12.1 Norme et distance
Si \(\boldsymbol{x}\in\mathbb{R}^n\), et si \(x_1,\dots,x_n\) sont ses composantes
relativement à la base canonique, alors
sa norme est définie par le réel
\[ \|\boldsymbol{x}\|:= \sqrt{x_1^2+\cdots+x_n^2}\,.
\]
(Propriétés de la norme)
- \(\|\lambda \boldsymbol{x}\|=|\lambda|\|\boldsymbol{x}\|\) pour tous \(\lambda\in\mathbb{R},
\boldsymbol{x}\in\mathbb{R}^n\)
-
\(\|\boldsymbol{x}\|\geqslant 0\) pour tout \(\boldsymbol{x}\), et
\(\|\boldsymbol{x}\|=0\) si et seulement si \(\boldsymbol{x}=0\).
- (Inégalité triangulaire)
\(\|\boldsymbol{x}+\boldsymbol{y}\|\leqslant \|\boldsymbol{x}\|+\|\boldsymbol{y}\|\) pour tous
\(\boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\in\mathbb{R}^n\).
Preuve:
Pour la première propriété,
\[\begin{aligned}
\|\lambda\boldsymbol{x}\|
&=\sqrt{(\lambda x_1)^2+\dots+(\lambda x_n)^2}\\
&=\sqrt{\lambda^2 x_1^2+\dots+\lambda^2 x_n^2}\\
&=\sqrt{\lambda^2(x_1^2+\dots+x_n^2)}\\
&=|\lambda|\sqrt{x_1^2+\dots+x_n^2}\\
&=|\lambda|\|\boldsymbol{x}\|\,.
\end{aligned}\]
Ensuite, \(\|\boldsymbol{x}\|\geqslant 0\) est évidente, et remarquons que \(\|\boldsymbol{x}\|=0\)
si et seulement si \(\|\boldsymbol{x}\|^2=0\), qui est équivalente à
\[ x_1^2+\cdots +x_n^2=0\,.
\]
Or une somme de nombres non-négatifs est nulle si et seulement chacun de ces
nombres est nul, \(x_k^2=0\), et donc \(x_k=0\) pour chaque \(k=1,\dots,n\).
On démontrera l'inégalité triangulaire dans la section suivante.
\(\boldsymbol{x}\in\mathbb{R}^n\) est unitaire
(ou normalisé) si \(\|\boldsymbol{x}\|=1\).
Remarque:
Pour tout vecteur non-nul \(\boldsymbol{x}\), il existe exactement deux vecteurs
unitaires qui sont colinéaires à \(\boldsymbol{x}\), donnés par
\[
\boldsymbol{u}_\pm :=
\pm
\frac{\boldsymbol{x}}{\|\boldsymbol{x}\|}\,.
\]
La notion de norme permet de définir encore deux notions géométriques
classiques:
La distance entre \(\boldsymbol{x}\) et \(\boldsymbol{y}\) est définie par
\[
\mathrm{dist}(\boldsymbol{x},\boldsymbol{y}):= \|\boldsymbol{x}-\boldsymbol{y}\|\,.
\]
Deux vecteurs \(\boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\in\mathbb{R}^n\) sont orthogonaux
(ou perpendiculaires) si
\[
\|\boldsymbol{x}+\boldsymbol{y}\|^2=\|\boldsymbol{x}\|^2 +
\|\boldsymbol{y}\|^2\,.
\]
Si \(\boldsymbol{x}\) et \(\boldsymbol{y}\) sont orthogonaux, on écrit \(\boldsymbol{x}\perp
\boldsymbol{y}\).