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soi mais elle est le passage obligé pour étudier ensuite les espaces affines euclidiens qui sont tries : 4 3 Proposition Soient D,D deux droites vectorielles, τD et τD les symétries par rapport [P3] Perrin D , Cours d'algèbre, Ellipses, 1996



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COURS DEG´EOM´ETRIE

AFFINE ETEUCLIDIENNE

LFMA2

Mars 2017

1.L"espacevectorielR2

1.1.Rappeld"algebrelineaire

(iii)ona8,2R,8x2E,(x)=()xet1x=x. etd"unemultiplicationexterne.

1.2.Colinearitededeuxvecteurs

telsqueu+vsoitl"element0deE. (a)Sivestnulalorsuetvsontcolineaires. auquelcaslereelestunique. dimension1(onditaussidroitevectorielle). xy unvecteur deR2.Deuxvecteurs xy x0 y0 xx0 yy0 =xy0yx0est nul. (b)SiE=R2alors=E.

Exercice.Soientab

etcd nonnul.Soitxy unelementdeR2;alorsxy estegalab +cd pour=xdyc adbcet=aybxadbc.

Exemple:Lesvecteurs1

0 et0 1 s"ecritdefaconevidentexy =x1 0 +y0 1

Remarque:Soitxy

colineaire,parexemplelevecteuryx

FormeslineairessurR2

exactementquefestlineaire.) 0 ),b=f(0 1 );onapar linearite8xy

2R2,f(xy

)=ax+by. )=ax+by;alorsfestuneforme lineaire.

1.3.DroitesanesdeR2.

N=M+!MNpourl"additiondeE.SiE=R2,M=xy

etN=x0 y 0 ,onadonc!MN=x0xy0y D nedependpasduchoixdeM0. parAetdevecteurdirecteuru. lescouplesdepointsdistinctsdeD.

Parametrisationd"unedroiteanedeR2

SoitDladroiteanedeR2passantparunpointAab

etdevecteurdirecteuruαβ ;alorsDest y(t)=βt+betinversement.

Equationcartesienned"unedroiteanedeR2

(a)L"ensembledespointsxy directeurba passantparlepoint(c a,0)sia6=0,parlepoint(0,cb)sinon. (b)Inversementladroitepassantparαβ devecteurdirecteurba concideavecl"ensembledes l"ensembledespointsxy solutions. D point.

Proposition.DansR2:

fauxdansR3.

Faisceaudedroites

D

1.4Mesurealgebriquesurladroite

que!AB=u.Onlanote AB.

A?B?(biendeni!)nedepend

pasduchoixduvecteurdirecteuru.

43nonconfonduesalorsonal"egalite

A1A2

A1A3=A01A02

A01A03

A?1 DA1 A2A3

A?3A?2

D? ?3 ?1?2

AC=AB?

AC?. A B? C? CB D? D

1.5.Barycentre

reels.Onetudielafonction":E!E,M7!P

1ini!MAi.

Proposition.Aveclesdonneesci-dessus

(a)SiP

1iniestnulalors"(M)nedependpasdeM.

(b)SiP

M"(M)=(P

"(M0)="(M)+(X 1in i)!MM0: Si(P que"(G)=0. dupoids1.

Transitivitedanslecalculdubarycentre

1jnjetP

1imi+P

pointsponderes(Ai;i);(B;P

1jnj).

m^emes. 5

1.6.Complementssurlechapitre1

Egalitededeuxdroitesanes

Proposition.

ontm^emedirection. commeelementsdeR3). notecescalaire MN. MN

M0N0nedependpasduchoixdu

vecteuru. Th eor` AB AC= BB0 CC0. A1A0

1,B1B01etC1C01sousleshypothesesdupremier

theoremedeThales? 6 ((x1;:::;xn);(y1;:::;yn))7!x1y1+:::+xnyn

Orthogonalite.

