Groupe orthogonal

En mathématiques, le groupe orthogonal réel de degré ${\displaystyle n}$, noté ${\displaystyle O(n)}$, est le groupe des transformations géométriques d'un espace euclidien de dimension ${\displaystyle n}$ qui préservent les distances (isométries) et le point origine de l'espace. Formellement, on introduit le groupe orthogonal d'une forme quadratique ${\displaystyle q}$ sur ${\displaystyle E}$, espace vectoriel sur un corps commutatif ${\displaystyle \mathbb {K} }$, comme le sous-groupe du groupe linéaire ${\displaystyle GL(E)}$ constitué des automorphismes ${\displaystyle f}$ de ${\displaystyle E}$ qui laissent ${\displaystyle q}$ invariante : ${\displaystyle q(f(x))=q(x)}$ pour tout vecteur ${\displaystyle x}$ de ${\displaystyle E}$. La loi de composition de ce groupe est la composition des applications.

Dans cet article, ${\displaystyle \mathbb {K} }$ désigne un corps commutatif et ${\displaystyle E}$ un espace vectoriel de dimension finie non nulle ${\displaystyle n}$sur ${\displaystyle \mathbb {K} }$ et ${\displaystyle q}$ désigne une forme quadratique non dégénérée sur ${\displaystyle E}$.

Généralités

L'ensemble des éléments ${\displaystyle f}$ du groupe linéaire ${\displaystyle GL(E)}$ de ${\displaystyle E}$ tels que ${\displaystyle q(f(x))=q(x)}$ pour tout vecteur ${\displaystyle x}$ de ${\displaystyle E}$ est un groupe pour la composition des applications. On l'appelle groupe orthogonal de ${\displaystyle q}$ et on le note ${\displaystyle O(q)}$ ou ${\displaystyle O(E,q)}$ ; ses éléments sont les applications orthogonales (pour ${\displaystyle q}$),

Exemple. Un cas important est celui de la forme quadratique suivante (en supposant que la caractéristique de ${\displaystyle \mathbb {K} }$ est différente de ${\displaystyle 2}$) : ${\displaystyle E=\mathbb {K} ^{n}}$, et ${\displaystyle q}$ est la forme quadratique canonique :

${\displaystyle q(x_{1},\ldots ,x_{n})=\sum _{k=1}^{n}x_{k}^{2}.}$

Le groupe orthogonal correspondant est noté ${\displaystyle O(n,\mathbb {K} )}$, ou ${\displaystyle O_{n}(\mathbb {K} )}$. Il est appelé groupe orthogonal standard de degré ${\displaystyle n}$ sur ${\displaystyle \mathbb {K} }$. Il s'identifie canoniquement au groupe des matrices orthogonales ${\displaystyle n\times n}$ (une matrice est dite orthogonale si sa transposée est son inverse). La loi interne de ce groupe est la multiplication matricielle. C'est un sous-groupe du groupe linéaire ${\displaystyle GL(n,\mathbb {K} )}$.

Le déterminant de tout élément de ${\displaystyle O(q)}$ est égal à ${\displaystyle 1}$ ou à ${\displaystyle -1}$.

Si la caractéristique de ${\displaystyle \mathbb {K} }$ est différente de ${\displaystyle 2}$, l'ensemble ${\displaystyle O(q)\cap SL(E)}$ des éléments de ${\displaystyle O(q)}$ dont le déterminant est ${\displaystyle 1}$ est un sous-groupe de ${\displaystyle O(q)}$, que l'on appelle groupe spécial orthogonal de ${\displaystyle q}$ et on le note ${\displaystyle SO(q)}$ ou ${\displaystyle SO(E,q)}$. Dans le cas de l'exemple vu plus haut, on le note aussi ${\displaystyle SO(n,\mathbb {K} )}$ ou ${\displaystyle SO_{n}(\mathbb {K} )}$. Donc ${\displaystyle SO(n,\mathbb {K} )}$ est le groupe des matrices orthogonales d'ordre ${\displaystyle n}$ dont le déterminant est ${\displaystyle 1}$. ${\displaystyle SO(q)}$ est un sous-groupe d'indice ${\displaystyle 2}$ de ${\displaystyle O(q)}$, et donc ${\displaystyle SO(n,\mathbb {K} )}$ est un sous-groupe d'indice ${\displaystyle 2}$ de ${\displaystyle O(n,\mathbb {K} )}$.

