En raison de limitations techniques, la typographie souhaitable du titre, «
Exercice : Matrices orthogonales
Espace euclidien/Exercices/Matrices orthogonales », n'a pu être restituée correctement ci-dessus.
Soit B une forme bilinéaire symétrique non dégénérée sur un K-espace vectoriel de dimension n.
Soit , c'est-à-dire une application linéaire telle que pour tout .
- Trouver une relation entre les matrices de φ et B dans une même base.
- Montrer que det φ = ±1.
- Soit le polynôme caractéristique de φ. Montrer que
- Indication. Soit A la matrice de φ. En utilisant 1., montrer que est semblable à .
- Soit K un corps contenant K tel que se décompose en facteurs linéaires sur (par exemple, si ou , on peut supposer que ).
Montrer que si est racine de , alors est aussi une racine de , de la même multiplicité.
- Montrer que l'endomorphisme de donné par la matrice est B-orthogonal pour .
- On note . Montrer que l'endomorphisme de donné par la matrice est B-orthogonal pour .
- Soit P un polynôme à coefficients réels qui vérifie la condition de la question 4 de l'exercice précédent. Montrer qu'il existe une forme bilinéaire symétrique non dégénérée B et un opérateur B-orthogonal dont le polynôme caractéristique est P à un facteur constant près.
Solution
- .
- .
- D'après l'hypothèse, et compte tenu du fait que si est racine de P alors est aussi une racine de P, de même multiplicité, P est produit de facteurs des quatre formes suivantes :
- avec ;
- avec et ;
- avec ;
- avec et .
En raisonnant par blocs, il suffit de prouver l'assertion dans le cas où P lui-même est de l'une de ces quatre formes. Pour les deux premières formes, l'assertion est immédiate, en prenant pour B le produit scalaire canonique. Pour les troisième et quatrième formes, il suffit d'utiliser les questions 1 et 2, respectivement.
- Existe-t-il une forme bilinéaire symétrique non dégénérée B sur telle que la matrice de Jordan soit B-orthogonale ?
- Même question (sur ) pour .
On rappelle (cf. Réduction des endomorphismes/Exercices/Diagonalisation et sous-espaces stables#Exercice 1-6) que pour tout endomorphisme d'un -espace vectoriel de dimension finie, il existe un sous-espace stable de dimension 1 ou 2.
Soient E un espace euclidien et .
- Montrer que toutes les valeurs propres de φ sont de module 1 (en particulier ses seules éventuelles valeurs propres réelles sont 1 et –1).
- Montrer que pour tout sous-espace F stable par φ, le sous-espace F⊥ est aussi stable par φ.
- Montrer qu'il existe une base orthonormée de E dans laquelle la matrice de φ est de la forme
- , avec .
- Montrer que cette matrice est diagonalisable sur .
Solution
- Soit un vecteur tel que . Alors, donc .
- Si F est stable par φ alors F⊥ est évidemment stable par φ* (ceci vaut pour n'importe quel endomorphisme φ), c'est-à-dire ici par φ–1. Puisque φ–1 préserve la dimension, l'inclusion est en fait une égalité, donc .
- On raisonne par récurrence sur n = dim E. Si n = 0, il n'y a rien à démontrer. Supposons donc n > 0 et que l'assertion est vraie pour tout espace euclidien de dimension < n. Si φ a une valeur propre (nécessairement égale à ±1 d'après la question 1), on choisit une droite propre associée F, et l'on conclut grâce à la question 2 et à l'hypothèse de récurrence appliquée à F⊥. Si φ n'a pas de valeur propre alors, d'après le rappel, il existe dans E un plan F φ-invariant. La restriction de φ à F est un automorphisme orthogonal du plan sans valeur propre ; c'est donc une rotation, et l'on conclut comme précédemment.
- Si , les deux valeurs propres de sont distinctes. Si , .
Soit φ un endomorphisme de E antisymétrique, c'est-à-dire tel que φ* = –φ. Montrer de même qu'il existe une base orthonormée de E dans laquelle la matrice de φ est de la forme
- , avec .
Solution
Pour tout sous-espace stable F, comme déjà remarqué, F⊥ est stable par φ*, c'est-à-dire ici stable par –φ, donc par φ. Ceci permet de raisonner par récurrence comme dans le cas où φ était orthogonal, pour aboutir ici à l'existence d'une base orthonormée de E dans laquelle la matrice de φ est de la forme les matrices carrées et (de tailles respectives 2 et 1) étant antisymétriques, ce qui se traduit par et .