D orthogonalatoutvecteurdeladirectiondeF. estunvecteurnonnul colineaire. (b)Soientab unvecteurnonnuldeR2etA=x0y0 unpointdeR2.L"ensembledespointsMdeR2 telsque!AMestorthogonalaab droitepassantparAetorthogonaleau. cettedroite.

Normeetdistance.

uu(biendenie!)estunenormesurE {Pourtousu2Eet2R,onakuk=jjkuk. {Pourtousu;v2E,onaku+vkkuk+kvk.

Onl"appellelanormeeuclidiennesurE.

(a)Onaku+vk2=kuk2+kvk2+2uv. uneapplicationveriant:

Onl"appelleladistanceeuclidiennesurE.

trianglerectangleenAalorsonaAB2+AC2=BC2.

2+2AA02.InversementmontrerquesiEest

d"unproduitscalaire. 7

E!R,M7!P

ii(MAi)2.Ona"(M?)="(M)+(P ii)(MM?)2+!M?M(P ii!MAi)desorteque -SiP iiestnul,"estconstante. -SiP iiestnonnul,ona"(M)="(G)+(P ii)(GM)2o`uGestlebarycentredusyst`eme (Ai;i). siAestdistinctdeB,lesingletonfAgsiA=B.

MA+MB=AB,M2[A;B]:

etsiuvestpositif.

Distanceentredeuxsous-espacesanes

dansR3

4.1.Espacesaffines

Exemple.

´el´ement.

8

4.2.Applicationsaffines

-8u;v2E;"(u+v)="(u)+"(v), -82K;8u2E;"(u)="(u).

9g:F!E;"g=IdF.

D lin´eairedef.

Proposition.Aveclesnotationsci-dessus:

morphismedegroupesGA(X)!GL(!X).

4.3.Rep`eresaffines

Choixd"uneorigine

s"identifievia`aL(!X).

Reperescart´esiens,reperesanes

9

Reperescart´esiens,reperesanes

R n!X,(xi)7!O+P vectorielRnetX. soitunrep`erecart´esiendeX. affine. espacevectoriel: D de!X.

4.4.Retoursurlesbarycentres

ii!MAi.

Ona"(M0)="(M)+(P

l"homoth´etievectorielsur!XderapportP ii. SiP

Coordonn´eesbarycentriques

deX. 10 telqueP ii=1etMestbarycentredusyst`eme(Ai;i).

Preuve:Onal"´egalit´e0!MA0+Pn

i=1i!MAi=!MA0+Pn i=1i!A0Aidoncona´equivalenceentre

0!MA0+Pn

i=1i!MAi=0et!A0M=Pn puisque(!A0A1;:::;!A0An)estunebasede!X. pr`es.LaconditionP ii=1. ii=0estunhyperplan ii.L"ensembleHdes(n+1)-uplets (i)telqueP (1;0;:::;0)+!H. estuneapplicationaffine.

Barycentresetapplicationsanes

(Ai;i)1inavecP (f(Ai);i). pond´er´e(Ai;i)P ii!f(M)f(Ai)="(P estbarycentredusyst`eme(f(Ai);i). festaffine.

4.5.Applicationsaffinesentredeuxdroites

Oncommenceparla

estnulleoubijective. dimension1. deDavecAdistinctdeCalorslerapport AB AB

AC!AC.

11 suivantecaract´erisentlesautres. (i)festaffineetnonconstante. AB AC= f(A)f(B) f(A)f(C):

Illustrationavecleth´eoremedeThales

passantparM. propositionci-dessusquefestaffine. ?D ?f(M) M D

4.6.Homoth´eties-translations

suivantessont´equivalentes: (i)"=kIdpourunscalairek2K sietseulementsipourtout 2L(E)ona" = " D (i)festunehomoth´etiederapportk6=1. affinedepartielin´eaire". 12 videsoitdedirectionlenoyaude"Id. directionestf0gestr´eduit`aunpoint. vecteurde!X.Onobtient: par: homoth´etie-translation.

