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Corrigé détaillé · Agrégation interne

Des changements de coordonnées aux invariants, à la loi d’inertie et à la classification complète des coniques réelles · Changements de coordonnées et coniques · Matrices symétriques et réduction orthogonale · Formes quadratiques et méthode de Gauss · Loi d’inertie de Sylvester · Classification des coniques réelles · Invariants affines et matrice homogénéisée

Formes quadratiques, réduction et classification des coniques

Après avoir cherché le sujet, comparez votre démarche avec cette correction et repérez les écarts de méthode, de précision ou de rédaction.

Le calcul concret des premières questions fait apparaître deux opérations de nature différente : une rotation agit sur les directions de la partie quadratique, tandis qu'une translation agit sur les termes affines. La réduction des formes quadratiques permet ensuite de séparer ces rôles et d'identifier les invariants qui gouvernent la classification.

I — Changer d'axes avant de changer de langage

  1. Pour λ=0\lambda=0,
x2+y2+2x+2y+μ=0x^2+y^2+2x+2y+\mu=0

équivaut à

(x+1)2+(y+1)2=2−μ.(x+1)^2+(y+1)^2=2-\mu.

Ainsi, si μ<2\mu<2, C0,μ\mathcal C_{0,\mu} est le cercle de centre (−1,−1)(-1,-1) et de rayon 2−μ\sqrt{2-\mu} ; si μ=2\mu=2, C0,2={(−1,−1)}\mathcal C_{0,2}=\{(-1,-1)\} ; si μ>2\mu>2, C0,μ=∅\mathcal C_{0,\mu}=\varnothing.

  1. (a) Pour λ=1\lambda=1,
(x+y)2+2(x+y)+μ=0.(x+y)^2+2(x+y)+\mu=0.

Avec s=x+ys=x+y, cela donne

(s+1)2=1−μ.(s+1)^2=1-\mu.

Si μ<1\mu<1, les deux valeurs s=−1±1−μs=-1\pm\sqrt{1-\mu} donnent deux droites parallèles distinctes

x+y=−1±1−μ.x+y=-1\pm\sqrt{1-\mu}.

Si μ=1\mu=1, on obtient la droite x+y=−1x+y=-1, comptée double dans l'équation quadratique. Si μ>1\mu>1, il n'existe aucune valeur réelle de ss et l'ensemble est vide. (b) Les vecteurs

eu=12(1,1),ev=12(−1,1)e_u=\frac1{\sqrt2}(1,1),\qquad e_v=\frac1{\sqrt2}(-1,1)

sont unitaires, orthogonaux et vérifient det⁡(eu,ev)=1\det(e_u,e_v)=1 : ils forment donc une base orthonormée directe. Pour X=(x,y)X=(x,y),

u=⟨X,eu⟩=x+y2,v=⟨X,ev⟩=−x+y2,u=\langle X,e_u\rangle=\frac{x+y}{\sqrt2},\qquad v=\langle X,e_v\rangle=\frac{-x+y}{\sqrt2},

ce sont bien les coordonnées de XX dans ce repère. La base (eu,ev)(e_u,e_v) s'obtient par rotation d'angle π/4\pi/4 du repère initial.

Pour λ=−1\lambda=-1,

x2−2xy+y2+2x+2y+μ=0,x^2-2xy+y^2+2x+2y+\mu=0,

soit

(x−y)2+2(x+y)+μ=0.(x-y)^2+2(x+y)+\mu=0.

Comme x+y=2ux+y=\sqrt2u et x−y=−2vx-y=-\sqrt2v, l'équation devient

2v2+22u+μ=0,2v^2+2\sqrt2u+\mu=0,

c'est-à-dire

u=−v22−μ22.u=-\frac{v^2}{\sqrt2}-\frac{\mu}{2\sqrt2}.

