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Exercice 52 : applications aux ellipsoïdes

5. Endomorphismes antisymétriques

5.1. Définitions, premiers résultats.

Définition : L’endomorphisme u est dit antisymétrique ou antiautoadjoint si u* = − u, i.e. si : ∀(x, y) ∈ E2 (x | u(y)) = − (u(x) | y) .

Proposition 1 : correspondance endomorphismes et matrices antisymétriques.

On a l’équivalence des trois propriétés : i) u est antisymétrique ;

ii) La matrice de u dans toute base orthonormée est antisymétrique ; iii) La matrice de u dans une base orthonormée est antisymétrique.

Proposition 2 : correspondance endomorphismes antisymétriques-formes bilinéaires antisymé-triques. Soit u ∈LLLL(E). On a l’équivalence :

i) u est antisymétrique ;

ii) Φu : (x, y) ∈ E2 → Φu(x, y) = (x | u(y)) est une forme bilinéaire antisymétrique (≡ alternée).

L’application u → Φu est un isomorphisme de l’espace vectoriel réel A(E) des endomor-phismes symétriques sur l’espace A2(E) des formes bilinéaires antisymétriques.

Propostion 3 : LLLL(E) = S(E) ⊕ A(E) , et dim A(E) = dim An(R) = 2

) 1 (nn .

Exercice 1 : Soit u ∈ LLLL (E). Montrer que u est antisymétrique ssi : ∀x ∈ E (x | u(x)) = 0 . Géométriquement, cela signifie que u(x) est toujours orthogonal à x.

Exercice 2 : Soit u une application de E dans E telle que : ∀(x, y) ∈ E2 (x | u(y)) = − (u(x) | y) . Montrer que u est linéaire.

Exercice 3 : Montrer que A(E) est stable pour le crochet de Lie [ u, v ] = u o v − v o u.

C’est donc une algèbre (non associative) pour cette loi.

Exercice 4 : Soient u, v dans A(E). Montrer que u o v ∈ A(E) ⇔ v o u = − u o v.

5.2. Exemples.

− En dimension 1, la seule application antisymétrique est l’application nulle.

− En dimension 2, les applications antisymétriques sont les similitudes d’angle ±

π

2.

− En dim 3, orientons E, munissons-le du produit vectoriel xy et du produit mixte [ x,y,z]. Proposition 4 : i) Pour tout vecteur

ω

, l’application u : x

ω

x est antisymétrique ; Si

ω

0, son noyau est la droite D = R.

ω

, son image le plan P = D.

ii) Réciproquement, toute application antisymétrique est de cette forme.

Exercice 5 : Montrer que, pour toute base orthonormée directe BBBB = (i, j,k), on a :

ω

=

2

1

[

i ∧∧∧∧ u(i) + j ∧∧∧∧ u( j) + k ∧∧∧∧ u(k)

]

.

Exercice 6 : Montrer qu’avec les notations de l’ex 3, si u et u' sont antisymétriques de vecteurs

ω

et

ω

', alors [u, u'] est antisymétrique de vecteur

ω

∧∧∧∧

ω

'.

5.3. Dévissage des endomorphismes antisymétriques.

Théorème 5 : Si u est un endomorphisme antisymétrique, il existe une base orthonormée BBBB = (e1, ..., en) de E telle que Mat(u, BBBB) = diag(0, ..., 0, J1 , ..., Jr) , où Jk = 

 − 0 0

k k

a

a ( a

k R* ).

Corollaire : Si A est une matrice antisymétrique réelle, il existe une matrice orthogonale P, telle que : P1.A.P = tP.A.P = diag(0, ..., 0, J1 , ..., Jr) , où Jk = 

 − 0 0

k k

a

a

( ak ∈ R* ).

Preuve : Elle repose sur deux lemmes déjà rencontrés, et sur une récurrence sur n.

Lemme 1 : Tout f ∈LLLL(E) admet une droite ou un plan stable.

Lemme 2 : L’orthogonal de tout sous-espace u-stable est u-stable.

Ce théorème est à la base de la géométrie symplectique, c’est-à-dire de l’étude des R-ev munis d’une forme bilinéaire alternée.

Exercice 7 : Soient E un espace euclidien, a et b deux vecteurs libres de E.

Etudier et réduire l’endomorphisme u(x) = (a | x) b – (b | x) a.

Exercice 8 : Réduire dans C et dans R la matrice A ∈ Mn(R) définie par : aii = 0 , aij = 1 si i > j , aij = −1 si j > i .