6.Ensemblesconvexes

D [A;B]estinclusdansF. 13 del"ecriture!X=!F!G.SoitennAunpointdeF. p:M7!A+p!F(!AM): ppestp. s:M7!A+p!F(!AM)p!G(!AM): ssestl"identite. seulementsiN=pF(M).

7.Sous-espacesanes,hyperplansetequations

Rappeld"algebrelineaire

dedimensionn1.

H=fx=X

i xiei2E;X i xif(ei)=0g: veriantf(ei)=ai,auquelcasl"equationP vectorieldeE. 14

Hyperplansanes

D directionestunhyperplanvectorielde!X.

Xdedimensionn1.

cartesiennedeHdanslerepere(O;e1;:::;en). point(0;:::;0;a ai;0;:::;0)siai6=0.

Systemesd"equationsd"unsous-espaceane

deX.

Inversementonala:

8 :a

1,1x1++a1,nxn=a1.

a k,1x1++ak,nxn=ak

Preuve:parlepivotdeGauss.

15

8.Isometriesd"unespaceaneeuclidien

OnobtientunedistancesurX:d(M;N)=

q (!MNj!MN),aussinoteMN. ixiyi. veriant

8M;N2X;d(f(M);f(N))=d(M;N):

Exemples.

exion(Cfimage symetriecentrale(homothetiederapport1). ^etreinclusdansunhyperplandeX.

8.2.Isometriedeladroiteaneeuclidienne

dedeuxsymetriescentrales. 16 estunetranslation. 17

8.3.Isometrieduplananeeuclidien

defestPentier, {f=sDsD0sD00{voirci-dessous.

SiD=D0,sDD0estl"identite.

estvide. estfOg.

9.Rotationsetanglesduplananeeuclidien

(i)festuneisometrie. sipourtousx;y2!Xona("(x)j"(y))=(xjy). (i)"estunendomorphismeorthogonal. thonormeede!X. orthonormeede!X. 18 acbd danslabasecanonique."estorthogonalsi etseulementsi abba cossinsincos dedeterminant1ouabba cossinsincos dedeterminant1. (cos 2;sin 2) canoniquedeR2).

Proposition.L"application:R!GL2(R),7!

cossinsincos estunhomomorphismedugroupe (R;+)danslegroupeGL2(R).

LienaveclecorpsC

1

2(zz0+zz0).Lanormeassocieeestz7!jzj=pzz.

abba .On composeeconcideavecl"application[]7! cossinsincos .Cesonttousdesisomorphismes.

Exercice.

etd"unesymetrieorthogonale. 19 l"applicationlineairedematrice cossinsincos danslabase(e1;e2).Onlanoter.

9.3.Rotationsdansleplananeeuclidien

laBON(e1;e2).OnlanoterO;. sDsD0estunerotationdecentreO. 20

EntraînementVrai ou faux

Vrai-Faux 1.SoitEun espace affine et-→El"espace vectoriel associé. Parmi les affir- mations suivantes, lesquelles sont vraies, lesquelles sont fausses, et pourquoi?

1.?Pour tout vecteur?vde-→E, il existe un couple(A,B)de points deEet un seul

tel que-→AB=?v.

2.?Pour tout vecteur?vdeE, il existe un couple(A,B)de points deEtel que-→AB=?v.

3.?Pour tout pointAdeEet tout vecteur?vde-→E, il existe un pointBdeEet

un seul tel que-→AB=?v.

4.?Pour tout couple(A,B)de points deE, il existe un unique vecteur?vde-→Etel

que?v=-→AB.

5.?Pour tout triplet(A,B,C)de points deE, on a--→BC=-→AB--→AC.

6.?Pour tout pointBdeEet tout vecteur?vde-→E, il existe un unique pointA

deEtel que-→AB=?v.

7.?Pour tout couple(A,B)de points deE, il existe un unique pointCdeEtel

que-→CA=--→CB. Vrai-Faux 2.SoitEun espace affine etA,B,Ctrois points deE. Parmi les affirmations suivantes, lesquelles sont vraies, lesquelles sont fausses, et pourquoi?

