Mathematics · Livre 5 · Bachelor Year 3

Mathématiques universitaires — Licence 3

Mathématiques universitaires — Licence 3 · Bachelor Year 3

20Sous-variétés de ℝn

Sphères, tores, groupes de rotations : les habitats naturels de la géométrie et de la mécanique ne sont pas des espaces vectoriels mais des ensembles courbes qui paraissent plats de près. Ce chapitre donne un sens précis à cette phrase — les sous-variétés de Rn\R^n — et le calcul pour travailler dessus. Le fondement est le théorème d’inversion locale, prouvé ici par le point fixe de Banach ; tout le reste est un changement de coordonnées : les quatre descriptions équivalentes d’une sous-variété (redressement local, ensembles de niveau, graphes, paramétrisations), les espaces tangents, et l’optimisation sous contrainte par les multiplicateurs de Lagrange — qui, en démonstration d’adieu, reprouve le théorème spectral pour les matrices symétriques en trois lignes de géométrie. Le problème de week-end construit le groupe de rotations SO(3)SO(3) et son double revêtement quaternionique : l’algèbre (Q8Q_8 du Chapitre 1 devenu adulte) rencontrant la géométrie.

20.1 Le théorème d’inversion locale

Théorème 20.1 (Théorème d’inversion locale)

Soit U⊆RnU \subseteq \R^n ouvert, f ⁣:U→Rnf \colon U \to \R^n de classe C1\mathcal C^1, et a∈Ua \in U avec Df(a)Df(a) inversible. Alors il existe des ouverts V∋aV \ni a, W∋f(a)W \ni f(a) tels que f ⁣:V→Wf \colon V \to W est une bijection d’inverse C1\mathcal C^1, et

D(f−1)(y)=(Df(f−1(y)))−1(y∈W).D(f^{-1})(y) = \bigl(Df(f^{-1}(y))\bigr)^{-1} \qquad (y \in W).

Si ff est Ck\mathcal C^k, il en va de même de f−1f^{-1}.

Démonstration. Normalisons : en remplaçant ff par x↦Df(a)−1(f(a+x)−f(a))x \mapsto Df(a)^{-1}\bigl(f(a + x) - f(a)\bigr), on peut supposer a=0a = 0, f(0)=0f(0) = 0, Df(0)=IDf(0) = I (l’énoncé général suit en composant avec les bijections affines). Écrivons f(x)=x+g(x)f(x) = x + g(x) : Dg(0)=0Dg(0) = 0, et par continuité de DgDg choisissons r>0r > 0 avec ∣∣∣Dg(x)∣∣∣≤12\vertiii{Dg(x)} \leq \frac12 sur Bˉ(0,r)\bar B(0, r) ; l’inégalité des accroissements finis donne ∥g(x)−g(x′)∥≤12∥x−x′∥\norm{g(x) - g(x')} \leq \frac12 \norm{x - x'} là.

Bijectivité sur un voisinage. Pour y∈B(0,r2)y \in B(0, \frac r2), résoudre f(x)=yf(x) = y revient à trouver un point fixe de Φy(x)=y−g(x)\Phi_y(x) = y - g(x) ; Φy\Phi_y envoie Bˉ(0,r)\bar B(0, r) dans elle-même (∥Φy(x)∥≤∥y∥+12∥x∥≤r\norm{\Phi_y(x)} \leq \norm y + \frac12\norm x \leq r) et est 12\frac12-lipschitzienne : Banach (Théorème 7.4) fournit une unique solution x=φ(y)∈Bˉ(0,r)x = \varphi(y) \in \bar B(0,r). De plus ff est injective sur Bˉ(0,r)\bar B(0,r) :

∥f(x)−f(x′)∥≥∥x−x′∥−∥g(x)−g(x′)∥≥12∥x−x′∥.(∗)\norm{f(x) - f(x')} \geq \norm{x - x'} - \norm{g(x) - g(x')} \geq \tfrac12\norm{x - x'} . \tag{$*$}

Posons W=B(0,r2)W = B(0, \frac r2) et V=f−1(W)∩B(0,r)V = f^{-1}(W)\cap B(0, r) : ouvert (continuité), avec f ⁣:V→Wf \colon V \to W bijective.

Continuité et différentiabilité de l’inverse. (∗)(*) dit que φ=f−1\varphi = f^{-1} est 22-lipschitzienne. Fixons y0=f(x0)∈Wy_0 = f(x_0) \in W ; l’inversibilité de A=Df(x0)A = Df(x_0) (sa distance à II est ≤12\leq \frac12 : Neumann, Proposition 8.4) et la différentiabilité de ff donnent, pour y=f(x)y = f(x) près de y0y_0 :

φ(y)−φ(y0)−A−1(y−y0)=−A−1(f(x)−f(x0)−A(x−x0))=−A−1 o(∥x−x0∥)=o(∥y−y0∥),\varphi(y) - \varphi(y_0) - A^{-1}(y - y_0) = -A^{-1}\bigl(f(x) - f(x_0) - A(x - x_0)\bigr) = -A^{-1}\,o(\norm{x - x_0}) = o(\norm{y - y_0}),

en utilisant (∗)(*) pour convertir ∥x−x0∥≤2∥y−y0∥\norm{x - x_0} \leq 2\norm{y - y_0} : φ\varphi est différentiable en y0y_0 avec la différentielle inverse. Continuité de y↦Dφ(y)=Df(φ(y))−1y \mapsto D\varphi(y) = Df(\varphi(y))^{-1} : composition d’applications continues (l’inversion est continue, Proposition 8.4) : φ∈C1\varphi \in \mathcal C^1 ; le bootstrap de la même formule donne Ck\mathcal C^k. ∎

Théorème 20.2 (Théorème des fonctions implicites)

Soit F ⁣:U⊆Rp×Rq→RqF \colon U \subseteq \R^p\times\R^q \to \R^q de classe C1\mathcal C^1 près de (a,b)(a, b), F(a,b)=0F(a,b) = 0, et supposons la différentielle partielle DyF(a,b)∈L(Rq)D_yF(a,b) \in \mathcal L(\R^q) inversible. Alors il existe des voisinages A∋aA \ni a, B∋bB \ni b et une application C1\mathcal C^1 ψ ⁣:A→B\psi \colon A \to B avec

{(x,y)∈A×B:F(x,y)=0}={(x,ψ(x)):x∈A},\bigl\{(x, y)\in A\times B : F(x,y) = 0\bigr\} = \{(x, \psi(x)) : x \in A\},

et Dψ(x)=−DyF(x,ψ(x))−1 DxF(x,ψ(x))D\psi(x) = -D_yF(x, \psi(x))^{-1}\,D_xF(x, \psi(x)).

Démonstration. Appliquer le Théorème 20.1 à Θ(x,y)=(x,F(x,y))\Theta(x, y) = (x, F(x,y)) : sa différentielle en (a,b)(a,b), triangulaire par blocs avec blocs diagonaux inversibles II et DyFD_yF, est inversible. L’inverse local est de la forme Θ−1(x,z)=(x,h(x,z))\Theta^{-1}(x, z) = (x, h(x, z)) ; posons ψ(x)=h(x,0)\psi(x) = h(x, 0) : alors F(x,y)=0F(x, y) = 0 ssi Θ(x,y)=(x,0)\Theta(x,y) = (x, 0) ssi y=ψ(x)y = \psi(x), localement. La formule : dériver F(x,ψ(x))=0F(x, \psi(x)) = 0 par la règle de la chaîne. ∎

20.2 Sous-variétés : quatre définitions

Théorème 20.3 (Caractérisations équivalentes)

Soit M⊆RnM \subseteq \R^n, d∈{0,…,n}d \in \{0, \dots, n\}, et k≥1k \geq 1. Les assertions suivantes sont équivalentes, pour chaque point a∈Ma \in M (et MM est une sous-variété de dimension dd de classe Ck\mathcal C^k si elles valent en tout a∈Ma \in M) :

  1. (Redressement) Il existe un difféomorphisme Ck\mathcal C^k Φ\Phi d’un ouvert Ω∋a\Omega \ni a sur un ouvert Ω′⊆Rn\Omega' \subseteq \R^n avec

    Φ(M∩Ω)=Ω′∩(Rd×{0}).\Phi(M\cap\Omega) = \Omega' \cap \bigl(\R^d\times\{0\}\bigr).
  2. (Ensemble de niveau) Il existe une submersion Ck\mathcal C^k F ⁣:Ω→Rn−dF \colon \Omega \to \R^{n-d} (c’est-à-dire DF(x)DF(x) surjective) sur un ouvert Ω∋a\Omega \ni a avec M∩Ω=F−1(0)M\cap\Omega = F^{-1}(0).
  3. (Graphe) À permutation des coordonnées près, MM est localement le graphe d’une application Ck\mathcal C^k ψ ⁣:A⊆Rd→Rn−d\psi \colon A \subseteq \R^d \to \R^{n-d}.
  4. (Paramétrisation) Il existe une immersion Ck\mathcal C^k φ ⁣:A⊆Rd→Rn\varphi \colon A \subseteq \R^d \to \R^n (Dφ(u)D\varphi(u) injective) avec AA ouvert, φ\varphi un homéomorphisme de AA sur M∩ΩM \cap \Omega pour un ouvert Ω∋a\Omega \ni a.

Démonstration. (1)⇒\Rightarrow(2) : F=(Φd+1,…,Φn)F = (\Phi_{d+1}, \dots, \Phi_n) (dernières coordonnées de Φ\Phi) : une submersion (DΦD\Phi inversible). (2)⇒\Rightarrow(3) : DF(a)DF(a) surjective : un mineur q×qq \times q de la jacobienne est inversible (q=n−dq = n - d) ; après permutation des coordonnées, DyF(a)D_yF(a) est inversible, et le théorème des fonctions implicites (Théorème 20.2) exprime MM localement comme un graphe y=ψ(x)y = \psi(x). (3)⇒\Rightarrow(4) : φ(x)=(x,ψ(x))\varphi(x) = (x, \psi(x)) : une immersion (différentielle (IDψ)\bigl(\begin{smallmatrix}I\\ D\psi\end{smallmatrix}\bigr) injective), un homéomorphisme sur le graphe (inverse : la projection, continue). (4)⇒\Rightarrow(1) : soit φ(u0)=a\varphi(u_0) = a ; compléter im⁡Dφ(u0)\operatorname{im}D\varphi(u_0) par un supplémentaire EE (dim⁡E=n−d\dim E = n - d) et définir Θ(u,v)=φ(u)+v\Theta(u, v) = \varphi(u) + v sur A×EA\times E : DΘ(u0,0)D\Theta(u_0, 0) est bijective (l’image contient im⁡Dφ(u0)\operatorname{im}D\varphi(u_0) et EE), donc Θ\Theta est un difféomorphisme local (Théorème 20.1) ; son inverse Φ\Phi redresse : près de aa, les points de MM sont exactement les φ(u)=Θ(u,0)\varphi(u) = \Theta(u, 0) — pour cela, l’hypothèse d’homéomorphisme dans (4) garantit que M∩ΩM\cap\Omega, pour Ω\Omega petit, ne contient pas d’autres feuilles (φ(u′)+v=m∈M\varphi(u') + v = m \in M proche de aa avec v≠0v \neq 0 petit doit être exclu : m=φ(u′′)m = \varphi(u'') pour un u′′u'' près de u0u_0 par la propriété d’homéomorphisme, et l’injectivité locale de Θ\Theta force v=0v = 0). Alors Φ(M∩Ω)=(A×{0})∩Φ(Ω)\Phi(M\cap\Omega) = (A\times\{0\})\cap\Phi(\Omega) quitte à rétrécir. ∎

Exemple 20.4

La sphère Sn−1={∥x∥2=1}S^{n-1} = \{\norm x^2 = 1\} : ensemble de niveau de la submersion F(x)=∥x∥22−1F(x) = \norm x_2^2 - 1 sur Rn∖{0}\R^n\setminus\{0\} (DF(x)=2xT≠0DF(x) = 2x^{\mathsf T} \ne 0) : une sous-variété C∞\mathcal C^\infty de dimension n−1n - 1. Le tore dans R3\R^3 : ensemble de niveau de (x2+y2−R)2+z2−r2\bigl(\sqrt{x^2 + y^2} - R\bigr)^2 + z^2 - r^2 (0<r<R0 < r < R). Le cône {x2+y2=z2}\{x^2 + y^2 = z^2\} n’est pas une sous-variété en 00 (Exercice 20.1). Groupes de matrices : SLnSL_n et OnO_n sont des sous-variétés de Mn(R)M_n(\R) (Exercices 20.5 et 20.6) — le point de départ de la théorie de Lie.

20.3 Espaces tangents

Définition 20.5

Soit MM une dd-sous-variété et a∈Ma \in M. L’espace tangent TaMT_aM est l’ensemble des vecteurs vitesse γ′(0)\gamma'(0) des courbes C1\mathcal C^1 γ ⁣:(−ε, ε)→M\gamma \colon \intoo{-\varepsilon}\varepsilon \to M avec γ(0)=a\gamma(0) = a.