C'est une parabole propre pour tout μ\mu. Son sommet a pour coordonnées

(u0,v0)=(−μ22,0),(u_0,v_0)=\left(-\frac{\mu}{2\sqrt2},0\right),

donc, dans le repère initial,

(x0,y0)=(−μ4,−μ4).(x_0,y_0)=\left(-\frac\mu4,-\frac\mu4\right).

Son axe est la droite parallèle à (1,1)(1,1) passant par le sommet, et la parabole s'ouvre dans le sens opposé au vecteur (1,1)(1,1).

  1. Pour λ=1/2\lambda=1/2 et μ=0\mu=0,
32u2+12v2+22u=0.\frac32u^2+\frac12v^2+2\sqrt2u=0.

On obtient

32(u+223)2+12v2=43,\frac32\left(u+\frac{2\sqrt2}{3}\right)^2+\frac12v^2=\frac43,

puis

(u+223)28/9+v28/3=1.\frac{\left(u+\frac{2\sqrt2}{3}\right)^2}{8/9}+\frac{v^2}{8/3}=1.

Le centre est (−22/3,0)(-2\sqrt2/3,0) dans le repère (u,v)(u,v), donc

(−23,−23)\left(-\frac23,-\frac23\right)

dans le repère initial. Les directions des axes sont celles de (1,1)(1,1) et (−1,1)(-1,1). Les demi-axes correspondants ont pour longueurs respectives

89=223,83=263.\sqrt{\frac89}=\frac{2\sqrt2}{3},\qquad \sqrt{\frac83}=\frac{2\sqrt6}{3}.
  1. (a) Dans q(X+h,Y+k)q(X+h,Y+k), les termes de degré 22 proviennent uniquement de AX2AX^2, BXYBXY et CY2CY^2 ; les autres termes ont degré au plus 11. La partie homogène de degré 22 est donc
AX2+BXY+CY2.AX^2+BXY+CY^2.

Une translation ne modifie donc pas la partie quadratique et, en particulier, ne peut annuler un coefficient BB initialement non nul. (b) En remplaçant xx et yy par

x=ucos⁡θ−vsin⁡θ,y=usin⁡θ+vcos⁡θ,x=u\cos\theta-v\sin\theta, \qquad y=u\sin\theta+v\cos\theta,

le coefficient de uvuv est

−2Asin⁡θcos⁡θ+B(cos⁡2θ−sin⁡2θ)+2Csin⁡θcos⁡θ,-2A\sin\theta\cos\theta+B(\cos^2\theta-\sin^2\theta)+2C\sin\theta\cos\theta,

soit

(C−A)sin⁡(2θ)+Bcos⁡(2θ).(C-A)\sin(2\theta)+B\cos(2\theta).

(c) Il faut donc annuler

(C−A)sin⁡(2θ)+Bcos⁡(2θ).(C-A)\sin(2\theta)+B\cos(2\theta).

Si A=CA=C et B=0B=0, tout angle θ\theta convient. Si A=CA=C et B≠0B\ne0, il faut cos⁡(2θ)=0\cos(2\theta)=0, donc

θ=π4+kπ2,k∈Z.\theta=\frac\pi4+k\frac\pi2,\qquad k\in\mathbb Z.

Si A≠CA\ne C, l'annulation équivaut à

tan⁡(2θ)=BA−C,\tan(2\theta)=\frac{B}{A-C},

et cette équation possède des solutions, par exemple

2θ=arctan⁡ ⁣(BA−C)+kπ.2\theta=\arctan\!\left(\frac{B}{A-C}\right)+k\pi.

II — La matrice de la partie quadratique

  1. (a) On calcule
(xy)(AB/2B/2C)(xy)=Ax2+Bxy+Cy2.\begin{pmatrix}x&y\end{pmatrix} \begin{pmatrix}A&B/2\\B/2&C\end{pmatrix} \begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix} =Ax^2+Bxy+Cy^2.

