Sur quelques vecteurs propres amusants

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C’est dans cet article que se trouve l’origine de ce dont je vais vous entretenir mais il ne faut nullement l’avoir lu pour comprendre le présent billet dont le propos est extrêmement élémentaire.

Dans l’article en question, j’ai associé de façon naturelle deux équations différentielles à chaque matrice de trace nulle

H=\begin{pmatrix}p&q\\r&-p\end{pmatrix}

Peut importe ce que sont ces équations, il suffit de savoir que l’on échange ces équations en remplaçant H par

H'=\begin{pmatrix}-p&r\\q&p\end{pmatrix}

C’est en effet à propos de l’application linéaire H\mapsto H' que je souhaite faire ici quelques observations.

Les déterminants des matrices H et H' sont égaux. Puisque leurs traces sont nulles, elles ont même polynôme caractéristique : elles doivent être semblables. Et, en effet, comme on le voit tout de suite(*),

\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}\begin{pmatrix}p&q\\r&-p\end{pmatrix}\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-p&r\\q&p\end{pmatrix}

Plus généralement

\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}\begin{pmatrix}x&y\\z&t\end{pmatrix}\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}t&z\\y&x\end{pmatrix}

L’ensemble des matrices réelles, carrées et de dimension deux est un espace vectoriel réel de dimension quatre. On le note souvent gl(2,\mathbf R). Plus précisément, l’application(**)

\begin{pmatrix}x&y\\z&t\end{pmatrix}\in gl(2,\mathbf R)\mapsto (x,y,z,t)\in\mathbf R^4

est une isométrie, gl(2,\mathbf R) étant muni du produit scalaire (A,B)\mapsto \mathrm{tr}(\tilde AB) et \mathbf R^4 de son produit scalaire canonique.

Le sous-espace des matrices de trace nulle de gl(2,\mathbf R) est noté sl(2,\mathbf R). C’est un hyperplan et son complément orthogonal, qui est donc de dimension un, est la droite vectorielle engendrée par la matrice unité. Comme on le voit immédiatement, celle-ci est en effet orthogonale aux matrices de trace nulle.

Comme on le vérifie très facilement, la similitude de matrice \begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix} est une isométrie de gl(2,\mathbf R); on a vu plus haut qu’elle stabilise sl(2,\mathbf R).

Nous allons déterminer ses vecteurs propres, c’est-à-dire chercher les (x,y,z,t) non nuls pour lesquels il existe un nombre réel \lambda vérifiant (t,z,y,x)=\lambda(x,y,z,t).

Il est particulièrement simple de résoudre ce système d’équations homogènes mais je ne vais pas le faire ici. Je vais seulement décrire ses solutions.

On voit qu’il est compatible si, et seulement si, \lambda^2=1. Autrement dit, les valeurs propres de notre application sont \pm 1.

L’espace des solutions du système lorsque \lambda=1 est \{(x,y,y,x)|x,y\in\mathbf R\}. Il est de dimension deux et admet la base ((1,0,0,1),(0,1,1,0)). Lorsque \lambda=-1, l’espace des solutions est \{(x,-y,y,-x)|x,y\in\mathbf R\}. Il est de dimension deux et admet la base ((1,0,0,-1),(0,-1,1,0)).

Les éléments de ces bases sont deux à deux orthogonaux et leurs longueurs sont toutes égales à \sqrt 2. Rangés dans l’ordre où nous les avons rencontrés ils forment une base de \mathbf R^4 de même orientation que sa base canonique. Dans cette base, notre similitude est représentée par la matrice diagonale \mathrm{diag}(1,1,-1,-1). Son déterminant est donc 1.