Proposition 20.6

TaMT_aM est un sous-espace vectoriel de dimension dd de Rn\R^n, et :

  1. si M=F−1(0)M = F^{-1}(0) localement avec FF une submersion : TaM=ker⁡DF(a)T_aM = \ker DF(a) ;
  2. si MM est paramétrée par l’immersion φ\varphi (φ(u0)=a\varphi(u_0) = a) : TaM=im⁡Dφ(u0)T_aM = \operatorname{im}D\varphi(u_0).

Démonstration. Les courbes dans MM vérifient F(γ(t))=0F(\gamma(t)) = 0 ; la règle de la chaîne en 00 donne DF(a)γ′(0)=0DF(a)\gamma'(0) = 0 : TaM⊆ker⁡DF(a)T_aM \subseteq \ker DF(a). Réciproquement, le redressement (Théorème 20.3(1)) transporte les droites de Rd×{0}\R^d\times\{0\} en courbes de MM : tout vecteur d’un sous-espace de dimension dd est réalisé ; en comparant les dimensions (dim⁡ker⁡DF(a)=n−(n−d)=d\dim\ker DF(a) = n - (n - d) = d) on force l’égalité dans (1), et le même argument de transport donne (2) (Dφ(u0)D\varphi(u_0) appliqué aux droites de AA ; dimensions encore). ∎

Théorème 20.7 (Multiplicateurs de Lagrange)

Soit M=F−1(0)M = F^{-1}(0) avec F=(F1,…,Fq) ⁣:Ω→RqF = (F_1, \dots, F_q) \colon \Omega \to \R^q une submersion C1\mathcal C^1, et f ⁣:Ω→Rf \colon \Omega \to \R de classe C1\mathcal C^1. Si la restriction f↾Mf\restriction_M a un extremum local en a∈Ma \in M, alors il existe d’uniques réels λ1,…,λq\lambda_1, \dots, \lambda_q (multiplicateurs de Lagrange) avec

∇f(a)=λ1∇F1(a)+⋯+λq∇Fq(a).\nabla f(a) = \lambda_1\nabla F_1(a) + \dots + \lambda_q\nabla F_q(a) .

Démonstration. Pour toute courbe γ\gamma dans MM passant par aa : t↦f(γ(t))t \mapsto f(\gamma(t)) a un extremum local en 00, donc 0= ⁣d ⁣dtf(γ(t))∣0=⟨∇f(a),γ′(0)⟩0 = \frac{\dd}{\dd t}f(\gamma(t))\big|_0 = \langle\nabla f(a), \gamma'(0)\rangle : ∇f(a)⊥TaM=ker⁡DF(a)\nabla f(a) \perp T_aM = \ker DF(a) (Proposition 20.6). Or ker⁡DF(a)⊥=im⁡DF(a)T\ker DF(a)^\perp = \operatorname{im}DF(a)^{\mathsf T} (l’identité rang/orthogonalité de l’année 2, ou Exercice 13.8 en dimension finie : (ker⁡T)⊥=im⁡T∗(\ker T)^\perp = \operatorname{im}T^*), qui est engendré par les gradients ∇Fi(a)\nabla F_i(a) — indépendants, car DF(a)DF(a) est surjective : les multiplicateurs existent et sont uniques. ∎

Exemple 20.8 (Le théorème spectral, géométriquement)

Soit AA une matrice réelle symétrique n×nn\times n et maximisons f(x)=⟨Ax,x⟩f(x) = \langle Ax, x\rangle sur la sphère Sn−1S^{n-1} (compacte : le maximum est atteint, en un certain v1v_1). Lagrange avec F(x)=∥x∥2−1F(x) = \norm x^2 - 1 : ∇f=2Ax\nabla f = 2Ax et ∇F=2x\nabla F = 2x donnent Av1=λ1v1Av_1 = \lambda_1v_1 — un vecteur propre, avec λ1=max⁡Sn−1⟨Ax,x⟩\lambda_1 = \max_{S^{n-1}}\langle Ax, x\rangle. Restreignons AA à v1⊥v_1^\perp (invariant : ⟨Av,v1⟩=⟨v,Av1⟩=λ1⟨v,v1⟩=0\langle Av, v_1\rangle = \langle v, Av_1\rangle = \lambda_1\langle v, v_1\rangle = 0) et itérons : une base orthonormée de vecteurs propres. Le théorème spectral de l’année 2, reprouvé par pure optimisation — et l’ombre de dimension infinie du même argument a prouvé le Lemme 15.6.

Méthode 20.9

Pour prouver qu’un ensemble est une sous-variété : l’exhiber localement comme F−1(0)F^{-1}(0) avec DFDF surjective sur l’ensemble (la voie la plus courante), ou comme un graphe. Pour calculer sa dimension et son espace tangent : d=n−qd = n - q et Ta=ker⁡DF(a)T_a = \ker DF(a). Pour optimiser dessus : Lagrange — toujours vérifier d’abord la compacité (ou la coercivité), pour qu’un extremum existe auquel le théorème puisse s’appliquer, et se souvenir que l’équation des multiplicateurs n’est que nécessaire : collecter tous les points critiques, puis comparer les valeurs. Pour les groupes de matrices, dériver les courbes en l’identité pour identifier les espaces tangents.

20.4 Exercices

Exercice 20.1 ★

(a) Vérifier que les suivants sont des sous-variétés C∞\mathcal C^\infty et donner leurs dimensions : Sn−1S^{n-1} ; l’hyperboloïde {x2+y2−z2=1}\{x^2 + y^2 - z^2 = 1\} ; le tore de l’Exemple 20.4. (b) Montrer que le cône C={x2+y2=z2}⊆R3C = \{x^2 + y^2 = z^2\} \subseteq \R^3 n’est pas une 22-sous-variété en 00 : déterminer le nombre de composantes connexes de (C∖{0})∩B(0,ε)\bigl(C\setminus\{0\}\bigr)\cap B(0,\varepsilon), et comparer avec le nombre qu’un redressement (Théorème 20.3(1)) forcerait pour un plan privé d’un point.

Solution

Solution de Exercice 20.1.

(a) Chacun est F−1(0)F^{-1}(0) pour une submersion : ∥x∥2−1\norm x^2 - 1 sur Rn∖{0}\R^n\setminus\{0\} (gradient 2x≠02x \neq 0) : dimension n−1n-1 ; x2+y2−z2−1x^2 + y^2 - z^2 - 1 (gradient (2x,2y,−2z)≠0(2x, 2y, -2z) \neq 0 sur l’hyperboloïde, où x2+y2=1+z2>0x^2 + y^2 = 1 + z^2 > 0) : dimension 22 ; la fonction de tore G=(ρ−R)2+z2−r2G = (\rho - R)^2 + z^2 - r^2, ρ=x2+y2\rho = \sqrt{x^2+y^2}, est C∞\mathcal C^\infty près du tore (ρ≥R−r>0\rho \geq R - r > 0 là) avec ∇G≠0\nabla G \neq 0 (sa composante en zz est 2z2z, et où z=0z = 0 la composante radiale est 2(ρ−R)≠02(\rho - R)\ne0 car ∣ρ−R∣=r\abs{\rho - R} = r) : dimension 22.

(b) Pour ε\varepsilon petit, (C∖{0})∩B(0,ε)(C\setminus\{0\})\cap B(0,\varepsilon) a exactement 22 composantes connexes (nappes supérieure et inférieure épointées, chacune connexe par arcs : relier via cercles et rayons). Si CC était une 22-sous-variété en 00, un redressement donnerait un homéomorphisme de C∩ΩC\cap\Omega sur un morceau ouvert d’un plan envoyant 00 sur un point pp ; les petits voisinages épointés de pp dans le plan ont une composante, et les homéomorphismes préservent le nombre de composantes des voisinages épointés : contradiction.

Exercice 20.2 ★

Calculer les espaces tangents : (a) TaSn−1T_aS^{n-1} pour tout aa (réponse : a⊥a^\perp) ; (b) le plan tangent au tore de l’Exemple 20.4 en un point arbitraire de l’équateur extérieur {z=0, x2+y2=(R+r)2}\{z = 0,\ x^2 + y^2 = (R + r)^2\} ; (c) la droite tangente à l’hélice φ(t)=(cos⁡t,sin⁡t,t)\varphi(t) = (\cos t, \sin t, t) en φ(t0)\varphi(t_0), en vérifiant le Proposition 20.6(2).

Solution

Solution de Exercice 20.2.

(a) TaSn−1=ker⁡(2aT)=a⊥T_aS^{n-1} = \ker\bigl(2a^{\mathsf T}\bigr) = a^\perp. (b) En p=((R+r)cos⁡θ,(R+r)sin⁡θ,0)p = ((R+r)\cos\theta, (R+r)\sin\theta, 0) : ∇G=(2rcos⁡θ,2rsin⁡θ,0)\nabla G = (2r\cos\theta, 2r\sin\theta, 0), donc le plan tangent est Vect⁡((−sin⁡θ,cos⁡θ,0), (0,0,1))\operatorname{Vect}\bigl((-\sin\theta, \cos\theta, 0),\ (0, 0, 1)\bigr) : le plan vertical tangent à l’équateur extérieur. (c) L’hélice est une courbe plongée avec φ′(t0)=(−sin⁡t0,cos⁡t0,1)≠0\varphi'(t_0) = (-\sin t_0, \cos t_0, 1) \neq 0 : la droite tangente en φ(t0)\varphi(t_0) est φ(t0)+R φ′(t0)\varphi(t_0) + \R\,\varphi'(t_0), comme le prescrit le Proposition 20.6(2).

Exercice 20.3 ★★

Soit f(x,y)=(x2−y2, 2xy)f(x, y) = (x^2 - y^2,\ 2xy) (c’est-à-dire z↦z2z \mapsto z^2). (a) En quels points le Théorème 20.1 s’applique-t-il ? (b) Montrer que ff est localement mais non globalement inversible sur R2∖{0}\R^2\setminus\{0\}, et exhiber explicitement les deux inverses locaux définis sur un voisinage de (1,0)(1, 0) (les deux branches de racine carrée). (c) Même discussion pour l’application des coordonnées polaires (r,θ)↦(rcos⁡θ,rsin⁡θ)(r, \theta) \mapsto (r\cos\theta, r\sin\theta).

Solution

Solution de Exercice 20.3.

(a) Df(x,y)=(2x−2y2y2x)Df(x,y) = \bigl(\begin{smallmatrix}2x & -2y\\ 2y & 2x\end{smallmatrix}\bigr), det⁡=4(x2+y2)\det = 4(x^2 + y^2) : le théorème s’applique en tout point sauf l’origine. (b) f(−z)=f(z)f(-z) = f(z) : jamais injective sur un ensemble symétrique par rapport à 00 ; sur R2∖{0}\R^2\setminus\{0\} c’est un difféomorphisme local partout mais 22-vers-11 globalement. Près de (1,0)=f(±(1,0))(1, 0) = f(\pm(1, 0)), les deux inverses sont les deux branches de racine carrée : en notation complexe w↦±ww \mapsto \pm\sqrt w (branche principale), c’est-à-dire

(u,v)⟼±(u+u2+v22, v2(u+u2+v2)/2).(u, v) \longmapsto \pm\Bigl(\sqrt{\tfrac{u + \sqrt{u^2+v^2}}{2}},\ \frac{v}{2\sqrt{(u + \sqrt{u^2+v^2})/2}}\Bigr).

(c) Jacobien r>0r > 0 : difféomorphisme local sur (0, ∞)×R\intoo0\infty\times\R, mais θ↦θ+2π\theta \mapsto \theta + 2\pi donne le même point : localement inversible (angle déterminé à 2π2\pi près sur un demi-plan), jamais globalement.

Exercice 20.4 ★★

(Folium) Soit F(x,y)=x3+y3−3xyF(x,y) = x^3 + y^3 - 3xy et C=F−1(0)\mathcal C = F^{-1}(0). (a) Montrer que près de tout point de C\mathcal C autre que l’origine, C\mathcal C est une 11-sous-variété, localement un graphe en xx ou en yy (lequel, où ?). (b) Calculer la droite tangente en (32,32)(\frac32, \frac32). (c) Que se passe-t-il à l’origine ? (Deux branches se croisent : exhiber deux courbes C1\mathcal C^1 dans C\mathcal C passant par 00 à vitesses indépendantes, et conclure qu’aucun redressement n’existe.)

Solution

Solution de Exercice 20.4.