Exercice 9 : 1) Montrer que toute matrice antisymétrique réelle est de rang pair.

2) Montrer qu’une matrice antisymétrique d’ordre impair a un déterminant nul, et qu’une matrice antisymétrique d’ordre pair a pour déterminant 0 ou un carré du corps K.

3) Calculer le déterminant de la matrice antisymétrique générique d’ordre 4 ; qu’observe-t-on ? [ Ceci est le point de départ de la théorie du pfaffien.]

Exercice 10 : Soit E un espace euclidien. Caractériser les endomorphismes à la fois orthogonaux et antisymétriques de E.

Exercice 11 : Soient E un espace euclidien, f ∈ LLLL(E). Montrer que deux des trois propriétés entraînent la troisième : a) f2 = − IdE ; b) f est une isométrie ; c) ∀x ∈ E (x | f(x)) = 0 . Dévisser ces endomorphismes.

Exercice 12 : Soient (x1, ..., xk) des vecteurs de E ; trouver dim{ f ∈LLLL(E) ; (i) f(xi) = f*(xi) }.

Exercice 13 : Soit M ∈ Mn(R) telle que S = 2

M M+t

soit positive. Montrer que det M ≥ det S.

[ Indication : utiliser le théorème spectral des matrices antisymétriques.] Exercice 14 : Coordonnées de Plücker des plans de R4.

Soit P un plan de R4. A toute base BBBB = (u, v) de ce plan, que l’on représente comme une matrice à 4 lignes et 2 colonnes, on associe la matrice carrée A = A(P, BBBB) = (aij), où aij =

j j

j i

v u

u u . 1) Montrer que A est antisymétrique, non nulle, et de rang 2.

2) Soient BBBB et BBBB’ deux bases de P. Montrer que A(P, BBBB’) = λ.A(P, BBBB), où λ R*.

3) Soient P et P’ deux plans de R4 . Montrer que A(P, BBBB) = A(P’, BBBB’) P = P’.

4) Montrer que toute matrice antisymétrique d’ordre 4 et de rang 2 est de la forme A(P, BBBB).

Exercice 15 : Autre preuve du théorème 5.

1) Si u ∈LLLL(E) est antisymétrique, montrer que u2 est symétrique négatif. Conséquences ? 2) Soit x un vecteur propre de u2 associé à une valeur propre < 0 ; que dire de Vect(x, u(x)) ?

3) Conclure.

Exercice 16 : Soit A ∈ An(R) considérée comme élément de Mn(C). Montrer que les valeurs propres de A sont imaginaires pures, et que, si Z = X + iY est un vecteur propre complexe, X et Y étant réels, alors X et Y sont ortogonaux. Exemple : A =





− − − 0 0 0

a b

a c

b c

.

5.4. Lien entre matrices antisymétriques et matrices de rotation.

Entre A(E) et O+(E) existent des liens profonds : théories du repère mobile, et des algèbres de Lie, qui sont ici abordés en exercices.

Exercice 17 : Montrer que l’application u → exp u de LLLL(E) dans Gl(E) induit une surjection continue de l’espace vectoriel A(E) des endomorphismes antisymétriques sur le groupe compact SO(E) = O+(E) des rotations de E.

Application : retrouver les connexité par arcs de O+(E) et O(E).

Exemple : Soit E un espace euclidien orienté de dimension 3, u : x → ω ∧ x (ω unitaire).

Reconnaître u o u et exp(θu).

Exercice 18 : Sous-groupes à un paramètre de O(E) et GO(E).

Déterminer les homomorphismes de groupes continus ϕ de (R , +) dans O(E), puis dans GO(E).

On pourra commencer par démontrer que de tels morphismes sont de classe C1.

Exercice 19 : 1) Soit γ : t ∈ R → M(t) ∈ O(E) un arc paramétré de classe C1, tracé dans O(E), et tel que M(0) = I. Montrer que

dt

dM (0) = M'(0) ∈ A(E).

2) Réciproquement, montrer que toute matrice antisymétrique A est le vecteur tangent en I à un arc paramétré de classe C1 tracé dans O(E).

Remarque : Il découle de ces résultats que SOn(R) est un sous-groupe à n(n−1)/2 paramètres (on dit aussi une variété différentiable de dimension n(n−1)/2), de Mn(R). En effet, pour se donner une matrice anti-symétrique A, il faut se donner les aij (i < j). De plus, si l’on note Aij = Eij – Eij (i < j), les arcs paramétrés t

→ exp(t.Aij) sont tous tracés sur SOn(R), passent par I à l’instant 0 et ont pour vecteur dérivé Aij à cet instant. Ainsi, l’espace tangent en I à SOn(R) est I + An(R).