Si une matrice symétrique (abbc)\begin{pmatrix}a&b\\b&c\end{pmatrix} représente qq, l'identification des coefficients impose a=Aa=A, 2b=B2b=B et c=Cc=C : la matrice est unique. (b) Si X=PYX=PY, alors

q(X)=YTPTSPY.q(X)=Y^TP^TSPY.

La matrice dans les coordonnées YY est donc

S′=PTSP.S'=P^TSP.

(c) Si PP est orthogonale, PT=P−1P^T=P^{-1}, donc

S′=P−1SP.S'=P^{-1}SP.

La congruence est alors aussi une similitude. Une matrice diagonale représente une partie quadratique sans terme croisé ; diagonaliser orthogonalement SS revient donc exactement à choisir des axes orthonormés dans lesquels le terme en uvuv disparaît.

  1. (a) On a
χS(t)=det⁡(tI2−S)=t2−(A+C)t+AC−B24.\chi_S(t)=\det(tI_2-S)=t^2-(A+C)t+AC-\frac{B^2}{4}.

Son discriminant vaut

(A+C)2−4AC+B2=(A−C)2+B2≥0.(A+C)^2-4AC+B^2=(A-C)^2+B^2\ge0.

Les deux valeurs propres de SS sont donc réelles, éventuellement confondues. (b) Si Su=λuSu=\lambda u et Sv=νvSv=\nu v, alors, puisque SS est symétrique,

λ⟨u,v⟩=⟨Su,v⟩=⟨u,Sv⟩=ν⟨u,v⟩.\lambda\langle u,v\rangle =\langle Su,v\rangle =\langle u,Sv\rangle =\nu\langle u,v\rangle.

Lorsque λ≠ν\lambda\ne\nu, on en déduit ⟨u,v⟩=0\langle u,v\rangle=0. (c) Si SS possède une valeur propre double, le discriminant précédent est nul. Ainsi (A−C)2+B2=0(A-C)^2+B^2=0, donc A=CA=C et B=0B=0. Par conséquent S=AI2S=AI_2. (d) Si les valeurs propres sont distinctes, on choisit un vecteur propre unitaire dans chacun des deux espaces propres ; la question précédente montre qu'ils forment une base orthonormée. Si la valeur propre est double, SS est scalaire et toute base orthonormée est une base de vecteurs propres. Dans tous les cas, SS est orthogonalement diagonalisable. (e) Si une base orthonormée propre est indirecte, on remplace l'un de ses vecteurs par son opposé. Elle reste orthonormée et propre, mais devient directe. Sa matrice de passage appartient alors à SO(2)SO(2), donc est une matrice de rotation. Dans ce repère, SS est diagonale : le coefficient du terme croisé est nul. On retrouve ainsi l'existence de l'angle θ\theta de la question 4.

  1. (a) À partir de S′=PTSPS'=P^TSP,
det⁡S′=det⁡(PT)det⁡Sdet⁡P=(det⁡P)2det⁡S.\det S'=\det(P^T)\det S\det P=(\det P)^2\det S.

Comme PP est inversible, (det⁡P)2>0(\det P)^2>0, donc le signe de det⁡S\det S est conservé. De même,

rang⁡(PTSP)=rang⁡S\operatorname{rang}(P^TSP)=\operatorname{rang}S

car la multiplication à gauche ou à droite par une matrice inversible ne change pas le rang. (b) On a

det⁡S=AC−B24,\det S=AC-\frac{B^2}{4},

d'où

Δq=B2−4AC=−4det⁡S.\Delta_q=B^2-4AC=-4\det S.