(a) ∇F=3(x2−y, y2−x)\nabla F = 3(x^2 - y,\ y^2 - x) s’annule ssi y=x2y = x^2 et x=y2x = y^2, c’est-à-dire x4=xx^4 = x : en (0,0)(0,0) et (1,1)(1,1) ; seul (0,0)(0,0) est sur C\mathcal C (F(1,1)=−1F(1,1) = -1). Donc sur C∖{0}\mathcal C\setminus\{0\}, FF est une submersion : une 11-sous-variété, localement un graphe y=ψ(x)y = \psi(x) où Fy=3(y2−x)≠0F_y = 3(y^2 - x) \neq 0 et x=χ(y)x = \chi(y) où Fx=3(x2−y)≠0F_x = 3(x^2 - y) \neq 0 (au moins l’un des deux hors de l’origine).

(b) En (32,32)(\frac32, \frac32) : ∇F=3(94−32)(1,1)=94(1,1)\nabla F = 3(\frac94 - \frac32)(1, 1) = \frac94(1,1) : droite tangente x+y=3x + y = 3.

(c) La paramétrisation rationnelle x=3t1+t3x = \frac{3t}{1 + t^3}, y=3t21+t3y = \frac{3t^2}{1+t^3} passe par 00 en t=0t = 0 avec vitesse (3,0)(3, 0) ; l’échange x↔yx \leftrightarrow y (la courbe est symétrique, ou reparamétrer par 1/t1/t) donne une seconde courbe C1\mathcal C^1 passant par 00 de vitesse (0,3)(0, 3). Deux directions tangentes indépendantes sont impossibles pour une 11-sous-variété (son espace tangent est une droite, Proposition 20.6) : C\mathcal C n’est pas une sous-variété à l’origine — un auto-croisement transverse.

Exercice 20.5 ★★

Soit F(M)=MTMF(M) = M^{\mathsf T}M de Mn(R)M_n(\R) vers l’espace SnS_n des matrices symétriques. (a) Montrer DF(M)(H)=MTH+HTMDF(M)(H) = M^{\mathsf T}H + H^{\mathsf T}M et que DF(M)DF(M) est surjective sur SnS_n en tout M∈OnM \in O_n (étant donné S∈SnS \in S_n, essayer H=12MSH = \frac12MS). (b) Conclure que On=F−1(I)O_n = F^{-1}(I) est une sous-variété C∞\mathcal C^\infty compacte de dimension n(n−1)2\frac{n(n-1)}2, avec TIOn={H:HT=−H}T_IO_n = \{H : H^{\mathsf T} = -H\}, les matrices antisymétriques. (c) Montrer que etH∈On\eu^{tH} \in O_n pour tout HH antisymétrique : les directions tangentes s’intègrent en courbes dans le groupe.

Solution

Solution de Exercice 20.5.

(a) F(M+H)=MTM+MTH+HTM+HTHF(M + H) = M^{\mathsf T}M + M^{\mathsf T}H + H^{\mathsf T}M + H^{\mathsf T}H : DF(M)(H)=MTH+HTMDF(M)(H) = M^{\mathsf T}H + H^{\mathsf T}M. Pour M∈OnM \in O_n et SS symétrique, H=12MSH = \frac12MS donne DF(M)(H)=12(S+ST)=SDF(M)(H) = \frac12(S + S^{\mathsf T}) = S : surjective sur SnS_n.

(b) On=F−1(I)O_n = F^{-1}(I) avec FF une submersion (sur SnS_n, de dimension n(n+1)2\frac{n(n+1)}2) en chacun de ses points : une sous-variété de dimension n2−n(n+1)2=n(n−1)2n^2 - \frac{n(n+1)}2 = \frac{n(n-1)}2. Compacte : fermée (FF continue) et bornée (les colonnes sont des vecteurs unitaires). Tangent en II : ker⁡DF(I)={H:H+HT=0}\ker DF(I) = \{H : H + H^{\mathsf T} = 0\}.

(c) (etH)TetH=etHTetH=e−tHetH=I\bigl(\eu^{tH}\bigr)^{\mathsf T}\eu^{tH} = \eu^{tH^{\mathsf T}}\eu^{tH} = \eu^{-tH}\eu^{tH} = I (la transposition passe à travers la série ; les exponentielles de matrices qui commutent se multiplient, Théorème 19.8).

Exercice 20.6 ★★

(a) Montrer que det⁡ ⁣:Mn(R)→R\det \colon M_n(\R) \to \R a pour différentielle Ddet⁡(M)(H)=tr⁡(com⁡(M)TH)D\det(M)(H) = \operatorname{tr}\bigl(\operatorname{com}(M) ^{\mathsf T}H\bigr), non nulle en tout M∈SLnM \in SL_n. (b) Conclure que SLn(R)SL_n(\R) est une sous-variété de dimension n2−1n^2 - 1 avec TISLn={H:tr⁡H=0}T_ISL_n = \{H : \operatorname{tr}H = 0\}. (c) GLn(R)GL_n(\R) est-il une sous-variété ? De quelle dimension ?

Solution

Solution de Exercice 20.6.

(a) det⁡(M+H)=det⁡M det⁡(I+M−1H)=det⁡M(1+tr⁡(M−1H)+O(∥H∥2))\det(M + H) = \det M\,\det(I + M^{-1}H) = \det M\bigl(1 + \operatorname{tr}(M^{-1}H) + O(\norm H^2)\bigr) pour MM inversible (développement de det⁡\det près de II : le terme linéaire de ∏(1+λi)\prod(1 + \lambda_i)) ; avec det⁡M⋅M−1=com⁡(M)T\det M\cdot M^{-1} = \operatorname{com}(M)^{\mathsf T} : Ddet⁡(M)(H)=tr⁡(com⁡(M)TH)D\det(M)(H) = \operatorname{tr}\bigl(\operatorname{com}(M)^{\mathsf T}H\bigr), et la formule s’étend à tout MM par densité et continuité. Sur SLnSL_n, det⁡M=1\det M = 1 : Ddet⁡(M)≠0D\det(M) \ne 0 (sa valeur sur H=MH = M est tr⁡(I)⋅⋯=ndet⁡M=n\operatorname{tr}(I)\cdot\dots = n\det M = n).

(b) SLn=det⁡−1(1)SL_n = \det^{-1}(1) avec det⁡\det une submersion là (valeurs dans R\R) : dimension n2−1n^2 - 1 ; TISLn=ker⁡Ddet⁡(I)={H:tr⁡H=0}T_ISL_n = \ker D\det(I) = \{H : \operatorname{tr}H = 0\}.

(c) GLnGL_n est un sous-ensemble ouvert de Mn(R)M_n(\R) (Exercice 6.8) : une sous-variété de dimension pleine n2n^2 (redressement : la carte identité).

Exercice 20.7 ★★

Par les multiplicateurs de Lagrange : (a) trouver les extrema de f(x,y)=xyf(x,y) = xy sur le cercle x2+y2=1x^2 + y^2 = 1 ; (b) montrer que parmi tous les vecteurs de probabilité (p1,…,pn)(p_1, \dots, p_n) (positifs, de somme 11), l’entropie −∑piln⁡pi-\sum p_i\ln p_i est maximisée exactement en la distribution uniforme ; (c) trouver le point de l’ellipse {x2/4+y2=1}\{x^2/4 + y^2 = 1\} le plus proche de (1,0)(1, 0), et vérifier l’équation des multiplicateurs géométriquement (alignement des normales).

Solution

Solution de Exercice 20.7.

(a) (y,x)=λ(2x,2y)(y, x) = \lambda(2x, 2y) et x2+y2=1x^2 + y^2 = 1 : y=2λxy = 2\lambda x, x=2λyx = 2\lambda y donnent x2=y2=12x^2 = y^2 = \frac12. Valeurs de xyxy : ±12\pm\frac12 : maximum 12\frac12 en ±12(1,1)\pm\frac1{\sqrt2}(1,1), minimum −12-\frac12 en ±12(1,−1)\pm\frac1{\sqrt2}(1,-1) (l’ensemble de contrainte est compact : les extrema existent).

(b) Sur l’intérieur du simplexe (pi>0p_i > 0), Lagrange pour H(p)=−∑piln⁡piH(p) = -\sum p_i\ln p_i avec contrainte ∑pi=1\sum p_i = 1 : −ln⁡pi−1=λ-\ln p_i - 1 = \lambda pour tout ii : tous les pip_i égaux, pi=1np_i = \frac1n, avec H=ln⁡nH = \ln n. Le maximum sur le simplexe compact est atteint ; s’il l’était sur le bord (quelque pi=0p_i = 0), la distribution vit sur ≤n−1\leq n - 1 points et par récurrence H≤ln⁡(n−1)<ln⁡nH \leq \ln(n-1) < \ln n : le point critique intérieur est le maximum global — l’ignorance uniforme maximise l’entropie.

(c) Minimiser (x−1)2+y2(x-1)^2 + y^2 sur l’ellipse compacte : (2(x−1),2y)=λ(x2,2y)(2(x{-}1), 2y) = \lambda(\frac x2, 2y). Si y≠0y \neq 0 : λ=1\lambda = 1, alors 2(x−1)=x22(x - 1) = \frac x2 donne x=43x = \frac43, y2=1−49=59y^2 = 1 - \frac49 = \frac59 : distance2^2 =19+59=23= \frac19 + \frac59 = \frac23. Si y=0y = 0 : x=±2x = \pm2, distances 11 et 33. Points les plus proches : (43,±53)\bigl(\frac43, \pm\frac{\sqrt5}3\bigr), à distance 2/3<1\sqrt{2/3} < 1. L’équation des multiplicateurs dit que le segment de (1,0)(1,0) au point le plus proche est parallèle à ∇\nabla(ellipse) : il rencontre l’ellipse orthogonalement, comme la géométrie l’exige.

Exercice 20.8 ★★★

Rédiger pleinement l’Exemple 20.8 : prouver par récurrence qu’une matrice réelle symétrique admet une base orthonormée de vecteurs propres, avec λ1≥⋯≥λn\lambda_1 \geq \dots \geq \lambda_n les maxima contraints successifs du quotient de Rayleigh. Puis déduire les formules de Courant–Fischer de l’Exercice 15.8 en dimension finie directement de cette construction.

Solution

Solution de Exercice 20.8.

Récurrence sur nn ; n=1n = 1 trivial. La fonction de Rayleigh f(x)=⟨Ax,x⟩f(x) = \langle Ax, x\rangle atteint son maximum λ1\lambda_1 sur le compact Sn−1S^{n-1} en un certain v1v_1 ; Lagrange (Théorème 20.7, sphère comme ensemble de niveau) donne 2Av1=2λv12Av_1 = 2\lambda v_1, et λ=⟨Av1,v1⟩=λ1\lambda = \langle Av_1, v_1\rangle = \lambda_1. L’hyperplan v1⊥v_1^\perp est AA-invariant (symétrie : ⟨Av,v1⟩=⟨v,Av1⟩=0\langle Av, v_1\rangle = \langle v, Av_1\rangle = 0) ; la restriction est symétrique, et la récurrence fournit une base propre orthonormée v2,…,vnv_2, \dots, v_n de v1⊥v_1^\perp avec valeurs propres λ2≥⋯≥λn\lambda_2 \geq \dots \geq \lambda_n, chacune le maximum de ff sur la sphère de l’orthocomplément restant. Courant–Fischer suit exactement comme dans l’Exercice 15.8 : développer x=∑civix = \sum c_iv_i ; sur un espace-test de dimension kk intersecter avec Vect⁡(vk,…,vn)\operatorname{Vect}(v_k, \dots, v_n) (comptage de dimensions dans Rn\R^n) pour obtenir min⁡≤λk\min \leq \lambda_k, et Vect⁡(v1,…,vk)\operatorname{Vect}(v_1, \dots, v_k) réalise min⁡=λk\min = \lambda_k.

Exercice 20.9 ★★★

(Inégalité de Hadamard) Pour M∈GLn(R)M \in GL_n(\R) de colonnes c1,…,cnc_1, \dots, c_n :

∣det⁡M∣  ≤  ∏i=1n∥ci∥2,\abs{\det M} \;\leq\; \prod_{i=1}^n\norm{c_i}_2 ,

avec égalité ssi les colonnes sont orthogonales. (Se ramener à des colonnes de norme 11 par homothétie ; maximiser det⁡\det sur le produit compact de sphères (Sn−1)n(S^{n-1})^n ; en un maximiseur, Lagrange dans chaque colonne séparément donne ∇cidet⁡=λici\nabla_{c_i}\det = \lambda_ic_i, et ∇cidet⁡\nabla_{c_i}\det est la ii-ème colonne de com⁡(M)\operatorname{com}(M) : en déduire que MTMM^{\mathsf T}M est diagonale, donc =I= I, donc det⁡=±1\det = \pm1.) Lecture géométrique : le volume d’un parallélépipède est au plus le produit des longueurs de ses arêtes.

Solution

Solution de Exercice 20.9.

