en)

... ... ... . .. ...

0 0 0 · · · kunk





 .

2

11.3. Probl`emes d’approximation

Les projections orthogonales satisfont la propri´et´e d’approximation suivante :

11.6. Proposition. Soit E un espace euclidien et V ⊂E un sous-espace. Pour tout x∈E, la projection orthogonalep de xsur V est un vecteur deV dont la distance `axest minimale. De plus, pour tout vecteurv∈V autre quep, on a

d(x, v)> d(x, p).

11. PROJECTIONS ORTHOGONALES 77

D´emonstration. Pour montrer la premi`ere partie de l’´enonc´e, il s’agit de prouver : d(x, p)6d(x, y) pour touty ∈V,

ou, de mani`ere ´equivalente,

kx−pk26kx−yk2 pour touty∈V.

On d´ecompose pour cela : (x−y) = (x−p) + (p−y), et on calcule

(x−y|x−y) = (x−p|x−p) + (x−p|p−y) + (p−y|x−p) + (p−y|p−y), c’est-`a-dire

kx−yk2=kx−pk2+(x−p|p−y) + (p−y|x−p)+kp−yk2. Commex−p∈V et p−y∈V, on a

(x−p|p−y) = (p−y|x−p) = 0, et l’´egalit´e pr´ec´edente entraˆıne

kx−yk2=kx−pk2+kp−yk2>kx−pk2.

On voit d’ailleurs que l’´egalit´ekx−yk=kx−pk(avecy∈V) ne peut ˆetre satisfaite que sikp−yk= 0,

c’est-`a-dire si y=p. 2

Un exemple typique d’application de cette propri´et´e d’approximation concerne les syst`emes d’´ equa-tions lin´eaires : soitA∈Rm×n etb∈Rm. Pour que le syst`eme

A·X =b

admette une solution, il faut et il suffit que b soit dans le sous-espace C(A) Rm engendr´e par les colonnes deA, puisqu’en d´ecomposant Apar colonnes l’´equation pr´ec´edente s’´ecrit

a1x1+· · ·+anxn=b.

Sib6∈ C(A), on peut cependant envisager de trouver une solution approch´ee du syst`emeA·X =ben rempla¸cantb par le vecteur b0 ∈ C(A) qui est le plus proche deb (au sens de la distance euclidienne usuelle surRm, induite par le produit scalaire usuel). Toute solution du syst`eme d’´equations lin´eaires

A·X =b0

o`ub0 est la projection orthogonale deb surC(A) est appel´eesolution approch´ee de A·X =b au sens des moindres carr´es.

Le proc´ed´e de Gram–Schmidt permet de trouver une base orthonorm´ee deC(A), `a l’aide de laquelle la projection orthogonaleb0 est facile `a calculer. Dans le cas o`u les colonnes deA sont lin´eairement ind´ependantes, les calculs peuvent s’organiser de mani`ere particuli`erement simple, et prennent la forme d’une factorisation matricielle :

11.7. Proposition. Pour toute matrice A Rm×n de rangn, il existe une matrice Q∈Rm×n telle queQt·Q=In et une matriceR∈Rn×ntriangulaire sup´erieure dont toutes les entr´ees diagonales sont non nulles telles que

A=Q·R.

De plus, pour tout y∈Rm, le vecteurQ·Qt·y∈Rm est la projection orthogonale dey sur C(A).

La conditionQt·Q= In entraˆıne que Qt =Q1 si m =n; la matrice Q n’est cependant pas inversible `a droite sim > n.

11. PROJECTIONS ORTHOGONALES 78

D´emonstration. Soit a = (a1, . . . , an) la suite des colonnes de A. Comme rangA = n, la suite a est libre ; c’est donc une base de C(A). En appliquant le proc´ed´e de Gram–Schmidt `a la suitea, on obtient une base orthogonale deC(A), que l’on norme pour former une base orthonorm´ee q = (q1, . . . , qn). Le Corollaire 11.5 montre que la matrice de changement de base q(IC(A))a est triangulaire ; on la noteR= (rij)16i,j6n. On a donc

a1 = q1r11

a2 = q1r12+q2r22

...

an = q1r1n+q2r2n+· · ·+qnrnn et les entr´ees diagonalesriisont non nulles. Si l’on note

Q= q1 · · · qn

Rm×n

la matrice dont les colonnes sont q1, . . . , qn, les ´egalit´es ci-dessus montrent que l’on a

a1 · · · an

= q1 · · · qn

·





r11 r12 · · · r1n

0 r22 · · · r2n

... ... . .. ... 0 0 · · · rnn





c’est-`a-dire

A=Q·R.

Comme (q1, . . . , qn) est une base orthonorm´ee deC(A) pour le produit scalaire usuel deRm, on a qti·qj=

0 sii6=j 1 sii=j, donc

Qt·Q=

 q1t

... qnt

· q1 · · · qn

=



qt1·q1 · · · qt1·qn

... ...

qtn·q1 · · · qnt ·qn

=In.

Par ailleurs, comme (q1, . . . , qn) est une base orthonorm´ee de C(A), la Proposition 11.2 montre que la projection orthogonale surC(A) d’un vecteury∈Rmest donn´ee par

p = q1·(qt1·y) +· · ·+qn·(qtn·y)

= q1 · · · qn

·

 q1t

... qtn

·y

= Q·Qt·y.

2 11.8. Corollaire. Soit A Rm×n une matrice de rang n, et soit A = Q·R la factorisation matricielle obtenue dans la proposition pr´ec´edente. Pour toutb∈Rm, le syst`emeA·X =b admet une et une seule solution exacte (si b ∈ C(A)) ou approch´ee au sens des moindres carr´es (sib 6∈ C(A)), qui est aussi l’unique solution du syst`eme

R·X=Qt·b.