En caractéristique ${\displaystyle 2}$, le déterminant de tout élément de ${\displaystyle O(q)}$ est ${\displaystyle 1}$, et la définition du groupe spécial orthogonal est alors tout autre.

Les ${\displaystyle O(q)}$ et, si la caractéristique de ${\displaystyle \mathbb {K} }$ est différente de ${\displaystyle 2}$, les ${\displaystyle SO(q)}$ sont des groupes algébriques : si ${\displaystyle \mathbb {K} }$ est un corps infini, il est un fermé de ${\displaystyle GL(E)}$ pour la topologie de Zariski. Dans le cas du groupe ${\displaystyle O(n,\mathbb {K} )}$, il suffit d'observer que c'est l'ensemble des zéros de l'application polynomiale ${\displaystyle M\mapsto ~^{t}MM-I_{n}}$ de ${\displaystyle M_{n}(\mathbb {K} )}$ (espace des matrices carrées) dans lui-même.

Groupes orthogonaux réels et complexes

Groupes orthogonaux euclidiens

Dans cette section on suppose que ${\displaystyle \mathbb {K} }$ est le corps ${\displaystyle \mathbb {R} }$ des nombres réels.

Si ${\displaystyle q}$ est définie positive, alors ${\displaystyle O(q)}$ et ${\displaystyle SO(q)}$ sont isomorphes à ${\displaystyle O(n,\mathbb {R} )}$ et ${\displaystyle SO(n,\mathbb {R} )}$. On les note ${\displaystyle O(n)}$ et ${\displaystyle SO(n)}$.

Géométriquement, ${\displaystyle O(n)}$ est le groupe des isométries euclidiennes de ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}$ qui préservent l'origine (ou, ce qui est équivalent, appartiennent à ${\displaystyle GL(n,\mathbb {R} )}$), ${\displaystyle SO(n)}$ son sous-groupe des éléments qui préservent l'orientation (isométries directes).

${\displaystyle SO(2)}$ est isomorphe (en tant que groupe de Lie, voir plus loin) au cercle ${\displaystyle S^{1}}$, formé des nombres complexes de module ${\displaystyle 1}$, muni de la multiplication. Cet isomorphisme lie le nombre complexe${\displaystyle e^{it}=\cos t+i\cdot \sin t}$ à la matrice orthogonale

${\displaystyle {\begin{pmatrix}\cos t&-\sin t\\\sin t&\cos t\end{pmatrix}}.}$

Le groupe ${\displaystyle SO(3)}$ est souvent appelé groupe des rotations (vectorielles) dans l'espace (tridimensionnel).

Les groupes ${\displaystyle O(n)}$ et ${\displaystyle SO(n)}$ sont des sous-groupes fermés du groupe de Lie ${\displaystyle GL(n,\mathbb {R} )}$ (par exemple : ${\displaystyle O(n)}$ est fermé dans ${\displaystyle GL(n,\mathbb {R} )}$ — et même dans ${\displaystyle M_{n}(\mathbb {R} )\cong \mathbb {R} ^{n^{2}}}$— car c'est l'image réciproque du singleton ${\displaystyle \{I_{n}\}}$ par l'application continue ${\displaystyle M\mapsto ~^{t}MM}$). Ce sont donc des groupes de Lie réels. Leurs dimensions sont égales à ${\displaystyle {\frac {n(n-1)}{2}}}$.