Homothétier chaque colonne en norme 11 divise ∣det⁡∣\abs{\det} par ∏∥ci∥\prod\norm{c_i} : il suffit de prouver ∣det⁡M∣≤1\abs{\det M} \leq 1 quand toutes les colonnes sont unitaires, avec égalité ssi M∈OnM \in O_n. La fonction det⁡\det est continue sur le compact (Sn−1)n(S^{n-1})^n : elle atteint un maximum m≥det⁡I=1>0m \geq \det I = 1 > 0 en un certain MM. En fixant toutes les colonnes sauf la ii-ème, det⁡\det est linéaire en cic_i de gradient la ii-ème colonne de com⁡(M)\operatorname{com}(M) ; Lagrange sur la ii-ème sphère : com⁡(M)⋅i=λici\operatorname{com}(M)_{\cdot i} = \lambda_i c_i. L’identité MTcom⁡(M)=det⁡(M) IM^{\mathsf T}\operatorname{com}(M) = \det(M)\,I se lit ⟨cj,com⁡(M)⋅i⟩=det⁡(M) δij\langle c_j, \operatorname{com}(M)_{\cdot i}\rangle = \det(M)\,\delta_{ij}, c’est-à-dire λi⟨cj,ci⟩=det⁡(M)δij\lambda_i\langle c_j, c_i\rangle = \det(M)\delta_{ij} ; en prenant j=ij = i : λi=det⁡M=m≠0\lambda_i = \det M = m \neq 0, puis j≠ij \neq i donne ⟨ci,cj⟩=0\langle c_i, c_j\rangle = 0 : les colonnes sont orthonormales, M∈OnM \in O_n, m=∣det⁡M∣=1m = \abs{\det M} = 1. Donc ∣det⁡∣≤∏∥ci∥\abs{\det} \leq \prod\norm{c_i} toujours, avec égalité exactement pour des colonnes orthogonales (remettre à l’échelle) : le volume d’un parallélépipède est maximal, pour des longueurs d’arêtes données, quand les arêtes sont perpendiculaires.

Exercice 20.10 ★★

Près de lesquels de ses points le cercle S1S^1 est-il un graphe y=ψ(x)y = \psi(x) ? Un graphe x=χ(y)x = \chi(y) ? Vérifier la caractérisation par graphe (Théorème 20.3(3)) explicitement en (1,0)(1, 0), et expliquer en une phrase pourquoi une certaine permutation de coordonnées suffit toujours mais aucune n’est toujours adaptée.

Solution

Solution de Exercice 20.10.

y=±1−x2y = \pm\sqrt{1 - x^2} fonctionne près de tout point avec y≠0y \neq 0 ; x=±1−y2x = \pm\sqrt{1 - y^2} près de tout point avec x≠0x \neq 0 ; en (1,0)(1, 0) : le graphe x=1−y2x = \sqrt{1 - y^2} sur y∈(−1, 1)y \in \intoo{-1}1, qui est le Théorème 20.3(3) avec les coordonnées échangées. Une certaine permutation fonctionne toujours car la droite tangente, étant unidimensionnelle, ne peut être simultanément verticale et horizontale — mais elle peut être l’une ou l’autre, donc aucun choix fixe de coordonnée « dépendante » ne sert en tout point.

Exercice 20.11 ★★

(Le groupe orthogonal comme sous-variété, quantitativement) (a) Montrer que On={M:MTM=I}O_n = \{M : M^{\mathsf T}M = I\} est compact : borné (chaque colonne est un vecteur unitaire, donc ∥M∥≤n\norm M \leq \sqrt n pour la norme euclidienne de matrice) et fermé. (b) Montrer que son espace tangent en II est l’espace des matrices antisymétriques, de dimension n(n−1)2\frac{n(n-1)}2, et en un A∈OnA \in O_n général : TAOn={AK:KT=−K}T_AO_n = \{AK : K^{\mathsf T} = -K\}. (c) En déduire que l’application t↦Aexp⁡(tK)t \mapsto A\exp(tK) est, pour chaque KK antisymétrique, une courbe dans OnO_n passant par AA de vitesse AKAK (vérifier exp⁡(tK)∈On\exp(tK) \in O_n via exp⁡(X)T=exp⁡(XT)\exp(X)^{\mathsf T} = \exp(X^{\mathsf T}) et exp⁡(−X)exp⁡(X)=I\exp(-X)\exp(X) = I) : tout vecteur tangent est réalisé par une courbe explicite, sans théorème des fonctions implicites.

Solution

Solution de Exercice 20.11.

(a) L’application définissante F(M)=MTM−IF(M) = M^{\mathsf T}M - I est continue : On=F−1(0)O_n = F^{-1}(0) est fermé ; les colonnes d’une matrice orthogonale sont des vecteurs unitaires, donc la norme euclidienne (Frobenius) vaut exactement n\sqrt n : borné. Compact par Heine–Borel dans Mn(R)≅Rn2M_n(\R) \cong \R^{n^2}.

(b) OnO_n est l’ensemble de niveau F=0F = 0 étudié dans le chapitre : DF(A)H=ATH+HTADF(A)H = A^{\mathsf T}H + H^{\mathsf T}A, surjective sur les matrices symétriques en chaque A∈OnA \in O_n (étant donné SS symétrique, prendre H=12ASH = \frac12AS), donc OnO_n est une sous-variété de dimension n2−n(n+1)2=n(n−1)2n^2 - \frac{n(n+1)}2 = \frac{n(n-1)}2 avec

TAOn=ker⁡DF(A)={H:ATH antisymeˊtrique}={AK:KT=−K};T_AO_n = \ker DF(A) = \{H : A^{\mathsf T}H \text{ antisymétrique}\} = \{AK : K^{\mathsf T} = -K\} ;

en A=IA = I ce sont les matrices antisymétriques.

(c) exp⁡(tK)Texp⁡(tK)=exp⁡(tKT)exp⁡(tK)=exp⁡(−tK)exp⁡(tK)=I\exp(tK)^{\mathsf T}\exp(tK) = \exp(tK^{\mathsf T}) \exp(tK) = \exp(-tK)\exp(tK) = I (les deux matrices ±tK\pm tK commutent, donc le produit des exponentielles est l’exponentielle de la somme) : exp⁡(tK)∈On\exp(tK) \in O_n, et γ(t)=Aexp⁡(tK)\gamma(t) = A\exp(tK) est une courbe dans OnO_n avec γ(0)=A\gamma(0) = A, γ′(0)=AK\gamma'(0) = AK. Comme KK parcourt les matrices antisymétriques, AKAK balaye TAOnT_AO_n : l’exponentielle réalise tout l’espace tangent par des courbes explicites — le raccourci de groupe de Lie que le Problème 20.1 exploite pour SO(3)SO(3).

Exercice 20.12 ★★

(Points critiques de la distance) Soit M⊆RnM \subseteq \R^n une sous-variété et p∉Mp \notin M. Montrer que si x0∈Mx_0 \in M minimise la distance à pp (un tel point existe quand MM est fermée et non vide — pourquoi ?), alors

p−x0  ⊥  Tx0Mp - x_0 \;\perp\; T_{x_0}M

(dériver t↦∥γ(t)−p∥2t \mapsto \norm{\gamma(t) - p}^2 le long des courbes dans MM). En déduire : le point le plus proche sur une sphère se trouve sur le rayon passant par le centre ; et utiliser la condition pour calculer la distance de p=(2,0)p = (2, 0) à la parabole y=x2y = x^2 (se ramener à une cubique et la résoudre numériquement à trois chiffres).

Solution

Solution de Exercice 20.12.

Existence : intersecter MM avec une grande boule fermée autour de pp pour obtenir un compact non vide ; la distance continue y atteint son minimum, et les points hors de la boule sont plus loin. Condition du premier ordre : pour une courbe γ\gamma dans MM avec γ(0)=x0\gamma(0) = x_0, la fonction h(t)=∥γ(t)−p∥2h(t) = \norm{\gamma(t) - p}^2 est différentiable avec un minimum en 00 :

0=h′(0)=2 ⟨γ′(0), x0−p⟩,0 = h'(0) = 2\,\langle\gamma'(0),\ x_0 - p\rangle,

et γ′(0)\gamma'(0) balaye Tx0MT_{x_0}M : p−x0⊥Tx0Mp - x_0 \perp T_{x_0}M. Sphère S(c,r)S(c, r) : l’espace tangent en x0x_0 est (x0−c)⊥(x_0 - c)^\perp, donc p−x0∥x0−cp - x_0 \parallel x_0 - c : x0x_0 se trouve sur la droite passant par cc et pp, à distance rr de cc — le point sur le rayon, comme la géométrie l’exige. Parabole : en x0=(x,x2)x_0 = (x, x^2) la tangente est engendrée par (1,2x)(1, 2x) ; l’orthogonalité à p−x0=(2−x,−x2)p - x_0 = (2 - x, -x^2) se lit

(2−x)−2x3=0,c’est-aˋ-dire2x3+x−2=0,(2 - x) - 2x^3 = 0, \qquad\text{c'est-à-dire}\qquad 2x^3 + x - 2 = 0,

avec une unique racine réelle (x↦2x3+xx \mapsto 2x^3 + x est strictement croissante) x≈0.835x \approx 0.835 ; alors x0≈(0.835,0.698)x_0 \approx (0.835, 0.698) et d(p,M)=(2−0.835)2+0.6982≈1.358d(p, M) = \sqrt{(2 - 0.835)^2 + 0.698^2} \approx 1.358.

20.5 Problème : SO(3)SO(3) et les quaternions

Problème 20.1

Problème de week-end — rotations, le groupe S3S^3, et le double revêtement

Les quaternions H={t+xi+yj+zk}\mathbb H = \{t + x\mathrm i + y\mathrm j + z\mathrm k\} — l’algèbre dont le groupe des unités contient le Q8Q_8 du Problème 1.1 — paramétrisent les rotations tridimensionnelles en double : l’application « conjuguer par un quaternion unitaire » est un morphisme surjectif S3→SO(3)S^3 \to SO(3) de noyau {±1}\{\pm1\}. Nous construisons tout. Rappel/définition : la multiplication est R\R-bilinéaire avec i2=j2=k2=ijk=−1\mathrm i^2 = \mathrm j^2 = \mathrm k^2 = \mathrm{ijk} = -1 ; le conjugué de q=t+xi+yj+zkq = t + x\mathrm i + y\mathrm j + z\mathrm k est qˉ=t−xi−yj−zk\bar q = t - x\mathrm i - y\mathrm j - z\mathrm k ; N(q)=qqˉ=t2+x2+y2+z2N(q) = q\bar q = t^2 + x^2 + y^2 + z^2.

Partie I — L’algèbre H\mathbb H et le groupe S3S^3.

  1. Vérifier que H\mathbb H est une R\R-algèbre associative de centre R\R, que pq‾=qˉ pˉ\overline{pq} = \bar q\,\bar p, et que N(pq)=N(p)N(q)N(pq) = N(p)N(q) (une voie propre : représenter qq comme la matrice complexe 2×22\times2 (αβ−βˉαˉ)\bigl(\begin{smallmatrix}\alpha & \beta\\ -\bar\beta & \bar\alpha\end{smallmatrix}\bigr), q=α+βjq = \alpha + \beta\mathrm j, et utiliser det⁡\det).
  2. En déduire que tout q≠0q \neq 0 est inversible (q−1=qˉ/N(q)q^{-1} = \bar q/N(q)) : H\mathbb H est un corps (non commutatif), et S3={N(q)=1}S^3 = \{N(q) = 1\} est un groupe — et une 33-sous-variété compacte de R4\R^4 (Exemple 20.4).

Partie II — Le morphisme de rotation. Identifier R3\R^3 aux quaternions purs P={xi+yj+zk}P = \{x\mathrm i + y\mathrm j + z\mathrm k\}, et pour q∈S3q \in S^3 définir ρq(v)=q v qˉ\rho_q(v) = q\,v\,\bar q.

  1. Montrer que ρq\rho_q envoie PP dans PP (les quaternions purs sont ceux avec vˉ=−v\bar v = -v), est R\R-linéaire, préserve la norme, et que ρ ⁣:q↦ρq\rho \colon q \mapsto \rho_q est un morphisme de groupes S3→O(3)S^3 \to O(3).
  2. Calculer le noyau : ρq=id\rho_q = \mathrm{id} ssi qq commute avec i,j,k\mathrm i, \mathrm j, \mathrm k ssi q∈R∩S3={±1}q \in \R\cap S^3 = \{\pm1\}.
  3. Écrire q=cos⁡θ2+sin⁡θ2 uq = \cos\frac\theta2 + \sin\frac\theta2\,u avec u∈Pu \in P, N(u)=1N(u) = 1 (pourquoi est-ce toujours possible pour q∈S3q \in S^3 ?). Montrer que ρq\rho_q fixe uu et, sur le plan u⊥∩Pu^\perp\cap P, agit comme la rotation d’angle θ\theta (calculer ρq(w)\rho_q(w) pour w⊥uw \perp u en utilisant uw=−wuuw = -wu pour des unités pures orthogonales — prouver cette identité depuis la table de multiplication, ou depuis uw+wu=−2⟨u,w⟩uw + wu = -2\langle u, w\rangle).
  4. Conclure : im⁡ρ⊆SO(3)\operatorname{im}\rho \subseteq SO(3) (chaque ρq\rho_q est une rotation d’axe et d’angle comme calculés — déterminant +1+1 par continuité de q↦det⁡ρqq \mapsto \det\rho_q sur le S3S^3 connexe, ou directement), et ρ\rho est sur SO(3)SO(3) : toute rotation de R3\R^3 a un axe (prouver : une matrice orthogonale réelle 3×33\times3 de det⁡=1\det = 1 a la valeur propre 11 — considérer le polynôme caractéristique) et est donc un certain ρq\rho_q. Résumé :

    SO(3)  ≅  S3/{±1}.SO(3) \;\cong\; S^3/\{\pm 1\} .