(c) Les valeurs propres réelles de SS ont pour produit det⁡S\det S. Si Δq<0\Delta_q<0, alors det⁡S>0\det S>0 : les deux valeurs propres sont non nulles et de même signe, donc qq est définie positive ou définie négative. Si Δq>0\Delta_q>0, alors det⁡S<0\det S<0 : les valeurs propres sont de signes opposés, donc qq est indéfinie. Enfin, si Δq=0\Delta_q=0, alors det⁡S=0\det S=0 ; comme q≠0q\ne0, on a S≠0S\ne0, donc rang⁡S=1\operatorname{rang}S=1. (d) Avec la même partie quadratique x2+y2x^2+y^2, les équations

x2+y2=1,x2+y2=0,x2+y2+1=0x^2+y^2=1,\qquad x^2+y^2=0,\qquad x^2+y^2+1=0

définissent respectivement une ellipse particulière, à savoir un cercle, un point et l'ensemble vide. Avec la partie quadratique y2y^2, les équations

y2−x=0,y2−1=0,y2+1=0y^2-x=0,\qquad y^2-1=0,\qquad y^2+1=0

définissent respectivement une parabole, deux droites parallèles et l'ensemble vide.

III — Formes quadratiques, réduction et signature

  1. (a) Par bilinéarité et symétrie,
q(x+y)=φ(x+y,x+y)=q(x)+q(y)+2φ(x,y).q(x+y)=\varphi(x+y,x+y)=q(x)+q(y)+2\varphi(x,y).

Ainsi

φ(x,y)=12(q(x+y)−q(x)−q(y)).\varphi(x,y)=\frac12\bigl(q(x+y)-q(x)-q(y)\bigr).

Cette formule détermine φ\varphi uniquement à partir de qq, donc la forme bilinéaire symétrique associée est unique. (b) Dans une base B=(e1,…,en)\mathcal B=(e_1,\ldots,e_n), on pose sij=φ(ei,ej)s_{ij}=\varphi(e_i,e_j). La matrice SB=(sij)S_{\mathcal B}=(s_{ij}) est symétrique et

q(XB)=XBTSBXB.q(X_{\mathcal B})=X_{\mathcal B}^TS_{\mathcal B}X_{\mathcal B}.

Pour un même vecteur, si XB=PXB′X_{\mathcal B}=PX_{\mathcal B'}, alors

q=XB′TPTSBPXB′,q=X_{\mathcal B'}^TP^TS_{\mathcal B}PX_{\mathcal B'},

d'où

SB′=PTSBP.S_{\mathcal B'}=P^TS_{\mathcal B}P.

(c) Dans la base B\mathcal B, la condition x∈Rad⁡(q)x\in\operatorname{Rad}(q) s'écrit

XTSBY=0pour tout Y.X^TS_{\mathcal B}Y=0\qquad\text{pour tout }Y.

Comme SBS_{\mathcal B} est symétrique, cela équivaut à SBX=0S_{\mathcal B}X=0. Le radical correspond donc au noyau de SBS_{\mathcal B} et, par le théorème du rang,

dim⁡Rad⁡(q)=dim⁡E−rang⁡(SB).\dim\operatorname{Rad}(q)=\dim E-\operatorname{rang}(S_{\mathcal B}).

Le rang est conservé par congruence. Ainsi rang⁡(SB)\operatorname{rang}(S_{\mathcal B}) ne dépend pas de la base ; c’est le rang de qq, et la formule précédente s’écrit aussi dim⁡Rad⁡(q)=dim⁡E−rang⁡(q)\dim\operatorname{Rad}(q)=\dim E-\operatorname{rang}(q).

  1. (a) On raisonne par récurrence sur n=dim⁡En=\dim E. Le résultat est immédiat pour n=0n=0 et pour la forme nulle. Supposons q≠0q\ne0 et choisissons une base. Si l'un des coefficients de carré est non nul, on place la variable correspondante en première position. Si tous les coefficients de carré sont nuls, q≠0q\ne0 impose l'existence d'un terme croisé non nul, c'est-à-dire de deux vecteurs de base ei,eje_i,e_j tels que φ(ei,ej)≠0\varphi(e_i,e_j)\ne0. Alors
q(ei+ej)=2φ(ei,ej)≠0,q(e_i+e_j)=2\varphi(e_i,e_j)\ne0,

et le remplacement de eie_i par ei+eje_i+e_j fournit une base dans laquelle un coefficient de carré est non nul.

