$$\newcommand{\mtn}{\mathbb{N}}\newcommand{\mtns}{\mathbb{N}^*}\newcommand{\mtz}{\mathbb{Z}}\newcommand{\mtr}{\mathbb{R}}\newcommand{\mtk}{\mathbb{K}}\newcommand{\mtq}{\mathbb{Q}}\newcommand{\mtc}{\mathbb{C}}\newcommand{\mch}{\mathcal{H}}\newcommand{\mcp}{\mathcal{P}}\newcommand{\mcb}{\mathcal{B}}\newcommand{\mcl}{\mathcal{L}} \newcommand{\mcm}{\mathcal{M}}\newcommand{\mcc}{\mathcal{C}} \newcommand{\mcmn}{\mathcal{M}}\newcommand{\mcmnr}{\mathcal{M}_n(\mtr)} \newcommand{\mcmnk}{\mathcal{M}_n(\mtk)}\newcommand{\mcsn}{\mathcal{S}_n} \newcommand{\mcs}{\mathcal{S}}\newcommand{\mcd}{\mathcal{D}} \newcommand{\mcsns}{\mathcal{S}_n^{++}}\newcommand{\glnk}{GL_n(\mtk)} \newcommand{\mnr}{\mathcal{M}_n(\mtr)}\DeclareMathOperator{\ch}{ch} \DeclareMathOperator{\sh}{sh}\DeclareMathOperator{\th}{th} \DeclareMathOperator{\vect}{vect}\DeclareMathOperator{\card}{card} \DeclareMathOperator{\comat}{comat}\DeclareMathOperator{\imv}{Im} \DeclareMathOperator{\rang}{rg}\DeclareMathOperator{\Fr}{Fr} \DeclareMathOperator{\diam}{diam}\DeclareMathOperator{\supp}{supp} \newcommand{\veps}{\varepsilon}\newcommand{\mcu}{\mathcal{U}} \newcommand{\mcun}{\mcu_n}\newcommand{\dis}{\displaystyle} \newcommand{\croouv}{[\![}\newcommand{\crofer}{]\!]} \newcommand{\rab}{\mathcal{R}(a,b)}\newcommand{\pss}[2]{\langle #1,#2\rangle} $$
Bibm@th

Projection orthogonale

Dans le plan ou l'espace

Si $D$ est une droite du plan, on appelle projection orthogonale sur $D$ l'application qui à tout point $M$ du plan associe le point $M'$ tel que $$\left\{ \begin{array}{l} M'\in D\\ (MM')\perp D \end{array} \right.$$

Si $P$ est un plan de l'espace, on appelle projection orthogonale sur $P$ l'application qui à tout point $M$ du plan associe le point $M'$ tel que $$\left\{ \begin{array}{l} M'\in P\\ (MM')\perp P \end{array} \right.$$

Si $D$ est une droite de l'espace, on appelle projection orthogonale sur $D$ l'application qui à tout point $M$ du plan associe le point $M'$ tel que $$\left\{ \begin{array}{l} M'\in D\\ (MM')\perp D \end{array} \right.$$ $M'$ est le point d'intersection de $D$ et du plan normal à $D$ passant par $M$.

Dans un espace vectoriel euclidien
Définition : Soit $F$ un sous-espace vectoriel d'un espace vectoriel euclidien $E$. Alors on appelle projection orthogonale sur $F$ la projection sur $F$ parallèlement à son supplémentaire orthogonal $F^\perp$.

Si on note $p$ cette projection, alors elle vérifie deux propriétés fondamentales suivantes :

  1. $\|x-p(x)\|=\inf_{y\in F}\|x-y\|$ : le projeté orthogonal minimise la distance de $x$ à $F$.
  2. Si $(e_1,\dots,e_p)$ une base orthonormale de $F$, on a $$p(x)=\sum_{i=1}^p \langle x,e_i\rangle e_i.$$
Dans un espace de Hilbert

Dans un espace de Hilbert, on peut de la même façon définir la projection orthogonale sur un sous-espace fermé. Mais la propriété fondamentale pour pouvoir projeter est la convexité :

Théorème : Soit $C$ un convexe fermé (non vide) d'un espace de Hilbert $H$. Pour tout $x$ de $H$, il existe un unique $p(x)$ appartenant à $C$ tel que $$\|x-p(x)\|=\inf_{y\in C}\|x-y\|.$$ De plus, $p(x)$ est caractérisé par $$\forall z\in C,\ \langle z-p(x),x-p(x)\rangle\leq 0.$$ $p(x)$ s'appelle le projeté orthogonal de $x$ sur $C$. L'application $p:H\to C$ est $1$-lipschitzienne, donc continue.

Remarques :

  • Le théorème est formulé pour un espace de Hilbert réel. Il reste vrai pour un espace de Hilbert complexe, à condition d'ajouter une partie réelle dans la caractérisation : $$\forall z\in C,\ \Re e(\langle z-p(x),x-p(x)\rangle)\leq 0.$$
  • Le théorème s'étend aux espaces préhilbertiens à condition de supposer que le convexe sur lequel on projette est complet.
  • Si on ne travaille plus avec un espace de Hilbert, mais avec un espace de Banach, on peut perdre l'existence ou l'unicité d'un projeté sur un convexe fermé. Par exemple, si $E=\mathbb R^2$ muni de $\|\cdot\|_\infty$ et si $C=\bar B(0,1)$, alors $u=(2,0)$ est à distance $1$ de $C$, et pour tout $a\in [-1,1]$, $(1,a)\in C$ et $\|u-(1,a)\|_\infty=1$. Pour perdre l'existence, il faut se placer en dimension infinie. On peut considérer $E=\mathcal C([0,1])$ muni de $\|f\|=\|f\|_\infty+\|f\|_1$ et $C=\{f\in E:\ f(0)=1\}$. Alors, pour $g=1,$ la distance de $g$ à $F$ est égale à $1$, mais elle n'est pas atteinte.
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