Partie III — SO(3)SO(3) comme sous-variété ; Rodrigues.

  1. Montrer que SO(3)SO(3) est une sous-variété compacte de dimension 33 de M3(R)M_3(\R) avec TISO(3)=T_ISO(3) = les matrices antisymétriques (Exercice 20.5 ; la condition de déterminant sélectionne une union de composantes).
  2. Pour la matrice antisymétrique AuA_u associée à u∈R3u \in \R^3 (Auv=u∧vA_uv = u\wedge v, le produit vectoriel), prouver la formule de Rodrigues :

    eθAu=I+sin⁡θ Au+(1−cos⁡θ) Au2(∥u∥=1)\eu^{\theta A_u} = I + \sin\theta\,A_u + (1 - \cos\theta)\,A_u^2 \qquad (\norm u = 1)

    (depuis Au3=−AuA_u^3 = -A_u : scinder la série exponentielle le long des puissances de AuA_u), et l’identifier comme la rotation d’axe uu et d’angle θ\theta. En déduire que exp⁡\exp envoie les matrices antisymétriques sur SO(3)SO(3).

  3. Relier les deux paramétrisations : montrer que t↦ρq(t)t \mapsto \rho_{q(t)} avec q(t)=cos⁡t2+sin⁡t2 uq(t) = \cos\frac t2 + \sin\frac t2\,u est un groupe à un paramètre de rotations dont la dérivée en t=0t = 0 est AuA_u — les exponentielles quaternionique et matricielle racontent la même histoire à demi-vitesse et pleine vitesse respectivement.

Partie IV — Le double revêtement, ressenti.

  1. Montrer que le chemin q(t)=cos⁡t2+sin⁡t2 kq(t) = \cos\frac t2 + \sin\frac t2\,\mathrm k, t∈[0, 2π]t \in \intcc0{2\pi}, est une boucle dans SO(3)SO(3) (son image ρq(t)\rho_{q(t)} revient à l’identité) dont le relèvement quaternionique n’est pas une boucle : q(2π)=−q(0)q(2\pi) = -q(0). En continuant jusqu’à t=4πt = 4\pi on ferme le relèvement. Expliquer en un court paragraphe ce que cela dit : une rotation de 2π2\pi n’est pas continûment défaisable tandis qu’une rotation de 4π4\pi l’est (le tour de ceinture), car les boucles de SO(3)SO(3) sont détectées dans son double revêtement S3S^3.
  2. En déduire aussi le dividende pratique : composition des rotations = multiplication des quaternions (44 multiplications de données au lieu de 99, aucune dérive hors orthogonalité) — vérifier sur la composition de deux quarts de tour autour de i\mathrm i et j\mathrm j : calculer l’axe et l’angle du produit.

Partie V — La matrice explicite : Euler–Rodrigues. Écrire q=a+bi+cj+dk∈S3q = a + b\mathrm i + c\mathrm j + d\mathrm k \in S^3, de sorte que a2+b2+c2+d2=1a^2 + b^2 + c^2 + d^2 = 1.

  1. Calculer ρq(i)\rho_q(\mathrm i) en entier depuis la table de multiplication ; puis obtenir ρq(j)\rho_q(\mathrm j) et ρq(k)\rho_q(\mathrm k) par la substitution cyclique i→j→k→i\mathrm i \to \mathrm j \to \mathrm k \to \mathrm i, (b,c,d)→(c,d,b)(b, c, d) \to (c, d, b) (la justifier : cycler i,j,k\mathrm i, \mathrm j, \mathrm k s’étend en un automorphisme de H\mathbb H, car les relations définissantes sont cycliquement symétriques). Conclure que la matrice de ρq\rho_q dans la base (i,j,k)(\mathrm i, \mathrm j, \mathrm k) est la matrice d’Euler–Rodrigues

    Rq=(a2+b2−c2−d22(bc−ad)2(bd+ac)2(bc+ad)a2−b2+c2−d22(cd−ab)2(bd−ac)2(cd+ab)a2−b2−c2+d2).R_q = \begin{pmatrix} a^2 + b^2 - c^2 - d^2 & 2(bc - ad) & 2(bd + ac)\\ 2(bc + ad) & a^2 - b^2 + c^2 - d^2 & 2(cd - ab)\\ 2(bd - ac) & 2(cd + ab) & a^2 - b^2 - c^2 + d^2 \end{pmatrix}.
  2. (Lire une rotation à rebours) Montrer que

    tr⁡Rq=4a2−1=1+2cos⁡θ,12(Rq−RqT)=sin⁡θ Au,\operatorname{tr}R_q = 4a^2 - 1 = 1 + 2\cos\theta, \qquad \tfrac12\bigl(R_q - R_q^{\mathsf T}\bigr) = \sin\theta\,A_u,

    dans les notations des questions 5 et 8. En déduire un algorithme récupérant ±q\pm q d’une matrice de rotation RR : l’angle depuis la trace ; l’axe depuis la partie antisymétrique quand 0<θ<π0 < \theta < \pi ; et, quand θ=π\theta = \pi, prouver et utiliser l’identité R+I=2 uuTR + I = 2\,uu^{\mathsf T}.

  3. Évaluer RqR_q pour le produit q=12(1+i+j+k)q = \frac12(1 + \mathrm i + \mathrm j + \mathrm k) de la question 11 : une matrice de permutation apparaît. Identifier la rotation et réconcilier avec l’axe et l’angle trouvés à la question 11.

Partie VI — À l’intérieur de S3S^3 : SU(2)SU(2), classes de conjugaison, exponentielles.

  1. Montrer que la représentation matricielle de la question 1 (notée Φ\Phi) se restreint en un isomorphisme de groupes de S3S^3 sur le groupe unitaire spécial

    SU(2)={U∈M2(C):U∗U=I, det⁡U=1}SU(2) = \bigl\{U \in M_2(\C) : U^*U = I,\ \det U = 1\bigr\}

    (pour la surjectivité, écrire les équations U−1=U∗U^{-1} = U^* et det⁡U=1\det U = 1 pour une matrice complexe 2×22\times2 générale).

  2. Montrer que la partie réelle est un invariant de conjugaison sur S3S^3 — Re⁡(pqpˉ)=Re⁡q\operatorname{Re}(pq\bar p) = \operatorname{Re}q pour tout p∈S3p \in S^3 — et, réciproquement, que deux quaternions unitaires de même partie réelle sont conjugués dans S3S^3 (se ramener à déplacer un axe pur unitaire sur un autre, ce que la Partie II fournit). Décrire les classes de conjugaison de S3S^3 géométriquement ; traduire dans SU(2)SU(2) (ensembles de niveau de la trace) ; et projeter par ρ\rho : deux rotations sont conjuguées dans SO(3)SO(3) si et seulement si elles ont le même angle θ∈[0, π]\theta \in \intcc0\pi.
  3. Définir exp⁡\exp sur H\mathbb H par la série exponentielle ; vérifier la convergence absolue, via ∣pq∣=∣p∣ ∣q∣\abs{pq} = \abs p\,\abs q pour ∣q∣=N(q)\abs q = \sqrt{N(q)}. Montrer, pour un pur unitaire uu et θ∈R\theta \in \R,

    exp⁡(θu)=cos⁡θ+sin⁡θ u,\exp(\theta u) = \cos\theta + \sin\theta\,u ,

    en déduire que exp⁡\exp envoie l’hyperplan PP sur S3S^3, et vérifier que ρexp⁡(su)=e2sAu\rho_{\exp(su)} = \eu^{2sA_u} : le phénomène de demi-angle de la question 9 encore.

  4. Pour des quaternions purs v,wv, w prouver la règle de produit vw=−⟨v,w⟩+v∧wvw = -\langle v, w\rangle + v\wedge w, d’où l’identité de commutateur vw−wv=2 v∧wvw - wv = 2\,v\wedge w ; prouver aussi [Av,Aw]=Av∧w[A_v, A_w] = A_{v\wedge w} pour les matrices de la question 8. Conclure que la dérivée de ρ\rho en 11 le long des courbes t↦exp⁡(tv)t \mapsto \exp(tv) est l’isomorphisme linéaire v↦2Avv \mapsto 2A_v de PP sur les matrices antisymétriques, et qu’il transporte le commutateur quaternionique vers le commutateur matriciel.

Partie VII — Structure globale.

  1. (Pas de section continue) Supposer s ⁣:SO(3)→S3s \colon SO(3) \to S^3 continue avec ρ∘s=id⁡\rho \circ s = \operatorname{id}. Pour la boucle R(t)=ρq(t)R(t) = \rho_{q(t)} de la question 10, poser ε(t)=s(R(t)) q(t)−1\varepsilon(t) = s(R(t))\,q(t)^{-1} pour t∈[0, 2π]t \in \intcc0{2\pi}. Montrer que ε\varepsilon est continue à valeurs dans {±1}\{\pm1\}, et en dériver une contradiction : il n’y a pas de choix global continu d’un quaternion unitaire représentant chaque rotation.
  2. (Le modèle de la boule) Soit Bˉ⊆R3\bar B \subseteq \R^3 la boule fermée de rayon π\pi et E(v)=eAvE(v) = \eu^{A_v}, avec E(0)=IE(0) = I. Montrer que EE envoie Bˉ\bar B sur SO(3)SO(3), est injective sur la boule ouverte, et sur la sphère frontière identifie exactement les antipodes : E(πu)=E(−πu)=2uuT−IE(\pi u) = E(-\pi u) = 2uu^{\mathsf T} - I, sans autres coïncidences. Ainsi SO(3)SO(3) est la boule avec points antipodaux du bord collés — l’espace projectif RP3\mathbb{RP}^3 — et un diamètre devient la boucle non contractile de la question 10.
  3. Montrer que ρpρqρp−1=ρpqpˉ\rho_p\rho_q\rho_p^{-1} = \rho_{pq\bar p} ; que les involutions de SO(3)SO(3) (les R≠IR \neq I avec R2=IR^2 = I) sont exactement les demi-tours ρw\rho_w avec ww un quaternion pur unitaire ; et que le centre de SO(3)SO(3) est trivial.
  4. Montrer que toute rotation est un produit de deux demi-tours : pour q=cos⁡θ2+sin⁡θ2 uq = \cos\frac\theta2 + \sin\frac\theta2\,u, choisir un pur unitaire w⊥uw \perp u, vérifier que w′=qww' = qw est encore un quaternion pur unitaire, et vérifier ρq=ρw′ρw\rho_q = \rho_{w'}\rho_w. Où se situent les deux axes, et quel angle font-ils ?
  5. Conclure le résumé topologique : SO(3)SO(3) est compact et connexe par arcs (donner deux preuves : image continue de S3S^3 sous ρ\rho ; image de exp⁡\exp), tandis que O(3)O(3) a exactement deux composantes connexes, chacune homéomorphe à SO(3)SO(3).
  6. (Une composition, trois façons) Soient R1R_1 la rotation d’angle π2\frac\pi2 autour de l’axe des zz et R2R_2 la rotation d’angle π2\frac\pi2 autour de l’axe des xx. Calculer l’axe et l’angle de R2R1R_2R_1 : (i) en multipliant les deux matrices 3×33\times3 et en utilisant trace/partie antisymétrique (Partie V) ; (ii) en multipliant les quaternions unitaires correspondants q2q1q_2q_1. Vérifier que les deux réponses coïncident : angle 2π3\frac{2\pi}3, axe 13(1,−1,1)\frac1{\sqrt3}(1, -1, 1).
  7. (La transformée de Cayley) Pour KK antisymétrique, montrer que I+KI + K est inversible et

    C(K)=(I−K)(I+K)−1∈SO(n),C(K) = (I - K)(I + K)^{-1} \in SO(n),

    avec −1-1 jamais valeur propre de C(K)C(K) ; montrer que K↦C(K)K \mapsto C(K) est une bijection des matrices antisymétriques sur {R∈SO(n):−1∉Sp⁡R}\{R \in SO(n) : -1 \notin \operatorname{Sp}R\}, d’inverse R↦(I−R)(I+R)−1R \mapsto (I - R)(I + R)^{-1}. (Une carte rationnelle de SO(n)SO(n), compagne de l’exp⁡\exp transcendant de l’Exercice 20.11.)