À l'aide de l'exercice précédent, démontrer que tout endomorphisme orthogonal d'un espace euclidien est à la fois :
- composé de réflexions (c'est-à-dire symétries orthogonales par rapport à des hyperplans) ;
- composé de deux symétries orthogonales.
Solution
Il suffit de remarquer que le plan, toute rotation R est composée de deux réflexions. En effet, les réflexions du plan sont les isométries négatives, or pour toute isométrie négative S, S–1∗R est une isométrie négative T et R = S∗T.
Soient E un plan euclidien et φ une similitude de E dont la matrice dans une certaine base (u, v) est de la forme avec . Montrer que u et v sont orthogonaux et de même norme.
Solution
Remarquons d'abord que la similitude φ est directe (car det(A) > 0). Sa matrice dans une base orthonormée quelconque (i, j) est donc égale soit à A, soit à AT.
Soit la matrice de (u, v) dans (i, j).
Si A = P–1AP, on trouve (par le calcul) que q = –r et s = p, d'où la conclusion annoncée.
Si A = P–1ATP alors q = r et s = –p, d'où la même conclusion.
Déterminer la nature d'un endomorphisme orthogonal φ de ainsi que l'angle de rotation, en fonction du déterminant et de la trace de φ.
Pour chacune des quatre matrices orthogonales suivantes, trouver une base orthonormée dans laquelle la matrice prend la forme canonique de l’exercice 3-4 :
- .
Solution
- Le vecteur unitaire vérifie et n'est pas valeur propre. On complète en choisissant un couple orthonormé dans le plan stable , par exemple et .
donc la matrice de l'endomorphisme orthogonal dans la nouvelle base est .
- Le vecteur unitaire vérifie et n'est pas valeur propre. On complète en choisissant un couple orthonormé dans le plan stable , par exemple et .
donc à nouveau, la matrice de l'endomorphisme orthogonal dans la nouvelle base est .
- Le vecteur unitaire vérifie et l'hyperplan est propre pour donc la matrice de l'endomorphisme orthogonal dans la nouvelle base sera , quel que soit le choix d'un triplet orthonormé dans .
Par exemple , et .
- Le vecteur unitaire vérifie et n'est pas valeur propre. On complète en choisissant un couple orthonormé dans le plan stable , par exemple et .
donc la matrice de l'endomorphisme orthogonal dans la nouvelle base est .
Déterminer la nature des transformations de dont les matrices dans la base canonique sont :
- , , , .
Solution
sont orthogonales, directes sauf .
,
,
,
donc représentent des rotations d'axes ces droites.
L'angle est donné (au signe près) par et vaut respectivement
.
est la composée de la rotation de même axe que et d'angle par la symétrie orthogonale par rapport au plan orthogonal à cet axe.
Pour préciser le — dans muni de son orientation canonique et étant donné le choix d'une orientation de l'axe de rotation par un vecteur unitaire — on peut utiliser que la partie antisymétrique de la rotation vaut , où . On trouve alors :
- pour avec : ;
- pour avec : ;
- pour avec : ;
- pour avec : .
Soient un espace euclidien de dimension 3 orienté, et une base orthonormée directe (b.o.n.d.) de . Caractériser
l'endomorphisme de matrice dans .
- , .
Solution
sont deux endomorphismes orthogonaux car sont deux matrices orthogonales car leurs trois colonnes sont de norme 1 et orthogonales 2 à 2.
- le plan , donc est la symétrie orthogonale par rapport à ce plan. (On pourrait — mais ce n'est pas indispensable — vérifier que la droite engendrée par , puisque le plan précédent est , et calculer .)
- la droite engendrée par , donc le plan est stable par et la restriction de à ce plan est une isométrie n'admettant pas pour valeur propre, donc est une rotation, dont il reste à déterminer l'angle. Choisissons une b.o.n.d. en posant , , . Alors , donc est la composée de la symétrie orthogonale par rapport au plan , et de la rotation d'axe et d'angle avec et . En effet, l'égalité est vraie sur et sur , donc sur leur somme directe . (On pourrait vérifier que .)
Trouver les réels pour que la matrice suivante soit dans :
- .
Solution
(On vérifie d'abord que les deux premières colonnes sont bien de norme et orthogonales). .
Soient un espace euclidien de dimension 3 orienté, et une base orthonormée directe de . Écrire la matrice dans de la rotation d'axe et d'angle .
Solution
(Une autre possibilité serait d'utiliser l'expression d'une rotation à l'aide du produit vectoriel.)
Soit . , et pour , donc pour .