Après permutation éventuelle, on peut donc écrire

q=ax12+x1L(x2,…,xn)+R(x2,…,xn),a≠0.q=ax_1^2+x_1L(x_2,\ldots,x_n)+R(x_2,\ldots,x_n),\qquad a\ne0.

En posant

u1=x1+L(x2,…,xn)2a,u_1=x_1+\frac{L(x_2,\ldots,x_n)}{2a},

on obtient

q=au12+R−L24a.q=au_1^2+R-\frac{L^2}{4a}.

Le changement (x1,x2,…,xn)↦(u1,x2,…,xn)(x_1,x_2,\ldots,x_n)\mapsto(u_1,x_2,\ldots,x_n) est linéaire et inversible, et le second terme est une forme quadratique en n−1n-1 variables. L'hypothèse de récurrence l'achève en une somme diagonale de carrés. (b) L'identité

q0(x,y,z)=12(x+y+2z)2−12(x−y)2−2z2q_0(x,y,z)=\frac12(x+y+2z)^2-\frac12(x-y)^2-2z^2

se vérifie par développement. En posant

u=x+y+2z,v=x−y,w=z,u=x+y+2z,\qquad v=x-y,\qquad w=z,

la matrice du changement de coordonnées a pour déterminant −2-2, donc il est inversible, et

q0=12u2−12v2−2w2.q_0=\frac12u^2-\frac12v^2-2w^2.
  1. À partir d'une forme diagonale, chaque coefficient positif λ\lambda est ramené à +1+1 par la substitution U=λ uU=\sqrt\lambda\,u, et chaque coefficient négatif −ν-\nu à −1-1 par V=ν vV=\sqrt\nu\,v. On obtient donc
q=u12+⋯+up+2−v12−⋯−vp−2,q=u_1^2+\cdots+u_{p_+}^2-v_1^2-\cdots-v_{p_-}^2,

les autres coordonnées appartenant au radical.

(a) Dans une base adaptée à cette forme réduite, notons e1,…,ene_1,\ldots,e_n les vecteurs de base correspondant aux coordonnées affichées. Posons E+E_+ égal au sous-espace engendré par les p+p_+ vecteurs associés aux termes positifs, E−E_- égal au sous-espace engendré par les p−p_- vecteurs associés aux termes négatifs, et E0=Rad⁡(q)E_0=\operatorname{Rad}(q). La restriction de qq à E+E_+ est définie positive. Si FF est un sous-espace sur lequel la restriction de qq est définie positive, alors

F∩(E−⊕E0)={0},F\cap(E_-\oplus E_0)=\{0\},

car tout vecteur non nul de E−⊕E0E_-\oplus E_0 vérifie q(x)≤0q(x)\le0. Par la formule des dimensions,

dim⁡F+dim⁡(E−⊕E0)≤dim⁡E,\dim F+\dim(E_-\oplus E_0)\le\dim E,

donc dim⁡F≤p+\dim F\le p_+. Ainsi p+p_+ est la dimension maximale cherchée. De même, p−p_- est la dimension maximale d'un sous-espace sur lequel la restriction de qq est définie négative. (b) Ces deux dimensions maximales sont définies intrinsèquement à partir de qq, sans référence à une réduction particulière. Les entiers p+p_+ et p−p_- sont donc invariants : c'est la loi d'inertie de Sylvester. (c) Dans la forme réduite, exactement p++p−p_++p_- coefficients sont non nuls, donc

rang⁡(q)=p++p−.\operatorname{rang}(q)=p_++p_-.