Exercice 20 : Soit A ∈ An(R), Y' = A.Y le système différentiel linéaire associé.

Montrer que

||

Y(t)

||

est constant, donc que l’arc t → Y(t) est tracé sur une sphère. Réciproque ? Exercice 21 : Repère mobile.

1) Soit I un intervalle de R, t → BBBB(t) = (e1(t), ..., en(t)) une application de classe C1 de I dans l’ensemble des bases orthonormées de E. On note

dt d e

j(t) =

= n

i j

i t

1 ,()

ω .ei(t) (∀j).

Montrer que pour tout t, la matrice Ω(t) = (ωij(t)) est antisymétrique.

En particulier, si n = 3, il existe un vecteur

ω

(t) tel que (∀j) dt

d e

j(t) =

ω

(t) ∧ ej(t).

On l’appelle vecteur rotation instantanée du repère à l’instant t.

2) Exemples : comment se traduisent ces propriétés dans le cas :

− du repère radial θ→ (u(θ),v(θ)) ,

− du repère de Frénet d’une courbe plane de classe C2 ,

− du repère de Serret-Frénet d’une courbe gauche ,

− du repère de Darboux-Ribaucour d’une surface...

3) Soit t → Ω(t) une application de classe C1 de I dans l’ensemble des matrices antisymé-triques. Montrer qu’existe une unique application t → BBBB(t) = (e1(t), ..., en(t)) de classe C1 de I dans l’ensemble des bases orthonormées de E, telle que (t)

dt

Exercice 22 : transformation de Cayley (1846).

Montrer que A → R = ( I − A) o ( I + A)−1 met en bijection l’ensemble des matrices antisymé-triques réelles d’ordre n et l’ensemble des rotations n’admettant pas −1 comme valeur propre.

6. Norme subordonnée, norme euclidienne sur LLLL(E).

Soit E un espace euclidien. Toutes les normes sur LLLL(E) sont équivalentes, mais deux d’entre elles sont particulièrement intéressantes : la norme subordonnée à la norme euclidienne, dite « norme spectrale », et la norme dite « de Frobenius », qui a le triple avantage d’être euclidienne, plus facile à calculer, et plus fine : ainsi les orthoprojecteurs ont pour norme spectrale 0 ou 1, tandis que leur norme de Frobenius dépend de leur rang.

6.1. Norme triple, ou norme spectrale.

1) Soit u un endomorphisme symétrique positif ; exprimer ||| u ||| à l’aide des valeurs propres de u. Même question pour un endomorphisme symétrique quelconque.

2) Soit f un endomorphisme quelconque. base orthonormée propre adaptée. Alors x =

=

après un instant de réfléxion sur les propriétés de la parabole y = x2.

2) Si f est quelconque, || f(x) ||2 = ((f* o f)(x) | x) ≤λ1.||x||2 , en notant λ1≥λ2≥ ... ≥λn≥ 0 les valeurs propres de f* o f, et B = (e1, ..., en) une base orthonormée propre adaptée.

Par Rayleigh-Ritz, ||| f ||| = λ1(f*of)λ1( f* o f ) est la plus grande valeur propre de f*o f . La deuxième assertion est laissée en exercice.

3) ||x|| ≤ 1 et ||y|| ≤ 1 impliquent |(f(x) | y)| ||f(x)||.||y|| |||f|||.||x||.||y|| = |||f |||, par Cauchy-Schwarz.

Donc m = sup { | (f(x) | y) | ; ||x|| ≤ 1 et ||y|| ≤ 1 } ≤ ||| f |||.

De plus, par homogénéité, ∀(x, y) |(f(x) | y)| ≤ m.||x||.||y||. Prenons pour x un vecteur de norme 1 tel que || f(x) || = ||| f ||| (par compacité de la boule unité, ou par 2), et choisissons y = x.

Alors ||| f |||2 ≤ m.||| f |||, d’où, en simplifiant ||| f ||| ≤ m (si f non nul, sinon…).

4) ||| f* ||| = sup{ | (f*(x) | y) | ; ||x|| ≤ 1 et ||y|| ≤ 1} = sup{ | (x | f(y)) | ; ||x|| ≤ 1 et ||y|| ≤ 1 } = ||| f |||.

La deuxième assertion découle de 1) et 2).

5) La réponse est non, en dimension ≥ 2.