Solution

Solution de Problème 20.1.

1. L’application q=t+xi+yj+zk↦(αβ−βˉαˉ)q = t + x\mathrm i + y\mathrm j + z\mathrm k \mapsto \bigl(\begin{smallmatrix}\alpha & \beta\\ -\bar\beta & \bar\alpha\end{smallmatrix}\bigr) avec α=t+ix\alpha = t + \iu x, β=y+iz\beta = y + \iu z : on vérifie que 1,i,j,k1, \mathrm i, \mathrm j, \mathrm k vont vers II, (i00−i)\bigl(\begin{smallmatrix}\iu & 0\\ 0 & -\iu\end{smallmatrix}\bigr), (01−10)\bigl(\begin{smallmatrix}0 & 1\\ -1 & 0\end{smallmatrix}\bigr), (0ii0)\bigl(\begin{smallmatrix}0 & \iu\\ \iu & 0\end{smallmatrix}\bigr), dont les produits reproduisent la table des quaternions : l’application est un morphisme d’algèbres injectif, donc H\mathbb H hérite de l’associativité ; N(q)=∣α∣2+∣β∣2=det⁡N(q) = \abs\alpha^2 + \abs\beta^2 = \det est multiplicative, et la conjugaison correspond à l’adjointe-transposée, donnant pq‾=qˉpˉ\overline{pq} = \bar q\bar p. Centre : commuter avec i\mathrm i force y=z=0y = z = 0, avec j\mathrm j force x=0x = 0 : R\R.

2. qqˉ=N(q)q\bar q = N(q) : pour q≠0q \neq 0, q−1=qˉ/N(q)q^{-1} = \bar q/N(q) : une algèbre à division. Sur S3S^3 : N(pq)=1N(pq) = 1 et N(q−1)=1N(q^{-1}) = 1 : un groupe ; et S3⊆R4S^3 \subseteq \R^4 est la sphère unité : une 33-sous-variété compacte.

3. vv est pur ssi vˉ=−v\bar v = -v ; alors qvqˉ‾=qvˉqˉ=−qvqˉ\overline{qv\bar q} = q\bar v\bar q = -qv\bar q : ρq\rho_q préserve PP. La linéarité est claire ; N(qvqˉ)=N(q)N(v)N(q)=N(v)N(qv\bar q) = N(q)N(v)N(q) = N(v) : une isométrie de (P,N)≅(R3,∥⋅∥2)(P, N) \cong (\R^3, \norm\cdot^2) : ρq∈O(3)\rho_q \in O(3). Et ρpq(v)=pqvpq‾=p(qvqˉ)pˉ=ρp(ρq(v))\rho_{pq}(v) = pqv\overline{pq} = p(qv\bar q)\bar p = \rho_p(\rho_q(v)) : un morphisme.

4. ρq=id\rho_q = \mathrm{id} ssi qv=vqqv = vq pour tout pur vv, ssi qq commute avec i,j,k\mathrm i, \mathrm j, \mathrm k, ssi qq est central (question 1) : q∈R∩S3={±1}q \in \R\cap S^3 = \{\pm1\}.

5. Écrire q=t+pq = t + p (t∈Rt \in \R, pp pur) : 1=N(q)=t2+N(p)1 = N(q) = t^2 + N(p), donc t=cos⁡θ2t = \cos\frac\theta2 et p=sin⁡θ2 up = \sin\frac\theta2\,u avec N(u)=1N(u) = 1 pour un certain θ\theta (si p=0p = 0, q=±1q = \pm1 agit trivialement). Comme u2=−N(u)=−1u^2 = -N(u) = -1, qq et uu commutent, et ρq(u)=quqˉ=uqqˉ=u\rho_q(u) = qu\bar q = uq\bar q = u : l’axe. Pour des unités pures w⊥uw \perp u : la règle de produit vw=−⟨v,w⟩+v∧wvw = -\langle v, w\rangle + v\wedge w (développer en coordonnées depuis la table) donne uw=u∧w=−wuuw = u\wedge w = -wu. Alors

ρq(w)=(cos⁡θ2+sin⁡θ2u) w (cos⁡θ2−sin⁡θ2u)=cos⁡θ w+sin⁡θ (u∧w),\rho_q(w) = \bigl(\cos\tfrac\theta2 + \sin\tfrac\theta2u\bigr)\,w\,\bigl(\cos\tfrac\theta2 - \sin\tfrac\theta2u\bigr) = \cos\theta\,w + \sin\theta\,(u\wedge w),

en utilisant uwu=−u2w=wuwu = -u^2w = w et les formules de double-angle : la rotation d’angle θ\theta dans le plan orienté (w,u∧w)(w, u\wedge w).

6. Chaque ρq\rho_q est une rotation autour de uu d’angle θ\theta : dans la base orthonormée (u,w,u∧w)(u, w, u\wedge w) sa matrice a pour déterminant +1+1 : im⁡ρ⊆SO(3)\operatorname{im}\rho \subseteq SO(3). Surjectivité : une matrice R∈SO(3)R \in SO(3) a 11 comme valeur propre, car

det⁡(R−I)=det⁡R det⁡(I−RT)=det⁡(I−R)=(−1)3det⁡(R−I),\det(R - I) = \det R\,\det(I - R^{\mathsf T}) = \det(I - R) = (-1)^3\det(R - I),

donc det⁡(R−I)=0\det(R - I) = 0. Prendre un vecteur propre unitaire uu ; RR préserve u⊥u^\perp et s’y restreint en une rotation d’un certain angle θ\theta (orthogonal plan, déterminant 11) : R=ρqR = \rho_q pour q=cos⁡θ2+sin⁡θ2 uq = \cos\frac\theta2 + \sin\frac\theta2\,u. Avec la question 4 et le premier théorème d’isomorphisme (Théorème 1.3) : SO(3)≅S3/{±1}SO(3) \cong S^3/\{\pm1\}.

7. O3O_3 est une sous-variété compacte de dimension 33 (Exercice 20.5) ; det⁡\det est continue dessus à valeurs dans {±1}\{\pm1\}, donc SO(3)=O3∩{det⁡=1}SO(3) = O_3\cap\{\det = 1\} est ouvert et fermé dans O3O_3 : une union de composantes connexes, donc elle-même une 33-sous-variété compacte, avec le même espace tangent en II : les matrices antisymétriques.

8. Au2v=u∧(u∧v)=⟨u,v⟩u−vA_u^2v = u\wedge(u\wedge v) = \langle u, v\rangle u - v (uu unitaire), donc Au3v=u∧(⟨u,v⟩u−v)=−u∧vA_u^3v = u\wedge(\langle u,v\rangle u - v) = -u\wedge v : Au3=−AuA_u^3 = -A_u. En scindant la série exponentielle par les résidus des puissances modulo la relation A3=−AA^3 = -A :

eθAu=I+(θ−θ33!+⋯ )Au+(θ22!−θ44!+⋯ )Au2=I+sin⁡θ Au+(1−cos⁡θ) Au2.\eu^{\theta A_u} = I + \Bigl(\theta - \frac{\theta^3}{3!} + \cdots\Bigr)A_u + \Bigl(\frac{\theta^2}{2!} - \frac{\theta^4}{4!} + \cdots\Bigr)A_u^2 = I + \sin\theta\,A_u + (1 - \cos\theta)\,A_u^2 .

Sur uu : Auu=0A_uu = 0 : fixe. Sur w⊥uw \perp u : eθAuw=w+sin⁡θ u∧w+(1−cos⁡θ)(−w)=cos⁡θ w+sin⁡θ u∧w\eu^{\theta A_u}w = w + \sin\theta\,u\wedge w + (1 - \cos\theta)(-w) = \cos\theta\,w + \sin\theta\,u\wedge w : la rotation d’axe uu, angle θ\theta — Rodrigues. Toute rotation a cette forme (question 6) : exp⁡\exp est surjective de l’espace des matrices antisymétriques sur SO(3)SO(3).

9. Avec q(t)=cos⁡t2+sin⁡t2 uq(t) = \cos\frac t2 + \sin\frac t2\,u : la question 5 montre que ρq(t)\rho_{q(t)} est la rotation d’axe uu et d’angle tt, c’est-à-dire ρq(t)=etAu\rho_{q(t)} = \eu^{tA_u}, dont la dérivée en t=0t = 0 est AuA_u. Le quaternion court à demi-angle — la trace analytique du double revêtement.

10. ρq(t)\rho_{q(t)} est la rotation autour de k\mathrm k d’angle tt : en t=2πt = 2\pi elle revient à l’identité — une boucle dans SO(3)SO(3). Son relèvement vérifie q(2π)=cos⁡π=−1=−q(0)q(2\pi) = \cos\pi = -1 = -q(0) : le chemin relevé n’est pas fermé ; seulement en t=4πt = 4\pi qq revient à 11. Interprétation : la boucle des rotations complètes n’est pas contractile dans SO(3)SO(3) — son relèvement se termine sur l’autre feuille du revêtement — tandis que la double boucle l’est ; un corps attaché à son environnement par des sangles (le tour de ceinture) revient à un état non tordu après 4π4\pi mais pas après 2π2\pi. Les groupes de rotations se souviennent de la parité des tours complets ; S3S^3, simplement connexe, est là où cette mémoire vit.

11. Quarts de tour : qi=cos⁡π4+sin⁡π4 iq_{\mathrm i} = \cos\frac\pi4 + \sin\frac\pi4\,\mathrm i, qj=cos⁡π4+sin⁡π4 jq_{\mathrm j} = \cos\frac\pi4 + \sin\frac\pi4\,\mathrm j. Produit (en appliquant d’abord le tour en j\mathrm j) :

qiqj=12(1+i)(1+j)=12(1+i+j+k),q_{\mathrm i}q_{\mathrm j} = \tfrac12(1 + \mathrm i)(1 + \mathrm j) = \tfrac12\bigl(1 + \mathrm i + \mathrm j + \mathrm k\bigr),

de norme 11, avec cos⁡θ2=12\cos\frac\theta2 = \frac12 : θ=2π3\theta = \frac{2\pi}3, et axe u=i+j+k3u = \frac{\mathrm i + \mathrm j + \mathrm k}{\sqrt3} (partie pure normalisée). Deux quarts de tour successifs autour d’axes orthogonaux font une rotation de 120∘120^\circ autour de la grande diagonale du cube — le coût de quatre multiplications réelles, l’orthogonalité préservée exactement : pourquoi les logiciels de vol et les moteurs graphiques composent les rotations via les quaternions.

12. Depuis la table, ji=−k\mathrm{ji} = -\mathrm k et ki=j\mathrm{ki} = \mathrm j, donc

q i=ai−b+c(ji)+d(ki)=−b+ai+dj−ck.q\,\mathrm i = a\mathrm i - b + c(\mathrm{ji}) + d(\mathrm{ki}) = -b + a\mathrm i + d\mathrm j - c\mathrm k .

En multipliant par qˉ=a−bi−cj−dk\bar q = a - b\mathrm i - c\mathrm j - d\mathrm k avec la règle scalaire–vecteur (t1+p1)(t2+p2)=t1t2−⟨p1,p2⟩+t1p2+t2p1+p1∧p2(t_1 + p_1)(t_2 + p_2) = t_1t_2 - \langle p_1, p_2\rangle + t_1p_2 + t_2p_1 + p_1\wedge p_2, où p1=(a,d,−c)p_1 = (a, d, -c) et p2=(−b,−c,−d)p_2 = (-b, -c, -d) : la partie scalaire est −ab−(−ab)=0-ab - (-ab) = 0 (pur, comme il se doit), et la partie vectorielle est

b(b,c,d)+a(a,d,−c)+(−c2−d2, bc+ad, bd−ac)=(a2+b2−c2−d2, 2(bc+ad), 2(bd−ac)):b(b, c, d) + a(a, d, -c) + (-c^2 - d^2,\ bc + ad,\ bd - ac) = \bigl(a^2 + b^2 - c^2 - d^2,\ 2(bc + ad),\ 2(bd - ac)\bigr) :

la première colonne de RqR_q. L’application cyclique σ(i)=j\sigma(\mathrm i) = \mathrm j, σ(j)=k\sigma(\mathrm j) = \mathrm k, σ(k)=i\sigma(\mathrm k) = \mathrm i préserve les relations i2=j2=k2=ijk=−1\mathrm i^2 = \mathrm j^2 = \mathrm k^2 = \mathrm{ijk} = -1 (le mot ijk\mathrm{ijk} est cycliquement invariant à la relation ijk=jki\mathrm{ijk} = \mathrm{jki} près, qui vaut dans tout anneau : conjuguer ijk=−1\mathrm{ijk} = -1 par l’inversible i\mathrm i), donc σ\sigma s’étend en un automorphisme de R\R-algèbre, et σ(ρq(v))=ρσ(q)(σ(v))\sigma(\rho_q(v)) = \rho_{\sigma(q)}(\sigma(v)). En déroulant, l’image de j\mathrm j est la formule de la première colonne après la substitution (b,c,d)→(c,d,b)(b, c, d) \to (c, d, b) avec la base renommée i→j→k→i\mathrm i \to \mathrm j \to \mathrm k \to \mathrm i, qui est exactement la seconde colonne affichée ; un tour de plus donne la troisième.

