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Cas général

Dans le document Géométrie affine (Page 14-0)

2.2 Forme générale des applications affines

2.2.2 Cas général

Ce qui donne l’expression analytique def. 2.3 Propriétés des applications affines 2.3.1 Image directe sous-espace affine deX.

AlorsfpFq est un sous-espace affine deY, et si ÝÑF est la direction deF, alors ϕ´ÝÑF¯

Conséquences Soitf :XÝÑY affine de partie linéaire ϕ.

(1) f conserve le parallélisme : siF etGsont deux sous-espaces affines deXtels queFG, alorsfpFqfpGq.

a. Le lecteur perspicace reconnaitra ici la forme des fonctions affines telles qu’on les lui a enseignées en troisième...

(2) SiA, B, CPX sont alignés, alors fpAq, fpBq, fpCq aussi.

En effet, supposons que A, B, C P D “ Ω`VectpÝÑuq. Alors fpAq, fpBq, fpCq P fpDq “ fpΩq` VectpϕpÝÑuqq. Si ϕpÝÑuq “ 0,fpAq “ fpBq “ fpCq donc les trois points sont alignés. Sinon, fpDq est la droite dirigée parϕpÝÑuq passant parfpΩq et les trois points appartiennent à cette droite.

2.3.2 Image du barycentre

Soit f : X ÝÑ Y, A1, A2, . . . , An P X et α1, α2, . . . , αn P R tels que α1 ` α2 ` ¨ ¨ ¨ ` αn ‰ 0. Alors f´

Bar´

pAi, αiqiPv1,nw

¯¯

“ Bar´

pfpAiq, αiqiPv1,nw

¯. On dit que f conserve le barycentre. En particulier, f conserve le milieu, c’est-à-dire fpmilpA, Bqq “milpfpAq, fpBqq.

En effet, soitG“Bar´

pAi, αiqiPv1,nw

¯etϕla partie linéaire de f.Ý0ÑE

n

ÿ

i“1

αiÝÝÑGAi d’où

ϕ`Ý0ÑE

˘“

n

ÿ

i“1

ϕ´ÝÝÑGAi¯

ôÝ0ÑF

n

ÿ

i“1

αiÝÝÝÝÝÝÝÝÑ fpGqfpAiq

Illustration : théorème des milieux Soit X un plan affine, A, B, C P X non-alignés et formant un vrai triangle. Alors :

(1) siI “milpA, Bq, alors la parallèle àpBCqqui passe par I coupe pACqen milpA, Cq; (2) siI “milpA, Bq etj“milpA, Cq, alorspIJqpBCq.

En effet, soit ple projecteur surpACq parallèlement à Vect´ÝÝÑ BC

¯. On a bien E “RÝÑ

AC`RÝÝÑBC, et pest affine et conserve le milieu donc ppIq “ milpA, Cq d’où le premier résultat. On sait que ppIq “ J donc, avec les hypothèses dep2q,pIppIqqpBCq.

2.3.3 Composée

SoientX,Y etZ trois espaces affines de directionsE,F etG,f :XÝÑY affine de partie linéaireϕPLpE, Fq etg:Y ÝÑZ affine de partie linéaire ψPLpF, Gq. Alors g˝f est affine de partie linéaireψ˝ϕ.

En effet, @A, BPX,

ÝÝÝÝÝÝÝÝÝÝÝÝÝÑ

g˝fpAqg˝fpBq “ ψ´ÝÝÝÝÝÝÝÑ fpAqgpBq¯

ψ˝ϕ

´ÝÝÑ AB

¯ d’où le résultat.

2.3.4 Inverse

SoientX, Y deux espaces affines de directionsE etF,f :XÝÑY affine de partie linéaireϕ. Alors :

(1) f est bijective si et seulement si ϕest un isomorphisme ; (2) sif est bijective, alorsf´1 est affine de partie linéaire ϕ´1.

(1) ñ Soit ÝÑu P Kerϕ, montrons que ÝÑu “ ÝÑ0 . Soit A P X, BA`ÝÑu, fpBq “ fpAq `ϕpÝÑuq “ fpAq.

f est injective donc AB donc ÝÑu “Ý0ÑF. Soit ÝÑv PF, C PY, DC`ÝÑv. f est surjective donc DA, B PX tels queCfpAq etDfpBq donc

Ý

Ñv “ ÝÝÑ CD

“ ÝÝÝÝÝÝÝÑ fpAqfpBq

ϕ´ÝÝÑAB¯ doncϕest surjective donc bijective.