Les éléments de gl(2,\mathbf R) représentent les endomorphismes de l’espace vectoriel \mathbf R^2 :

\begin{pmatrix}u\\v\end{pmatrix}\mapsto \begin{pmatrix}x&y\\z&t\end{pmatrix}\begin{pmatrix}u\\v\end{pmatrix}

L’interprétation en termes d’applications linéaires des quatre vecteurs propres que nous venons de mettre en évidence est intéressante :

  • (1,0,0,1) représente l’identité \mathbf 1 de \mathbf R^2 dans lui-même.
  • (0,1,1,0) représente la volte \mathcal V: (x,y)\mapsto (y,x); c’est la symétrie orthogonale par rapport à la droite d’équation x=y.
  • (1,0,0,-1) représente la symétrie orthogonale par rapport à la droite d’équation y=0; regardée comme une application de l’ensemble des nombres complexes dans lui-même, c’est la conjugaison. Nous la noterons \mathcal C.
  • (0,-1,1,0) représente la rotation d’angle \pi/2; sur \mathbf C, c’est aussi la multiplication par i et nous la noterons \mathcal I.

La composée de deux symétries orthogonales est une rotation dont l’angle est le double de l’angle orienté que forment ces droites. Par conséquent, \mathcal V\circ \mathcal C=\mathcal I. Mais \mathcal V et \mathcal C sont des involutions. Nous avons donc aussi \mathcal V\circ \mathcal I=\mathcal C et \mathcal I\circ \mathcal C=\mathcal V. Voici la table complète des composées de nos quatre applications :

\begin{array}{c|c|c|c|c}&\mathbf 1&\mathcal V&\mathcal C&\mathcal I\\ \hline \mathbf 1&\mathbf 1&\mathcal V&\mathcal C&\mathcal I\\ \hline \mathcal V&\mathcal V&\mathbf 1&\mathcal I&\mathcal C\\ \hline \mathcal C&\mathcal C&-\mathcal I&\mathbf 1&-\mathcal V\\ \hline \mathcal I&\mathcal I&-\mathcal C&\mathcal V&-\mathbf 1\end{array}

Cette table montre que

\{\pm \mathbf 1, \pm \mathcal V, \pm \mathcal C , \pm \mathcal I\}

est un sous groupe du groupe des isométries de \mathbf R^2, celui engendré par les réflexions \mathcal V et \mathcal C. Celles-ci conservent le carré de sommets (1,1),(-1,1),(-1,-1),(1,-1). C’est donc une copie du groupe diédral D_8 qui est le groupe des symétries d’un carré. Notez qu’il n’y a que deux groupes d’ordre huit non abéliens : le groupe diédral D_8 et le groupe des quaternions.

Une autre façon d’identifier notre groupe à D_8 est d’utiliser la présentation générale des groupes diédraux décrite dans la référence donnée quelques lignes plus haut. Abstraitement, le groupe D_8 est le groupe de présentation

\langle \sigma,\tau|\sigma^2,\tau^4,\sigma\tau\sigma^{-1}\tau\rangle

Cela signifie que D_8 est engendré par les éléments \sigma et \tau et que ceux-ci sont assujettis à vérifier les seules relations

\sigma^2=e \quad \& \quad \tau^4=e \quad \& \quad \sigma\tau\sigma^{-1}\tau=e

(e est le neutre). Les éléments du groupe sont alors

e,\tau,\tau^2,\tau^3,\sigma,\sigma\tau,\sigma\tau^2,\sigma\tau^3

Il est facile de voir à l’aide de la table ci-dessus que l’on peut prendre pour \sigma et \tau respectivement la réflexion \mathcal V et la rotation \mathcal I. Par exemple, on a

(\mathbf 1,\mathcal I,\mathcal I^2,\mathcal I^3,\mathcal V,\mathcal V\mathcal I,\mathcal V\mathcal I^2,\mathcal V\mathcal I^3)=(\mathbf 1,\mathcal I,-\mathbf 1,-\mathcal I,\mathcal V,\mathcal C,-\mathcal V,-\mathcal C)

__________
(*) La matrice \begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix} est sa propre inverse. Elle représente en effet la volte

\mathcal V: (x,y)\mapsto (y,x)

de \mathbf R^2 dans la base canonique de ce dernier, volte qui est évidemment une involution.

(**) Nous utiliserons librement cette application pour identifier gl(2,\mathbf R) et \mathbf R^4.

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