13. En sommant la diagonale, tr⁡Rq=3a2−(b2+c2+d2)=4a2−1\operatorname{tr}R_q = 3a^2 - (b^2 + c^2 + d^2) = 4a^2 - 1 (norme unitaire), et avec a=cos⁡θ2a = \cos\frac\theta2 : 4cos⁡2θ2−1=1+2cos⁡θ4\cos^2\frac\theta2 - 1 = 1 + 2\cos\theta. Partie antisymétrique : les trois entrées indépendantes de Rq−RqTR_q - R_q^{\mathsf T} sont 4ab,4ac,4ad4ab, 4ac, 4ad (aux positions (3,2),(1,3),(2,1)(3,2), (1,3), (2,1)), donc 12(Rq−RqT)=Am\frac12(R_q - R_q^{\mathsf T}) = A_m avec m=2a (b,c,d)=2cos⁡θ2sin⁡θ2 u=sin⁡θ um = 2a\,(b, c, d) = 2\cos\frac\theta2\sin\frac\theta2\,u = \sin\theta\,u. Algorithme : θ=arccos⁡tr⁡R−12∈[0, π]\theta = \arccos\frac{\operatorname{tr}R - 1}{2} \in \intcc0\pi ; si 0<θ<π0 < \theta < \pi, lire uu sur R−RT2sin⁡θ\frac{R - R^{\mathsf T}}{2\sin\theta} et poser q=±(cos⁡θ2+sin⁡θ2u)q = \pm(\cos\frac\theta2 + \sin\frac\theta2 u) ; si θ=0\theta = 0, q=±1q = \pm1. Pour θ=π\theta = \pi : a=0a = 0, et Rodrigues (question 8) donne R=I+2Au2=I+2(uuT−I)=2uuT−IR = I + 2A_u^2 = I + 2(uu^{\mathsf T} - I) = 2uu^{\mathsf T} - I, c’est-à-dire R+I=2uuTR + I = 2uu^{\mathsf T} ; toute colonne non nulle de R+IR + I, normalisée, est ±u\pm u, et q=±uq = \pm u.

14. Avec a=b=c=d=12a = b = c = d = \frac12 : toutes les entrées diagonales s’annulent, 2(bc−ad)=02(bc - ad) = 0, 2(bd+ac)=12(bd + ac) = 1, 2(bc+ad)=12(bc + ad) = 1, 2(cd−ab)=02(cd - ab) = 0, 2(bd−ac)=02(bd - ac) = 0, 2(cd+ab)=12(cd + ab) = 1 :

Rq=(001100010),R_q = \begin{pmatrix} 0 & 0 & 1\\ 1 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 0 \end{pmatrix},

la permutation cyclique e1→e2→e3→e1e_1 \to e_2 \to e_3 \to e_1. Sa trace est 0=1+2cos⁡θ0 = 1 + 2\cos\theta, donc θ=2π3\theta = \frac{2\pi}3, et elle fixe (1,1,1)(1,1,1) : la rotation de 120∘120^\circ autour de la grande diagonale — précisément la réponse de la question 11, maintenant visible comme la matrice qui cycle les axes de coordonnées.

15. Sur la base on vérifie Φ(qˉ)=Φ(q)∗\Phi(\bar q) = \Phi(q)^* (la matrice de qˉ\bar q a α′=αˉ\alpha' = \bar\alpha, β′=−β\beta' = -\beta, qui est la conjuguée transposée de (αβ−βˉαˉ)\bigl(\begin{smallmatrix}\alpha & \beta\\ -\bar\beta & \bar\alpha\end{smallmatrix}\bigr)). D’où Φ(q)∗Φ(q)=Φ(qˉq)=N(q)I\Phi(q)^*\Phi(q) = \Phi(\bar qq) = N(q)I et det⁡Φ(q)=∣α∣2+∣β∣2=N(q)\det\Phi(q) = \abs\alpha^2 + \abs\beta^2 = N(q) : pour q∈S3q \in S^3, Φ(q)∈SU(2)\Phi(q) \in SU(2), et Φ\Phi est un morphisme injectif (question 1). Surjectivité : soit U=(αβγδ)U = \bigl(\begin{smallmatrix}\alpha & \beta\\ \gamma & \delta\end{smallmatrix}\bigr) avec det⁡U=1\det U = 1 ; alors U−1=(δ−β−γα)U^{-1} = \bigl(\begin{smallmatrix}\delta & -\beta\\ -\gamma & \alpha\end{smallmatrix}\bigr), et U−1=U∗=(αˉγˉβˉδˉ)U^{-1} = U^* = \bigl(\begin{smallmatrix}\bar\alpha & \bar\gamma\\ \bar\beta & \bar\delta\end{smallmatrix}\bigr) force δ=αˉ\delta = \bar\alpha, γ=−βˉ\gamma = -\bar\beta, puis 1=det⁡U=∣α∣2+∣β∣21 = \det U = \abs\alpha^2 + \abs\beta^2 : U=Φ(q)U = \Phi(q) pour le quaternion unitaire qq de coordonnées α=a+ib\alpha = a + \iu b, β=c+id\beta = c + \iu d. Donc S3≅SU(2)S^3 \cong SU(2).

16. Les scalaires réels sont centraux et N(p)=1N(p) = 1 donne pqpˉ‾=pqˉpˉ\overline{pq\bar p} = p\bar q\bar p, donc pqpˉ+pqpˉ‾=p(q+qˉ)pˉ=q+qˉpq\bar p + \overline{pq\bar p} = p(q + \bar q)\bar p = q + \bar q : la partie réelle est invariante. Réciproquement soient Re⁡q=Re⁡q′=a\operatorname{Re}q = \operatorname{Re}q' = a ; alors les parties pures ont la même norme 1−a2=s\sqrt{1 - a^2} = s. Si s=0s = 0, q=q′=±1q = q' = \pm1. Si s>0s > 0, écrire q=a+suq = a + su, q′=a+su′q' = a + su' avec u,u′u, u' purs unitaires ; la question 6 fournit une rotation portant u′u' sur uu, c’est-à-dire p∈S3p \in S^3 avec ρp(u′)=u\rho_p(u') = u, puis pq′pˉ=a+sρp(u′)=qpq'\bar p = a + s\rho_p(u') = q. Les classes de S3S^3 sont donc {1}\{1\}, {−1}\{-1\}, et pour chaque a∈(−1, 1)a \in \intoo{-1}1 la 22-sphère {a+su:u pur unitaire}\{a + su : u \text{ pur unitaire}\} de rayon ss. Sous Φ\Phi, tr⁡Φ(q)=α+αˉ=2Re⁡q\operatorname{tr}\Phi(q) = \alpha + \bar\alpha = 2\operatorname{Re}q : les classes de SU(2)SU(2) sont les ensembles de niveau de la trace. En projetant : si q′=pqpˉq' = pq\bar p alors ρq′=ρpρqρp−1\rho_{q'} = \rho_p\rho_q\rho_p^{-1} ; réciproquement ρq′=ρpρqρp−1=ρpqpˉ\rho_{q'} = \rho_p\rho_q\rho_p^{-1} = \rho_{pq\bar p} force q′=±pqpˉq' = \pm pq\bar p (noyau), donc Re⁡q′=±Re⁡q\operatorname{Re}q' = \pm\operatorname{Re}q, c’est-à-dire cos⁡θ′2=∣Re⁡q′∣=∣Re⁡q∣=cos⁡θ2\cos\frac{\theta'}2 = \abs{\operatorname{Re}q'} = \abs{\operatorname{Re}q} = \cos\frac\theta2 pour les angles dans [0, π]\intcc0\pi : des rotations conjuguées ont des angles égaux. Réciproquement, des angles égaux permettent des représentants de même partie réelle non négative, conjugués par ce qui précède : dans SO(3)SO(3), la classe de conjugaison d’une rotation est exactement son angle.

17. NN est multiplicative, donc ∣⋅∣\abs\cdot est une norme multiplicative sur H≅R4\mathbb H \cong \R^4 et ∣qk∣=∣q∣k\abs{q^k} = \abs q^k : la série ∑qk/k!\sum q^k/k! converge absolument dans l’espace de dimension finie (donc complet), dominée par ∑∣q∣k/k!=e∣q∣\sum\abs q^k/k! = \eu^{\abs q}. Pour un pur unitaire uu : u2=−1u^2 = -1, donc (θu)2m=(−1)mθ2m(\theta u)^{2m} = (-1)^m\theta^{2m} et (θu)2m+1=(−1)mθ2m+1u(\theta u)^{2m+1} = (-1)^m\theta^{2m+1}u ; en scindant la série,

exp⁡(θu)=∑m(−1)mθ2m(2m)!+u∑m(−1)mθ2m+1(2m+1)!=cos⁡θ+sin⁡θ u.\exp(\theta u) = \sum_m\frac{(-1)^m\theta^{2m}}{(2m)!} + u\sum_m\frac{(-1)^m\theta^{2m+1}}{(2m+1)!} = \cos\theta + \sin\theta\,u .

Tout q∈S3q \in S^3 est cos⁡α+sin⁡α u\cos\alpha + \sin\alpha\,u avec α∈[0, π]\alpha \in \intcc0\pi (question 5) : q=exp⁡(αu)q = \exp(\alpha u), donc exp⁡(P)=S3\exp(P) = S^3. Enfin exp⁡(su)=cos⁡s+sin⁡s u=q(2s)\exp(su) = \cos s + \sin s\,u = q(2s) dans la notation de la question 9, et ρq(t)=etAu\rho_{q(t)} = \eu^{tA_u} là : ρexp⁡(su)=e2sAu\rho_{\exp(su)} = \eu^{2sA_u}.

18. En développant vwvw coordonnée par coordonnée avec la table : les produits i⋅i=−1\mathrm i\cdot\mathrm i = -1, … donnent le scalaire −(v1w1+v2w2+v3w3)-(v_1w_1 + v_2w_2 + v_3w_3), et les produits mixtes (ij=k\mathrm{ij} = \mathrm k, ji=−k\mathrm{ji} = -\mathrm k, …) donnent le vecteur (v2w3−v3w2, v3w1−v1w3, v1w2−v2w1)(v_2w_3 - v_3w_2,\ v_3w_1 - v_1w_3,\ v_1w_2 - v_2w_1) : vw=−⟨v,w⟩+v∧wvw = -\langle v, w\rangle + v\wedge w. En soustrayant le produit inversé : vw−wv=2 v∧wvw - wv = 2\,v\wedge w (les parties scalaires s’annulent, les produits vectoriels s’additionnent). Pour les matrices, avec a∧(b∧c)=b⟨a,c⟩−c⟨a,b⟩a\wedge(b\wedge c) = b\langle a, c\rangle - c\langle a, b\rangle :

[Av,Aw]x=v∧(w∧x)−w∧(v∧x)=w⟨v,x⟩−v⟨w,x⟩=(v∧w)∧x=Av∧wx.[A_v, A_w]x = v\wedge(w\wedge x) - w\wedge(v\wedge x) = w\langle v, x\rangle - v\langle w, x\rangle = (v\wedge w)\wedge x = A_{v\wedge w}x .

Dérivée : exp⁡(tv)‾=exp⁡(−tv)\overline{\exp(tv)} = \exp(-tv) (la conjugaison est continue et nie les quaternions purs), donc

 ⁣d ⁣dt∣t=0exp⁡(tv) x exp⁡(−tv)=vx−xv=2 v∧x=2Avx:\frac{\dd}{\dd t}\Bigr|_{t=0}\exp(tv)\,x\,\exp(-tv) = vx - xv = 2\,v\wedge x = 2A_vx :

la différentielle est v↦2Avv \mapsto 2A_v, une bijection linéaire de PP sur les matrices antisymétriques, et [2Av,2Aw]=4Av∧w=2A2v∧w=2A[v,w][2A_v, 2A_w] = 4A_{v\wedge w} = 2A_{2v\wedge w} = 2A_{[v,w]} montre qu’elle transporte le commutateur quaternionique vers le commutateur matriciel.