ð Si ϕ est un isomorphisme, soient A, B P X tels que fpAq “ fpBq, montrons que AB. On a Ý

Ñ0 “ ÝÝÝÝÝÝÝÑ

fpAqfpBq “ ϕ´ÝÝÑAB¯

donc ÝÝÑAB P Kerϕ “ ÑÝ0(

donc AB. Soit maintenant C P Y, on cherche APX tel que fpAq “C. Soit O PX, ΩfpOq P Y,ÝÑv “ÝÑΩC PF. ϕest surjective donc DÝÑu PE tel queÝÑΩC“ϕpÝÑuq. Alors

fpO`ÝÑuq “ fpOq`ϕpÝÑuq

“ Ω`ÝÑv

C

(2) Supposons quef est bijective, alors ϕest un isomorphisme. Montrons que@C, DPY,ÝÝÝÝÝÝÝÝÝÝÝÑ f´1pCqf´1pDq “ ϕ´1

´ÝÝÑ CD

¯, ce qui revient à montrer que,ϕétant bijective,@C, DPY,ÝÝÑ CDϕ

´ÝÝÝÝÝÝÝÝÝÝÝÑ f´1pCqf´1pDq¯

. Soient alorsC, DPX,

ϕ´ÝÝÝÝÝÝÝÝÝÝÝÑ f´1pCqf´1pDq¯

“ ÝÝÝÝÝÝÝÝÝÝÝÝÝÝÝÝÝÑ f˝f´1pCqf ˝f´1pDq

“ ÝÝÑCD

Exemples Pour XY et EF, les translations, homothéties et symétries sont des applications linéaires bijectives deX dansX car IdE est bijective.

2.3.5 Groupe affine

Soit X un espace affine, on note GApXq l’ensemble des applications affines bijectives deX dansX.

❒GApXq ‰∅car@ÝÑu PE,tÝÑu PGApXq.

❒ Si f, g P GApXq, f ˝g est affine et bijective par composition et f´1 est affine donc f˝g P GApXq et f´1PGApXqdonc GApXq est un sous-groupe depSpXq,˝qdoncpGApXq,˝qest un groupe, le groupe affine.

❒ Notons H l’ensemble des homothéties et T l’ensemble des translations. AlorsHYT est un sous-groupe de GApXqappelé groupe des homothéties-translations.

En effet considérons le cas de la composition de deux homothéties, le reste étant assez claira. Soith1h11

eth2h22 des homothéties avec λ1, λ2 PRz t0,1u. a partie linéaire deh2˝h1 estλ2IdE˝λ1IdEλ2λ1IdE. Siλ1λ2 “1, alorsh2˝h1 a pour partie linéaire IdE donc c’est une translation de vecteur ÝÑu eth2˝h1 P

HYT. De plus,

Ý

Ñu “ ÝÝÝÝÝÝÝÝÝÝÑΩ1h2˝h1pΩ1q

“ ÝÝÝÝÝÝÑ Ω1h2pΩ1q

“ ÝÝÝÑΩ12`ÝÝÝÝÝÝÑΩ2h2pΩ1q

“ ÝÝÝÑΩ12`λ2ÝÝÝÑΩ21

“ p1´λ2qÝÝÝÑΩ12

Si λ1λ2 ‰ 1, alors h2˝h1 a pour partie linéaire λIdE avec λ R t0,1u donc c’est une homothétie donc h2˝h1 PHYT

a. «C’est trivial avec des égalités !»

3 Complément : démonstration de quelques théorèmes connus en géomé-trie plane

3.1 Théorèmes de Thalès

Soit X un plan affine, D1, D2 des droites de X sécantes en un point Ω, A, B distincts sur D1z tΩu, A1, B1 distincts surD2z tΩu.

A A1

B B1

Alors

`AA1˘

`

BB1˘

ô ΩA

ΩB “ ΩA1 ΩB1 Mesure algébrique

Soit D une droite de X, ÝÑu un vecteur directeur de D. Si A, B P D, AB est l’unique scalaire λÝÑu tel que ÝÝÑABλÝÑuÝÑu.

❒Il est clair queABdépend deÝÑu, mais siÝÑv est un autre vecteur directeur deD,DαPR˚tel queÝÑvαÝÑu doncÝÝÑABλÝÑvÝÑvλÝÑv αÝÑu doncλÝÑuαλÝÑv.

❒ SoientA, B, C distincts surD, alors AB

AC ne dépend pas du choix deÝÑu. En effet, siÝÝÑABλÝÑuÝÑuλÝÑvÝÑv etÝÑACµÝÑuÝÑuµÝÑvÝÑv, alorsDα‰0{λÝÑuαλÝÑv etµÝÑuαµÝÑv d’où λÝÑu

λÝÑv

αµÝÑu αµÝÑv

µÝÑu µÝÑv .

