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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 ).

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 :

Les cas limites, tous atteints.

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 :

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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