Si Mat(f) = diag(1, 1, 0, …, 0) et Mat(g) = diag(1, −1, 0, … , 0) dans une base orthonormée,

||| f + g ||| = 2 = ||| f ||| + ||| g |||, alors que f et g ne sont pas liés.

Exercice 2 : Soit E euclidien. On dit que u ∈ LLLL(E) est une contraction large si ∀x || u(x) || ≤ ||x||.

a) Montrer que u est une contraction ssi u* est une contraction.

b) Soit u une contraction large. Pour k ≥ 1, soit pk = k

1

1 0 i k

ui . Limite de la suite (pk) ? Exercice 3 : Soient E et F deux espaces euclidiens.

1) Etendre les résultats précédents à la norme subordonnée : f ∈LLLL(E, F) ||| f ||| = sup {

x x f )(

; x ≠ 0 }.

2) Soient u et v des endomorphismes symétriques définis positifs de E et F respectivement, (x | x’)u = (x | u(x’)) et (y | y’)v = (y | v(y’)) les produits scalaires associés, Eu et Fv les espaces euclidiens. Exprimer la norme triple de f considéré comme élément de LLLL(Eu, Fv) à l’aide de ||| f |||.

6.2. Norme de Frobenius.

Exercice 4 : 1) Montrer que ( f | g ) = tr( f* o g ) est un produit scalaire sur LLLL(E).

On note || f || = tr( off* ) la norme euclidienne associée. Est-ce une norme subordonnée ? Montrer que || f* || = || f || , || f o g || || f ||.|| g || et || u o f || = || f o u || = || f || ∀u ∈ O(E).

2) Comparer cette norme à la norme subordonnée ||| f |||, d’un double point de vue : i) trouver les meilleures constantes d’encadrement, et étudier les cas d’égalité.

ii) laquelle est la plus commode ?

3) Que dire de la somme directe LLLL(E) = SSSS(E) AAAA(E) relativement à ce produit scalaire ? Si f est élément de LLLL(E), quels sont les éléments de SSSS(E), resp. AAAA(E), les plus proches de f ? 4) Montrer que u ∈ O(E) ⇔ ||| u ||| = 1 et || u || = n.

5) Pour tout couple (a, b) de vecteurs ≠ 0, montrer que sa,b : x → (a | x).b est de rang 1.

Réciproque ? Obtenir une base orthonormée de L(E) formée d’endomorphismes de rang 1.

6) Soient u, v ∈ LLLL(E). A quelle condition les applications f → u o f , f → f o v et f → u o f o v sont-elles orthogonales pour le produit scalaire ( | ) ?

Solution : 1) 1ère méthode : ( f | g ) est une forme bilinéaire, symétrique car ( g | f ) = tr(g* o f ) = tr(( g* o f )*) = tr( f* o g ) = ( f | g ) Elle est positive car si (e1, ..., en) est une base orthonormée de E, ( f | f ) =

((f*of)(ei)ei) =

f(ei)² 0, et ( f | f ) = 0 ⇒ (∀i) f(ei) = 0 ⇒ f = 0.

2ème méthode : Soit BBBB une base orthonormée de E. Si A et B sont les matrices de f et g relative-ment à cette base, ( f | g ) = tr(tA.B) =

j i

ij ijb a

,

. : ce n’est autre que le produit scalaire standard sur Mn(R) identifié à R.

La norme associée n’est pas subordonnée car || IdE || = n, et non || IdE || = 1. La suite est facile. carrée d’une plus grande valeur propre) ;

− parce qu’elle est euclidienne, et donc de géométrie simple ; cf d’ailleurs 3)…

3) SSSS(E) et AAAA(E) sont supplémentaires orthogonaux de LLLL(E) pour le produit scalaire ( | ) . En effet, si f est symétrique et g antisymétrique,

( f | g ) = tr( f* o g ) = tr( f o g ) = ( g | f ) = tr(g* o f ) = tr(− g o f ) = − tr(g o f) = − tr(f o g),

Exercice 5 : On munit R2 de la structure euclidienne standard.

Soit A = 

Exercice 9 : On sait que la boule unité de l’espace euclidien usuel Rn a pour volume 2)

Calculer les volumes usuels, dans leurs espace respectifs, de :

{ A ∈ Mn(R) ; || A || ≤ 1 } , { A ∈ Sn(R) ; || A || ≤ 1 } et { A ∈ An(R) ; || A || ≤ 1 } . Remarque : le lecteur est convié à interroger Maple sur ces sujets : taper ?linalg[norm] ;

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