Deux formes quadratiques sur le même espace de dimension finie ayant la même signature ont aussi le même nombre de coordonnées nulles ; après réduction, elles s'écrivent donc toutes deux sous la même forme canonique. Elles sont congruentes. Réciproquement, une congruence ne change ni p+p_+ ni p−p_- d'après la question précédente. (d) La réduction de q0q_0 obtenue à la question 9 comporte un coefficient positif et deux coefficients négatifs. Ainsi

signature⁡(q0)=(1,2).\operatorname{signature}(q_0)=(1,2).

(e) Les deux formes ont la signature (2,0)(2,0) : elles sont congruentes. Par exemple, dans x2+4y2x^2+4y^2, le changement inversible x=ux=u, y=v/2y=v/2 donne u2+v2u^2+v^2. En revanche, sous un changement orthogonal la matrice est transformée par similitude et conserve donc son spectre. Les spectres {1,4}\{1,4\} et {1,1}\{1,1\} étant différents, les deux formes ne sont pas orthogonalement équivalentes.

Un changement linéaire inversible conserve donc le rang et la signature ; un changement orthogonal conserve en plus les valeurs propres et les données métriques qui en dépendent. Pour les coniques, une transformation affine peut modifier longueurs et angles, tandis qu'une transformation euclidienne, composée d'une translation et d'une transformation orthogonale, les préserve.

IV — Le rôle des termes affines

(a) En développant et en utilisant ST=SS^T=S,

f(Y+h)=YTSY+2(Sh+ℓ)TY+hTSh+2ℓTh+γ.f(Y+h)=Y^TSY+2(Sh+\ell)^TY+h^TSh+2\ell^Th+\gamma.

(b) En soustrayant les expressions obtenues pour YY et −Y-Y,

f(h+Y)−f(h−Y)=4(Sh+ℓ)TY.f(h+Y)-f(h-Y)=4(Sh+\ell)^TY.

Cette quantité est nulle pour tout YY si et seulement si Sh+ℓ=0Sh+\ell=0. (c) Si SS est inversible, ce système possède l'unique solution

h=−S−1ℓ.h=-S^{-1}\ell.

(a) Avec h=−S−1ℓh=-S^{-1}\ell,

f(h+Y)=YTSY+γ−ℓTS−1ℓ.f(h+Y)=Y^TSY+\gamma-\ell^TS^{-1}\ell.

Ainsi f(h+Y)=0f(h+Y)=0 équivaut à

YTSY=ρ,ρ=ℓTS−1ℓ−γ.Y^TSY=\rho, \qquad \rho=\ell^TS^{-1}\ell-\gamma.

(b) Soit ε∈{−1,1}\varepsilon\in\{-1,1\} tel que εS\varepsilon S soit définie positive. Alors, pour Y≠0Y\ne0,

εf(h+Y)−εf(h)=YT(εS)Y>0.\varepsilon f(h+Y)-\varepsilon f(h)=Y^T(\varepsilon S)Y>0.

Le centre hh est donc l'unique minimiseur de εf\varepsilon f. Après diagonalisation orthogonale de εS\varepsilon S, l'équation s'écrit

λ1u2+λ2v2=ερ,λ1,λ2>0.\lambda_1u^2+\lambda_2v^2=\varepsilon\rho, \qquad \lambda_1,\lambda_2>0.

Si ερ>0\varepsilon\rho>0, on obtient une ellipse propre ; si ρ=0\rho=0, l'unique solution est le centre, donc un point ; si ερ<0\varepsilon\rho<0, l'ensemble est vide. (c) Si SS est indéfinie, une base orthonormée permet d'écrire

λu2−νv2=ρ,λ,ν>0.\lambda u^2-\nu v^2=\rho, \qquad \lambda,\nu>0.