Ce sont même des groupes de Lie compacts car ils sont non seulement fermés dans ${\displaystyle M_{n}(\mathbb {R} )}$ mais bornés (la norme d'opérateur de toute isométrie est égale à 1). ${\displaystyle O(n)}$ est d'ailleurs un sous-groupe compact maximal de ${\displaystyle GL(n,\mathbb {R} )}$. C'est même le seul à isomorphisme près, puisque tout sous-groupe compact de ${\displaystyle GL(n,\mathbb {R} )}$ est conjugué d'un sous-groupe de ${\displaystyle O(n)}$.

Le groupe ${\displaystyle O(n)}$ a deux composantes connexes car sa composante neutre (en) est ${\displaystyle SO(n)}$.

L'algèbre de Lie associée aux groupes de Lie ${\displaystyle O(n)}$ et ${\displaystyle SO(n)}$ est formée des matrices carrées d'ordre ${\displaystyle n}$ qui sont antisymétriques. Elle est généralement notée ${\displaystyle {\mathfrak {o}}(n)}$ ou ${\displaystyle {\mathfrak {so}}(n)}$.

En termes de topologie algébrique, pour ${\displaystyle n>2}$, le groupe fondamental de ${\displaystyle SO(n)}$ est d'ordre ${\displaystyle 2}$ et son revêtement universel est ${\displaystyle {\textrm {Spin}}(n)}$ (le groupe spinoriel). Pour ${\displaystyle n=2}$, le groupe fondamental est ${\displaystyle \mathbb {Z} }$ et le revêtement universel est ${\displaystyle \mathbb {R} }$.

Groupes orthogonaux complexes

Si ${\displaystyle \mathbb {K} }$ est le corps ${\displaystyle \mathbb {C} }$ des nombres complexes, alors ${\displaystyle O(q)}$ et ${\displaystyle SO(q)}$ sont isomorphes à ${\displaystyle O(n,\mathbb {C} )}$ et ${\displaystyle SO(n,\mathbb {C} )}$.

De manière analogue aux groupes orthogonaux euclidiens (en remplaçant ${\displaystyle \mathbb {R} }$ par ${\displaystyle \mathbb {C} }$), ${\displaystyle O(n,\mathbb {C} )}$ et ${\displaystyle SO(n,\mathbb {C} )}$ sont des sous-groupes fermés du groupe de Lie ${\displaystyle GL(n,\mathbb {C} )}$ et sont donc des groupes de Lie complexes. Leurs dimensions (sur ${\displaystyle \mathbb {C} }$) sont égales à ${\displaystyle {\frac {n(n-1)}{2}}}$.

Si ${\displaystyle n\geq 2}$, les groupes topologiques ${\displaystyle O(n,\mathbb {C} )}$ et ${\displaystyle SO(n,\mathbb {C} )}$ ne sont pas compacts, mais ${\displaystyle O(n)}$ et ${\displaystyle SO(n)}$ sont des sous-groupes compacts maximaux de ces groupes.

La composante neutre de ${\displaystyle O(n,\mathbb {C} )}$ est ${\displaystyle SO(n,\mathbb {C} )}$.

L'algèbre de Lie associée aux groupes de Lie ${\displaystyle O(n,\mathbb {C} )}$ et ${\displaystyle SO(n,\mathbb {C} )}$ est formée des matrices complexes carrées d'ordre ${\displaystyle n}$ qui sont antisymétriques. Elle est généralement notée ${\displaystyle {\mathfrak {o}}(n,\mathbb {C} )}$ ou ${\displaystyle {\mathfrak {so}}(n,\mathbb {C} )}$.

Pour ${\displaystyle n>2}$, le groupe fondamental de ${\displaystyle SO(n,\mathbb {C} )}$ est d'ordre ${\displaystyle 2}$ et son revêtement universel est le groupe spinoriel complexe ${\displaystyle \mathrm {Spin} (n,\mathbb {C} )}$. Pour ${\displaystyle n=2}$, le groupe fondamental est ${\displaystyle \mathbb {Z} }$ et le revêtement universel est ${\displaystyle \mathbb {C} }$.