Il reste à calculer (en fonction de ) :
- ,
- ,
- ,
d'où ,
d'où .
Soient un espace euclidien de dimension et tel que . On définit alors la forme bilinéaire symétrique sur :
- .
- Montrer que est un produit scalaire sur .
- Démontrer que est orthogonal pour le produit scalaire .
- Montrer que . Qu'en déduit-on sur la matrice de dans une base orthonormée pour ?
- On suppose désormais et euclidien canonique. On considère une matrice telle que et . Soit . Déduire de la question précédente qu'il existe telle que .
Solution
- est bilinéaire symétrique positive car pour tout , l'est.
- .
- . Donc la matrice de dans toute base orthonormée pour appartient à .
- Soit la matrice d'une base orthonormée pour . Alors, donc pour un certain angle non nul tel que , donc .
Soient euclidien de dimension 4 et une base orthonormée de . Soient et de matrice dans .
- Montrer que .
- Soit le plan engendré par et . Montrer que est stable par et que la restriction de à est une rotation.
- Montrer que le plan est stable par et est engendré par et . La restriction de à est-elle une rotation ?
Dans euclidien, soient deux rotations, distinctes de l'identité. Montrer que si et seulement si et sont soit deux rotations de même axe, soit deux retournements par rapport à deux droites orthogonales. Dans ce second cas, montrer que est un retournement.
Solution
Notons l'axe de et celui de , avec et unitaires.
- Supposons . Alors donc donc . Si , donc ont même axe. Si n'ont pas même axe alors , donc est un retournement (et aussi en intervertissant dans le raisonnement) et .
- Réciproque du premier cas : deux rotations de même axe commutent (et la composée est la rotation de même axe et d'angle la somme des deux angles).
- Réciproque du second cas : deux retournements d'axes orthogonaux commutent, et la composée est le retournement d'axe : on le voit géométriquement ou matriciellement. On peut aussi se contenter de prouver que est un retournement de (sans préciser son axe) en prouvant que .
- Raisonnement direct par équivalences, en utilisant l'exercice suivant. (en notant l'angle de ) ou et et ont même axe ou sont deux retournements d'axes orthogonaux.
Dans euclidien orienté, soient la rotation d'angle autour d'un vecteur non nul , et une rotation quelconque. Montrer que est la rotation d'angle autour de .
(Simplicité de ) Soit un sous-groupe distingué du groupe des rotations de .
On suppose non réduit au neutre (l'identité de ) et l'on va montrer qu'alors contient au moins un retournement (c), puis qu'il les contient tous (d), puis finalement que tout entier (e).
a) Soit un élément de différent de l'identité. En considérant les , montrer qu'il existe dans au moins une rotation d'angle tel que .
b) Montrer qu'il existe un vecteur non nul tel que .
c) On note le retournement autour de et .
i) Montrer que .
ii) Montrer que est un retournement (utiliser le résultat des deux exercices précédents).
d) Soit un retournement arbitraire.
i) Montrer qu'il existe une rotation telle que (utiliser le résultat de l'exercice précédent).
ii) En déduire que .
iii) En déduire que contient tous les retournements.
e)
i) Démontrer que toute rotation dans est un produit de deux retournements.
ii) En déduire que .
Solution
a) Soit l'angle de la rotation . Il s'agit de prouver qu'il existe tel que . Si un tel n'existait pas on aurait (par récurrence sur ) , d'où , ce qui est exclu par l'hypothèse .
b) Soient un vecteur unitaire de l'axe de la rotation , et un vecteur unitaire orthogonal à . Posons avec . Alors est nul pour .
c)
i) donc donc car , et est un sous-groupe distingué de .
ii) D'après l'exercice précédent (appliqué à ), est le retournement d'axe . D'après la fin de l'exercice 3-12, est donc un retournement.
d)
i) Soient l'axe de et celui de . D'après l'exercice précédent, il s'agit de trouver une rotation telle que . Si , est une solution. Si , on peut par exemple choisir pour le retournement par rapport à l'une des deux bissectrices de et .
ii) , et est un sous-groupe distingué de .
iii) On vient de prouver que n'importe quel retournement appartient à .
e)
i) Soient une rotation dans et son axe. Pour décomposer en produit de deux retournements d'axes il suffit de décomposer, dans le plan , la rotation plane restriction de en produit de deux symétries orthogonales d'axes . Une telle décomposition est toujours possible (on peut même choisir arbitrairement, dans le plan , l'une des deux droites ).
ii) Résulte de d.iii et e.i.