❒ En fait, AB

AC est l’unique scalaire qui vérifie ÝÝÑABωÝÑAC. En effet, ÝÑACACÝÑu et ÝÝÑABABÝÑu, alors ÝÝÑABAB¨

ÝÑAC ACAB

AC ÝÑAC.

Démonstration du théorème de Thalès Les points Ω, A etA1 ne sont pas alignés donc ´ÝÑΩA,ÝÝÑ ΩA1¯

est libre, c’est une base deE. On aÝÑΩB “ ΩB

ΩA

ÝÑΩA“αÝÑΩAetÝÝÑ

ΩB1 “ ΩB1 ΩA1

ÝÝÑΩA1α1ÝÝÑ

ΩA1.pAA1qpBB1q ô´ÝÝÑ AA1,ÝÝÑ

BB1¯ est liée, orÝÝÑ

AA1 “ÝÑAΩ`ÝÝÑ ΩA1 “ÝÝÑ

ΩA1´ÝÑΩA etÝÝÑ BB1“ÝÝÑ

ΩB1´ÝÑΩB“α1ÝÝÑ

ΩA1´αÝÑΩA. Donc, enfin,

´ÝÝÑ AA1,ÝÝÑ

BB1¯

liée ô detˆÝÑΩA,ÝÝÑ ΩA1˙

´ÝÝÑ AA1,ÝÝÑ

BB1¯

ô

´1 ´α 1 α1

“0 ô αα1

3.2 Résultats concernant les parallélogrammes

SoientA,B,C etDdistincts dansXtels queA,B etDsoient non-colinéaires. ABCDest un parallélogramme si et seulement si ÝÝÑ

AD“ÝÝÑBC.

Propriétés Montrons les équivalences suivantes :

p1q ABCD est un parallélogramme ô ÝÝÑAB“ÝÝÑDC p2q

ô pADqpBCq et pABqpCDq p3q ô milpB, Dq “milpA, Cq p4q

p1q ñ p2q ÝÝÑ AD“ÝÝÑ

BC doncÝÝÑ AB“ÝÝÑ

AD`ÝÝÑ DC`ÝÝÑ

CB“ÝÝÑDC.

p2q ñ p1q ÝÝÑAB“ÝÝÑDC doncÝÝÑAD“ÝÝÑAB`ÝÝÑBC`ÝÝÑCD“ÝÝÑBC.

p1q ñ p3q SiÝÝÑAD“ÝÝÑBC,ÝÝÑAB“ÝÝÑDC d’où les deux parallélismes.

p3q ñ p1q Plaçons nous dans´

A,ÝÝÑAB,ÝÝÑAD¯ :ÝÝÑAD

ˇ ˇ ˇ ˇ

0 1 ,ÝÝÑAB

ˇ ˇ ˇ ˇ

1 0 ,C

ˇ ˇ ˇ ˇ

α

β etÝÝÑBC ˇ ˇ ˇ ˇ

α´1

β .ÝÝÑBC PVect´ÝÝÑAD¯ donc α“1.ÝÝÑCD

ˇ ˇ ˇ ˇ

´α

β etÝÝÑCDPVect´ÝÝÑAB¯

doncβ “1 donc C ˇ ˇ ˇ ˇ

1

1 doncÝÝÑAD“ÝÝÑBC p1q ñ p4q SoitI “milpA, Cq,

ÝÑIB`ÝÑ

ID “ ÝÑ IA`ÝÑ loooomoooonAC

Ý Ñ0

`ÝÝÑ AB`ÝÝÑ loooomoooonCD

Ý Ñ0

“ ÝÑ0 DoncI “milpB, Dq.

p4q ñ p1q SoitI “milpA, Cq “milpB, Dq, montrons queÝÝÑAD“ÝÝÑBC. ÝÝÑAD “ ÝAIÑ`ÝÑIB`ÝÝÑBC`ÝÑCI`ÝÑID

“ ÝÝÑBC

3.3 Théorème de Ménélaus

Soient A,B etC non-alignés dans X,A1 P pBCq z tB, Cu,B1P pACq z tA, CuetC1 P pABq z tA, Bu.

A B

C

C1

B1

A1

Alors

A1, B1, C1 alignésô A1B

A1C ˆB1C

B1A ˆC1A C1B “1

Démonstration On se place dans le repère cartésien´

Il existe une autre démonstration plus élégante n’utilisant que des considérations géométriques, mais la recopier ici me prendrait trop de temps, surtout pour les figures. Veuillez agréer mes plus plates excuses pour cet acte de fumisterie !

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