19. En appliquant ρ\rho : ρ(ε(t))=ρ(s(R(t))) ρ(q(t))−1=R(t)R(t)−1=id⁡\rho(\varepsilon(t)) = \rho(s(R(t)))\,\rho(q(t))^{-1} = R(t)R(t)^{-1} = \operatorname{id}, donc ε(t)∈ker⁡ρ={±1}\varepsilon(t) \in \ker\rho = \{\pm1\} (question 4). Comme produit des applications continues t↦s(R(t))t \mapsto s(R(t)) et t↦q(t)−1=q(t)ˉt \mapsto q(t)^{-1} = \bar{q(t)}, ε\varepsilon est continue sur l’intervalle connexe [0, 2π]\intcc0{2\pi} à valeurs dans la paire discrète {±1}\{\pm1\} : elle est constante, disons ε(t)≡ε\varepsilon(t) \equiv \varepsilon. Mais R(0)=R(2π)=IR(0) = R(2\pi) = I, donc s(R(0))=s(R(2π))s(R(0)) = s(R(2\pi)), tandis que s(R(0))=ε q(0)=εs(R(0)) = \varepsilon\,q(0) = \varepsilon et s(R(2π))=ε q(2π)=−εs(R(2\pi)) = \varepsilon\,q(2\pi) = -\varepsilon : contradiction. Aucune section continue n’existe : l’ambiguïté de signe ±q\pm q est globale, non un défaut d’une formule particulière.

20. Surjectivité : tout R∈SO(3)R \in SO(3) est eθAu\eu^{\theta A_u} pour un certain uu unitaire et θ∈[0, 2π]\theta \in \intcc0{2\pi} (questions 6 et 8) ; si θ>π\theta > \pi, Rodrigues donne eθAu=e(2π−θ)A−u\eu^{\theta A_u} = \eu{(2\pi - \theta)A_{-u}} (tous deux valent I+sin⁡θAu+(1−cos⁡θ)Au2I + \sin\theta A_u + (1 - \cos\theta)A_u^2, et A−u=−AuA_{-u} = -A_u avec sin⁡(2π−θ)=−sin⁡θ\sin(2\pi - \theta) = -\sin\theta, cos⁡(2π−θ)=cos⁡θ\cos(2\pi - \theta) = \cos\theta), donc R=E(v)R = E(v) avec ∥v∥≤π\norm v \leq \pi. Injectivité à l’intérieur : si E(v)=E(v′)≠IE(v) = E(v') \neq I avec ∥v∥,∥v′∥<π\norm v, \norm{v'} < \pi, la question 13 récupère le même angle θ=∥v∥=∥v′∥∈(0, π)\theta = \norm v = \norm{v'} \in \intoo0\pi depuis la trace et, comme sin⁡θ≠0\sin\theta \neq 0, le même axe depuis la partie antisymétrique : v=v′v = v' ; et E(v)=IE(v) = I force θ∈{0}\theta \in \{0\} sur la boule ouverte. Bord : E(πu)=I+2Au2=2uuT−IE(\pi u) = I + 2A_u^2 = 2uu^{\mathsf T} - I ne dépend de uu qu’à travers uuTuu^{\mathsf T}, d’où E(πu)=E(−πu)E(\pi u) = E(-\pi u) ; réciproquement 2uuT−I=2u′u′T−I2uu^{\mathsf T} - I = 2u'u'^{\mathsf T} - I appliqué à uu donne u=⟨u′,u⟩u′u = \langle u', u\rangle u', donc u′=±uu' = \pm u. Intérieur et bord ne se rencontrent jamais (trace >−1> -1 contre =−1= -1). Donc EE induit une bijection continue de la boule-avec-collage-antipodale — compacte — sur SO(3)SO(3) : un homéomorphisme, et SO(3)≅RP3SO(3) \cong \mathbb{RP}^3. Un diamètre de πu\pi u à −πu-\pi u a des extrémités collées : c’est une boucle dans SO(3)SO(3), et sa description par EE correspond à la famille de rotations autour de uu de la question 10 balayant un tour complet.

21. ρ\rho est un morphisme et ρp−1=ρp−1=ρpˉ\rho_p^{-1} = \rho_{p^{-1}} = \rho_{\bar p}, donc ρpρqρp−1=ρpqpˉ\rho_p\rho_q\rho_p^{-1} = \rho_{pq\bar p} ; par la question 16, conjuguer une rotation préserve son angle et fait tourner son axe par ρp\rho_p. Involutions : ρq2=ρq2=id⁡\rho_q^2 = \rho_{q^2} = \operatorname{id} ssi q2=±1q^2 = \pm1. Si q2=1q^2 = 1 alors (q−1)(q+1)=q2−1=0(q - 1)(q + 1) = q^2 - 1 = 0 (scalaires centraux, donc cette factorisation est valide) et q=±1q = \pm1 dans l’anneau à division H\mathbb H, donnant ρq=I\rho_q = I, exclu ; q2=−1q^2 = -1 avec q=a+suq = a + su donne a2−s2+2as u=−1a^2 - s^2 + 2as\,u = -1, donc a=0a = 0, s=1s = 1 : qq est un pur unitaire ww, et ρw\rho_w est le demi-tour autour de ww (angle π\pi, question 5). Centre : si ρq\rho_q commute avec tout ρp\rho_p, alors ρpqpˉ=ρq\rho_{pq\bar p} = \rho_q, donc pqpˉ=ε(p) qpq\bar p = \varepsilon(p)\,q avec ε(p)∈{±1}\varepsilon(p) \in \{\pm1\} ; p↦ε(p)=(pqpˉ)q−1p \mapsto \varepsilon(p) = (pq\bar p)q^{-1} est continue sur le S3S^3 connexe et vaut 11 en p=1p = 1, d’où ≡1\equiv 1 : qq commute avec tout S3S^3, donc avec tout H\mathbb H (remettre à l’échelle), donc q∈R∩S3={±1}q \in \R \cap S^3 = \{\pm1\} (question 1) et ρq=I\rho_q = I : le centre est trivial.

22. Comme u⊥wu \perp w sont des purs unitaires, uw=u∧wuw = u\wedge w est pur (question 18), donc

w′=qw=cos⁡θ2 w+sin⁡θ2 u∧ww' = qw = \cos\tfrac\theta2\,w + \sin\tfrac\theta2\,u\wedge w

est pur, de norme ∣q∣∣w∣=1\abs q\abs w = 1. Alors w′w=qw⋅w=qw2=−qw'w = qw\cdot w = qw^2 = -q, et

ρw′ρw=ρw′w=ρ−q=ρq.\rho_{w'}\rho_w = \rho_{w'w} = \rho_{-q} = \rho_q .

Les deux axes ww et w′=cos⁡θ2w+sin⁡θ2(u∧w)w' = \cos\frac\theta2 w + \sin\frac\theta2(u\wedge w) se trouvent dans le plan u⊥u^\perp orthogonal à l’axe de rotation, et ⟨w′,w⟩=cos⁡θ2\langle w', w\rangle = \cos\frac\theta2 : ils font le demi-angle θ2\frac\theta2. C’est la génération classique : deux demi-tours autour d’axes se rencontrant à l’angle θ2\frac\theta2 se composent en la rotation d’angle θ\theta autour de leur perpendiculaire commune.

23. La compacité est la question 7. Connexité par arcs : SO(3)=ρ(S3)SO(3) = \rho(S^3) est l’image continue de la sphère connexe par arcs ; alternativement, pour R=eAR = \eu^{A} avec AA antisymétrique (question 8), t↦etAt \mapsto \eu^{tA} est un chemin dans SO(3)SO(3) de II à RR (orthogonal car (etA)T=e−tA(\eu^{tA})^{\mathsf T} = \eu^{-tA}, déterminant 11 par continuité depuis t=0t = 0). Pour O(3)O(3) : det⁡\det est continue sur {±1}\{\pm1\}, donc O(3)O(3) est disconnexe, O(3)=SO(3)⊔D SO(3)O(3) = SO(3) \sqcup D\,SO(3) pour tout DD fixe avec det⁡D=−1\det D = -1 (p.ex. D=−ID = -I), et la multiplication à gauche par DD est un homéomorphisme : exactement deux composantes, chacune une copie de SO(3)SO(3). Le ρ\rho deux-vers-un, sans section par la question 19, est ainsi un double revêtement honnête d’un groupe compact connexe par le S3S^3 simplement connexe — la géométrie derrière le tour de ceinture.

24. (i) Matrices :

R1=(0−10100001),R2=(10000−1010),R2R1=(0−1000−1100).R_1 = \begin{pmatrix} 0 & -1 & 0\\ 1 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}, \quad R_2 = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & 0 & -1\\ 0 & 1 & 0 \end{pmatrix}, \quad R_2R_1 = \begin{pmatrix} 0 & -1 & 0\\ 0 & 0 & -1\\ 1 & 0 & 0\end{pmatrix}.

Trace 0=1+2cos⁡θ0 = 1 + 2\cos\theta donne cos⁡θ=−12\cos\theta = -\frac12 : θ=2π3\theta = \frac{2\pi}3. Partie antisymétrique R−RT2\frac{R - R^{\mathsf T}}2 a des entrées encodant sin⁡θ (v3,−v2,v1)\sin\theta\,(v_3, -v_2, v_1)-wise l’axe : ici R−RT2=12(0−1−110−1110)\frac{R - R^{\mathsf T}}2 = \frac12\bigl(\begin{smallmatrix}0 & -1 & -1\\ 1 & 0 & -1\\ 1 & 1 & 0\end{smallmatrix}\bigr), qui se lit (dictionnaire de la Partie V AvA_v) vsin⁡θ=12(1,−1,1)v\sin\theta = \frac12(1, -1, 1) ; avec sin⁡2π3=32\sin\frac{2\pi}3 = \frac{\sqrt3}2 : v=13(1,−1,1)v = \frac1{\sqrt3}(1, -1, 1). (ii) Quaternions : q1=cos⁡π4+sin⁡π4 k=22(1+k)q_1 = \cos\frac\pi4 + \sin\frac\pi4\,k = \frac{\sqrt2}2(1 + k), q2=22(1+i)q_2 = \frac{\sqrt2}2(1 + i), et

q2q1=12(1+i)(1+k)=12(1+k+i+ik)=12(1+i−j+k)q_2q_1 = \tfrac12(1 + i)(1 + k) = \tfrac12(1 + k + i + ik) = \tfrac12\bigl(1 + i - j + k\bigr)

(ik=−jik = -j). Donc cos⁡θ2=12\cos\frac\theta2 = \frac12 : θ=2π3\theta = \frac{2\pi}3, et la partie vectorielle 12(i−j+k)\frac12(i - j + k) a pour direction 13(1,−1,1)\frac1{\sqrt3}(1, -1, 1) — la même réponse, la voie quaternionique ne demandant qu’une ligne de multiplication au lieu d’un produit matriciel : la raison pratique pour laquelle les logiciels de vol composent les attitudes dans S3S^3.

25. I+KI + K inversible : (I+K)v=0(I + K)v = 0 donne 0=⟨v,v⟩+⟨v,Kv⟩=∥v∥20 = \langle v, v\rangle + \langle v, Kv\rangle = \norm v^2 (l’antisymétrie tue le second terme) : v=0v = 0. Orthogonalité de C=C(K)C = C(K) : en utilisant (I±K)T=I∓K(I \pm K)^{\mathsf T} = I \mp K et le fait que les quatre matrices I±KI \pm K, (I±K)−1(I \pm K)^{-1} commutent (expressions polynomiales en KK, plus limites) :

CTC=(I+K)−T(I−K)T(I−K)(I+K)−1=(I−K)−1(I+K)(I−K)(I+K)−1=I.C^{\mathsf T}C = (I + K)^{-\mathsf T}(I - K)^{\mathsf T} (I - K)(I + K)^{-1} = (I - K)^{-1}(I + K)(I - K)(I + K)^{-1} = I .

Déterminant : det⁡(I−K)=det⁡((I−K)T)=det⁡(I+K)\det(I - K) = \det\bigl((I - K)^{\mathsf T}\bigr) = \det(I + K), donc det⁡C=1\det C = 1 : C∈SO(n)C \in SO(n). Pas de valeur propre −1-1 : Cv=−vCv = -v signifie (I−K)w=−(I+K)w(I - K)w = -(I + K)w pour w=(I+K)−1vw = (I + K)^{-1}v, c’est-à-dire 2w=02w = 0 : v=0v = 0. Inversion : depuis C(I+K)=I−KC(I + K) = I - K, résoudre K(I+C)=I−CK(I + C) = I - C ; comme −1∉Sp⁡C-1 \notin \operatorname{Sp}C, I+CI + C est inversible et K=(I−C)(I+C)−1K = (I - C)(I + C)^{-1}, qui est antisymétrique dès que CC est orthogonale sans valeur propre −1-1 (transposer l’expression et utiliser CT=C−1C^{\mathsf T} = C^{-1} : KT=(I−C−1)(I+C−1)−1=(C−I)(C+I)−1=−KK^{\mathsf T} = (I - C^{-1})(I + C^{-1})^{-1} = (C - I)(C + I)^{-1} = -K). Les deux applications sont mutuellement inverses par construction : une paramétrisation rationnelle globale du morceau ouvert dense de SO(n)SO(n) évitant la valeur propre −1-1 — pas de série, pas de trigonométrie, et en dimension 33 c’est la substitution de demi-angle K=tan⁡θ2 AvK = \tan\frac\theta2\,A_v en déguisement.

Termes définis dans ce chapitre

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