Isométries indirectes de l'espace : les antirotations
Application directe du cours · niveau 3 (difficile) · mathématiques (MP/MPI), chapitre 3 — Endomorphismes d'un espace euclidien · C. Dimensions 2 et 3
Énoncé
Que peut-on dire d'une isométrie indirecte d'un espace de dimension 3 ? (Réduction : — composée d'une rotation et d'une réflexion ; cas : réflexion pure.)
Corrigé
Stratégie. Partir du théorème de réduction des isométries — en base orthonormée, une isométrie est diagonale par blocs, les blocs valant ou — puis contraindre par et . On obtient une forme normale unique, qu'on interprète ensuite géométriquement. Le point à établir soigneusement est que est nécessairement valeur propre : c'est lui qui fournit l'axe.
Le cadre. est un espace euclidien orienté de dimension , et avec : est une isométrie indirecte.
Étape 1 — est valeur propre de . Le polynôme est de degré à coefficients réels : il admet au moins une racine réelle , et les valeurs propres réelles d'une isométrie valent (si avec , alors , donc ).
- Si , c'est acquis.
- Si la seule racine réelle est : soit un vecteur unitaire fixe. Le plan est stable par (pour une isométrie, l'orthogonal d'un stable est stable), et est une isométrie du plan de déterminant : c'est donc une réflexion du plan, dont le spectre est . Ainsi est valeur propre de , donc de — ce qui contredit l'hypothèse du cas.
Dans tous les cas, .
Étape 2 — la forme normale. Soit un vecteur unitaire avec , et , plan stable par . La restriction est une isométrie du plan de déterminant
c'est une rotation plane . En complétant par une base orthonormée de :
Étape 3 — lecture géométrique : l'antirotation. Notons la rotation d'axe et d'angle , de matrice , et la réflexion par rapport au plan , de matrice . Ces deux matrices sont diagonales par blocs sur la même décomposition, donc commutent, et leur produit est précisément la matrice ci-dessus :
Une isométrie indirecte de l'espace est donc la composée d'une rotation d'axe et de la réflexion par rapport au plan — c'est ce qu'on appelle une antirotation (ou rotation-réflexion). Ses éléments se lisent ainsi :
- l'axe est , et non : c'est l'erreur classique, l'axe d'une antirotation est retourné, pas fixé ;
- l'angle vérifie , le signe se levant par un produit mixte, exactement comme pour une rotation.
Les cas limites, tous atteints.
- : est une réflexion pure, de matrice et de trace . Ici est un plan : le miroir.
- : , la symétrie centrale , de trace . L'axe n'est plus déterminé : toute droite convient, puisque tout entier.
- : l'antirotation est générique, est une droite, et n'a aucun vecteur fixe non nul — sur elle vaut , et sur la rotation ne fixe rien.
Contrôle numérique. Composons la rotation de l'exercice précédent — axe , angle , matrice — avec la réflexion par rapport au plan , de matrice où , soit
Le produit est remarquablement simple — les dénominateurs disparaissent :
Vérifions, une par une, toutes les affirmations de la théorie :
- : les colonnes , , sont orthonormées. est bien une isométrie.
- : en développant selon la première ligne, . L'isométrie est indirecte.
- , et la théorie prédit .
- : la matrice annule bien ligne par ligne. C'est l'axe annoncé.
- : les deux produits coïncident, conformément à l'étape 3.
- et : l'antirotation d'angle est d'ordre , et son cube est la symétrie centrale — ce que prédit .
Ce qui est acquis. La classification des isométries de l'espace est complète et sans reste : les directes sont les rotations , caractérisées par un axe orienté et un angle ; les indirectes sont les antirotations , avec les réflexions () et () comme cas particuliers. Aucune autre forme n'existe — c'est le théorème de réduction qui l'affirme, et la contrainte de dimension qui ne laisse qu'un seul bloc de rotation.
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