Isométrie affine

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Une isométrie affine est une transformation bijective d'un espace affine euclidien dans un autre qui est à la fois une application affine et une isométrie (c'est-à-dire une bijection conservant les distances).

Si cette isométrie conserve aussi l'orientation (par exemple, dans le cas du plan, les angles orientés), alors il s'agit d'un déplacement. Si elle inverse l'orientation, il s'agit d'un antidéplacement.

Isométries planes remarquables[modifier | modifier le code]

On désigne par \mathcal{P} le plan (i.e., plus précisément, un plan affine réel euclidien orienté). Les applications suivantes sont des isométries de \mathcal{P}:

  • Étant donné un vecteur \vec{u} l'application qui, à tout point A, associe le point A' tel que \vec{AA'}=\vec{u} : c'est la translation de vecteur \vec{u}. Sa réciproque est la translation de vecteur -\vec{u}. Elle n'a aucun point fixe, sauf si \vec{u}=\vec{0}, auquel cas c'est l'identité. Les translations sont des déplacements.
  • Étant donnée une droite \Delta l'application qui, à tout point A, associe le point A' tel que \vec{AA'}=2\vec{AH}, où H est le projeté orthogonal de A sur \Delta : c'est la réflexion d'axe \Delta. On peut la définir autrement : si A \in \Delta alors A'=A et si A \notin \Delta alors A' est tel que \Delta est la médiatrice de [AA']. Les réflexions sont involutives et sont des antidéplacements.
  • Étant donné un point A de \mathcal{P} et un réel \theta l'application qui fixe A et, à un point B distinct de A, associe l'unique point B' tel que AB=AB' et une mesure de l'angle orienté (\vec{AB}, \vec{AB'}) est \theta : c'est la rotation de centre A et d'angle \theta. La réciproque de la rotation de centre A et d'angle \theta est la rotation de centre A et d'angle -\theta. Enfin, les rotations sont des déplacements.

Classification des isométries planes ayant un point fixe[modifier | modifier le code]

  • Une isométrie du plan ayant trois points fixes non alignés est l'identité.
  • Une isométrie du plan autre que l'identité ayant au moins deux points fixes A et B est la réflexion par rapport à la droite (AB).
  • Une isométrie du plan ayant un unique point fixe A est une rotation de centre A.

En dimension quelconque[modifier | modifier le code]

Une application d'un espace euclidien dans lui-même qui conserve les distances conserve nécessairement l'alignement. D'après le théorème fondamental de la géométrie affine, c'est par conséquent une application affine, et son application linéaire associée conserve la norme donc est un automorphisme orthogonal. Réciproquement, toute application affine dont l'application linéaire associée est un automorphisme orthogonal est une isométrie affine.

Les automorphismes orthogonaux sont caractérisés par le fait que leur matrice dans une base orthonormée est une matrice orthogonale.

Parmi les isométries affines on distingue, de même que parmi les automorphismes orthogonaux, les déplacements (isométries affines directes), qui conservent l'orientation, et les antidéplacements (isométries affines indirectes), qui la renversent. Le déterminant de la matrice précitée vaut respectivement +1 ou -1. Les antidéplacements sont aussi appelés antirotations ou roto-inversions.[réf. souhaitée]

Exemples. Les translations sont des déplacements sans point fixe. En dimension 2 ou 3, une rotation affine est un déplacement ayant au moins un point fixe. Dans le plan, les antidéplacements sont les réflexions et les réflexions glissées.

Pour étudier les isométries affines en dimension quelconque, on s'intéresse à l'automorphisme orthogonal \phi associé défini de la sorte : si f : \begin{array}[t]{lcl}\mathcal{E} &\rightarrow &   \mathcal{E}  \\
                               M & \mapsto    & f(M)
           \end{array}
est une isométrie affine de \mathcal{E}, alors son automorphisme orthogonal associé est \phi : \begin{array}[t]{lcl}E &\rightarrow &   E  \\
                               \overrightarrow{MN} & \mapsto    & \overrightarrow{f(M)f(N)}
           \end{array}
Dès lors l'étude des points fixes de f et de \phi permet de conclure sur la nature de f.

  • Si f admet des points fixes alors :
si par exemple \phi est une rotation vectorielle alors, en dimension 2 ou 3, f sera une rotation affine.
en particulier si \phi est l'identité vectorielle alors f sera l'identité.
  • Si f n'admet pas de points fixes alors f se décompose de manière unique comme composée d'une isométrie affine avec points fixes (on revient donc au cas précédent) et d'une translation de vecteurs dans la direction des points fixes de l'isométrie précédente. En particulier, en dimension 3, si \phi est une rotation vectorielle alors f est un vissage.