1.?Le vecteur-→OA-2--→OB+-→OCne dépend pas du pointOdeE.

2.?Le pointMdéfini par--→OM=-→OA-2--→OB+-→OCne dépend pas du pointOde

E.

3.?Le pointMdéfini par--→OM=-→OA---→OB+-→OCne dépend pas du pointOde

E.

4.?Le pointMdéfini par4--→OM=-→OA+ 2--→OB+-→OCne dépend pas du pointO

deE.

5.?Le vecteur?vdéfini par3?v=-→OA+--→OB+-→OCne dépend pas du pointOdeE.

Vrai-Faux 3.SoitEun espace affine,netmdeux entiers strictement positifs,A1,...,An etB1,...,Bmdes points deE,Gl"isobarycentre des pointsA1,...,An,Hl"isobary- centre des pointsB1,...,Bm,Kl"isobarycentre desn+mpointsA1,...,An,B1,...,Bm. Parmi les affirmations suivantes, lesquelles sont vraies, lesquelles sont fausses, et pour- quoi?

1.?Kest toujours le milieu du segment[GH].

2.?Kappartient toujours au segment[GH].

3.?n--→KG=m--→KH.

4.?n--→KG+m--→KH=?0.

5.?Happartient à la droite(KG)(en supposantG?=K).

6.?Happartient au segment[KG].

7.?n--→KG=

n? i=1 --→KAi.

8.?K=Hsi et seulement siH=G.

Vrai-Faux 4.Parmi les affirmations suivantes, lesquelles sont vraies, lesquelles sont fausses, et pourquoi?

1.?Tout segment est convexe.

2.?Une droite privée d"un point est convexe.

3.?Un plan privé d"un point est convexe.

4.?Le graphe d"une fonction convexe deRdansRest convexe.

5.?Le graphe d"une fonction affine deRdansRest convexe.

6.?L"enveloppe convexe de la réunion de deux droites sécantes est le plan conte-

nant ces droites.

7.?L"enveloppe convexe d"une partie bornée du plan est bornée.

8.?L"enveloppe convexe de la réunion de deux droites non coplanaires de l"espace

Ede dimension3estE.

Vrai-Faux 5.Soit, dans un espace affineE,hune homothétie de centreAet de rapport λ?= 1etfune transformation affine deEtelle quef(A)?=A. Parmi les affirmations suivantes, lesquelles sont vraies, lesquelles sont fausses, et pourquoi?

1.?f◦h=h◦f.

2.?f◦h◦f-1est une homothétie de rapportλ.

3.?f◦h◦f-1est une homothétie de centreA.

4.?h-1est une homothétie de centreA.

5.?h◦f◦h-1est une homothétie de centreA.

Vrai-Faux 6.Le cadre est un espace affine de dimension trois. Dire pour chacune des affirmations suivantes si elle est vraie ou fausse (en justifiant votre réponse).

1.?Si deux droites sont parallèles à un même plan, elles sont parallèles entre elles.

2.?Si deux plans sont parallèles, toute droite qui coupe l"un coupe l"autre.

3.?Si une droiteDest parallèle à un planP, tout plan non parallèle àPrencontre

D.

4.?Étant donnés deux plans sécants, toute droite parallèle à ces deux plans est

parallèle à leur intersection.

5.?Étant données deux droites non coplanaires, il existe toujours au moins un

plan tel que ces deux droites soient parallèles à ce plan.

6.?Étant donnés deux plans sécants, deux droites parallèles à chacun de ces deux

plans sont nécessairement parallèles entre elles.

7.?SoientDetD?deux droites non parallèles de l"espace; il existe un planPet

un seul contenantDtel queD?soit parallèle àP. Vrai-Faux 7.Parmi les affirmations suivantes, lesquelles sont vraies, lesquelles sont fausses, et pourquoi?

1.?Toute transformation affine qui transforme toute droite en une droite parallèle

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