D´emonstration. Soitb0 la projection orthogonale debsurC(A), de sorte queb0 =bsib∈ C(A).

D’apr`es la proposition pr´ec´edente, on ab0 =Q·Qt·b; toute solution (exacte ou approch´ee au sens des moindres carr´es) deA·X=b est donc solution (exacte) de

Q·R·X=Q·Qt·b.

En multipliant les deux membres par la gauche parQt, et en tenant compte de ce que Qt·Q=In, on voit que l’´equation pr´ec´edente est ´equivalente `a

R·X=Qt·b.

11. PROJECTIONS ORTHOGONALES 79

Comme la matriceR est r´eguli`ere, ce syst`eme d’´equations admet une et une seule solution. 2 Lorsque l’on dispose de la factorisationA=Q·R, le corollaire pr´ec´edent donne une mani`ere parti-culi`erement simple de r´esoudre toute ´equationA·X=b(de mani`ere exacte ou approch´ee), puisque la matriceR est triangulaire avec des entr´ees diagonales non nulles. Le syst`emeR·X =Qt·b est donc

´echelonn´e.

Exercices

(11.1) (pr´erequis) SoitE un espace euclidien etV un sous-espace deE. Siv∈E et quepv est la projection dev surV, d´emontrez que, alors,v−pv est la projection dev surV.

(11.2) On consid`ereR3 muni du produit scalaire usuel.

– SoitV ={(x, y, z)R3|ax+by+cz= 0}, o`ua, b, csont trois r´eels fix´es. CalculezV. – SoitW = sevh(k, l, m)i, o`u (k, l, m) est un ´el´ement fix´e de R3. CalculezW.

(11.3) SiE est un espace euclidien etV et W des sous-espaces deE, est-il vrai que (V +W) = V∩W?

(V ∩W) = V+W? (11.4) On consid`ereR3 muni du produit scalaire usuel.

– En appliquant le proc´ed´e de Gram–Schmidt `a la base

(1,0,0),(1,1,0),(1,1,1)

, trouvez une base orthonorm´ee de R3.

– Mˆeme question en partant de la base

(1,1,0),(2,1,0),(1,1,1)

.

– Trouvez les coordonn´ees d’un ´el´ement quelconque deR3dans les deux bases orthonorm´ees ainsi obtenues.

(11.5) Construire une base orthonorm´ee de

V ={M R2×2|M est sym´etrique}, pour le produit scalaire (·|·) d´efini par (A|B) = tr(A.B).

(11.6) DansC2 [−π, π];R

, on d´efinit un produit scalaire (·|·) par (f|g) =

Z π

π

f(x)g(x)dx.

Donnez une base orthonorm´ee de V = sevh1,sinx,cosx,sin 5x,cos 10xi.

(11.7) Dans R3 muni du produit scalaire usuel, d´eterminez la projection orthogonale du vecteur (1,0,8) sur le sous-espace engendr´e par les vecteurs (1,0,1) et (0,1,1).

(11.8) Dans l’espace vectoriel r´eelC [1,1];R

, avec le produit scalaire (·|·) d´efini par (f|g) =

Z 1

1

f(x)g(x)dx,

trouvez le polynˆome du premier degr´e P le plus proche de f(x) = ex. L’ayant trouv´e, donnez sa distance `a f(x).

(11.9) Dans l’espace vectoriel r´eelC [0,2π];R

, avec le produit scalaire (·|·) d´efini par (f|g) =

Z 0

f(x)g(x)dx,

trouvez la projection orthogonale de la fonctionf :RR:x7→xsur le sous-espaceV engendr´e par les fonctions 1, cos et sin.

11. PROJECTIONS ORTHOGONALES 80

(11.10)On consid`ere R[X]62 muni du produit scalaire d´efini dans l’exercice 10.8, ainsi que le sous-espace V d´efini dans ce mˆeme exercice.

– Trouvez une base orthonorm´ee de V.

– Calculez les projections orthogonales du polynˆomeX surV et surV. (Conseil :relire l’exercice 11.1, page 79.)

(11.11)Soientuet v deux vecteurs non nuls fix´es dans un espace euclidienE. Trouvez le vecteur le plus court qui soit de la formeu+R) et montrez qu’il est orthogonal `a v.

(11.12) Mettez les matricesAi Rm×n suivantes sous la forme d’un produitQ·Ro`uQ∈Rm×n est telle queQt·Q=In etR∈Rn×n est triangulaire sup´erieure avec toutes ses entr´ees diagonales non nulles.

A1=

1 2 3 2

3

A2=

3 0 4 5

A3=

 0 0 1 0 1 1 1 1 1

A4=

 1 1

1 0

0 1

A5=



2 1

1 1

1 1 0 1.



A6=

3 4

.

(11.13)R´esolvez les syst`emes d’´equations lin´eaires suivants au sens des moindres carr´es.

(i) x−y = 1

x = 0

y = 2

(ii) x+y = 3

x = 1

x−y = 1

(iii) 3x = 2

4x = 11

(iv) 2x+y = 1 x+y = 1

−x+y = 3 y = 1.

(11.14)Trouvez la solution, au sens des moindres carr´es, du syst`eme









x = b1 x = b2

... x = bn.

Calculez ensuite la distance entre le second membre du syst`eme original et celui du syst`eme utilis´e pour calculer la solution au sens des moindres carr´es.

CHAPITRE VI