Groupes orthogonaux réels et complexes, intrinsèquement

On suppose que ${\displaystyle \mathbb {K} }$ est le corps ${\displaystyle \mathbb {R} }$ des nombres réels ou le corps ${\displaystyle \mathbb {C} }$ des nombres complexes.

${\displaystyle O(q)}$ et ${\displaystyle SO(q)}$ sont des sous-groupes fermés du groupe de Lie ${\displaystyle GL(E)}$ (ils sont même fermés dans ${\displaystyle \mathrm {End} _{\mathbb {K} }(E)\cong \mathbb {K} ^{n^{2}}}$) et sont donc des groupes de Lie sur ${\displaystyle \mathbb {K} }$. Les dimensions de ${\displaystyle O(q)}$ et ${\displaystyle SO(q)}$ sur ${\displaystyle \mathbb {K} }$ sont égales à ${\displaystyle {\frac {n(n-1)}{2}}}$.

Si ${\displaystyle \mathbb {K} =\mathbb {R} }$, ou si ${\displaystyle \mathbb {K} =\mathbb {C} }$ et si ${\displaystyle q}$ est définie positive ou négative, alors ${\displaystyle O(q)}$ et SO(q) s'identifient à ${\displaystyle O(n,\mathbb {K} )}$ et ${\displaystyle SO(n,\mathbb {K} )}$. Si K = R et si q est indéfinie (en), alors la composante neutre ${\displaystyle SO_{0}(q)}$ de ${\displaystyle SO(q)}$ est d'indice ${\displaystyle 2}$ dans ${\displaystyle SO(q)}$ donc d'indice ${\displaystyle 4}$ dans ${\displaystyle O(q)}$ (${\displaystyle O(q)/SO_{0}(q)}$ est isomorphe au groupe de Klein ${\displaystyle \mathbb {Z} /2\mathbb {Z} \times \mathbb {Z} /2\mathbb {Z} }$).

L'algèbre de Lie associée aux groupes de Lie ${\displaystyle O(q)}$ et ${\displaystyle SO(q)}$, notée ${\displaystyle {\mathfrak {o}}(q)}$ ou ${\displaystyle {\mathfrak {so}}(q)}$, est canoniquement isomorphe à la sous-${\displaystyle \mathbb {K} }$-algèbre de Lie de ${\displaystyle {\mathfrak {gl}}(E)}$ constituée des endomorphismes ${\displaystyle f}$ de ${\displaystyle E}$ tels que ${\displaystyle \Phi (f(x),y)+\Phi (y,f(x))=0}$ où ${\displaystyle \Phi }$ désigne la forme bilinéaire symétrique associée à ${\displaystyle q}$.

Le groupe spinoriel ${\displaystyle \mathrm {Spin} (q)}$ est un sous-${\displaystyle \mathbb {K} }$-groupe de Lie du groupe des inversibles de ${\displaystyle Cl_{0}(q)}$ (l'algèbre de Clifford). De plus, ${\displaystyle \mathrm {Spin} (q)}$ est un ${\displaystyle 2}$-revêtement de ${\displaystyle SO(q)}$ si ${\displaystyle \mathbb {K} =\mathbb {C} }$, et de la composante neutre ${\displaystyle SO_{0}(q)}$ de ${\displaystyle SO(q)}$ si ${\displaystyle \mathbb {K} =\mathbb {R} }$ L'algèbre de Lie de ${\displaystyle \mathrm {Spin} (q)}$ s'identifie canoniquement à ${\displaystyle {\mathfrak {o}}(q)}$.

Articles connexes

• Automorphisme orthogonal
• Rotation vectorielle
• Matrice de rotation
• Groupe orthogonal projectif (en)

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