Si ρ≠0\rho\ne0, après division par ∣ρ∣|\rho| on obtient l'une des deux équations canoniques d'une hyperbole propre. Si ρ=0\rho=0,

(λ u−ν v)(λ u+ν v)=0,(\sqrt\lambda\,u-\sqrt\nu\,v)(\sqrt\lambda\,u+\sqrt\nu\,v)=0,

donc l'ensemble est la réunion de deux droites sécantes passant par le centre. Leurs directions sont exactement les directions isotropes non nulles de qq, c'est-à-dire les vecteurs Y≠0Y\ne0 tels que YTSY=0Y^TSY=0.

  1. L'équation est
σu2+2βu+2ηv+δ=0.\sigma u^2+2\beta u+2\eta v+\delta=0.

Si η≠0\eta\ne0, on pose U=u+β/σU=u+\beta/\sigma ; l'équation devient

σU2+2ηv+δ−β2σ=0.\sigma U^2+2\eta v+\delta-\frac{\beta^2}{\sigma}=0.

Une translation de vv donne alors

σU2+2ηV=0,\sigma U^2+2\eta V=0,

soit V=−σU2/(2η)V=-\sigma U^2/(2\eta) : c'est une parabole propre.

Si η=0\eta=0, on obtient

σ(u+βσ)2+δ−β2σ=0,\sigma\left(u+\frac\beta\sigma\right)^2+\delta-\frac{\beta^2}{\sigma}=0,

donc, avec U=u+β/σU=u+\beta/\sigma,

U2=β2−σδσ2.U^2=\frac{\beta^2-\sigma\delta}{\sigma^2}.

On a donc deux droites parallèles distinctes si β2−σδ>0\beta^2-\sigma\delta>0, une droite double si β2−σδ=0\beta^2-\sigma\delta=0, et l'ensemble vide si β2−σδ<0\beta^2-\sigma\delta<0.

Dans ces coordonnées, ker⁡S\ker S est dirigé par l'axe vv et η\eta est la composante de ℓ\ell suivant cette direction. Comme SS est symétrique,

Im⁡S=(ker⁡S)⊥.\operatorname{Im}S=(\ker S)^\perp.

Ainsi

η≠0⟺∃z∈ker⁡S, ℓTz≠0⟺ℓ∉Im⁡S.\eta\ne0 \quad\Longleftrightarrow\quad \exists z\in\ker S,\ \ell^Tz\ne0 \quad\Longleftrightarrow\quad \ell\notin\operatorname{Im}S.

Pour une partie quadratique de rang 11, ces conditions caractérisent exactement une parabole propre.

V — Une matrice qui tient compte de toute l'équation

(a) Par multiplication matricielle,

(XT1)(SℓℓTγ)(X1)=XTSX+2ℓTX+γ=f(X).\begin{pmatrix}X^T&1\end{pmatrix} \begin{pmatrix}S&\ell\\\ell^T&\gamma\end{pmatrix} \begin{pmatrix}X\\1\end{pmatrix} =X^TSX+2\ell^TX+\gamma=f(X).

(b) Posons X~=(X1)\widetilde X=\begin{pmatrix}X\\1\end{pmatrix} et Y~=(Y1)\widetilde Y=\begin{pmatrix}Y\\1\end{pmatrix}. La relation X=PY+hX=PY+h s'écrit

X~=HY~,H=(Ph01).\widetilde X=H\widetilde Y, \qquad H=\begin{pmatrix}P&h\\0&1\end{pmatrix}.

Ainsi

g(Y)=f(PY+h)=Y~THTMfHY~.g(Y)=f(PY+h)=\widetilde Y^TH^T\mathcal M_fH\widetilde Y.

Par unicité de la matrice symétrique représentant cette forme quadratique homogénéisée,

Mg=HTMfH.\mathcal M_g=H^T\mathcal M_fH.

(c) Comme PP est inversible, HH l'est aussi. La congruence précédente conserve donc le rang. De plus,

det⁡Mg=det⁡(HT)det⁡Mfdet⁡H=(det⁡P)2det⁡Mf.\det\mathcal M_g =\det(H^T)\det\mathcal M_f\det H =(\det P)^2\det\mathcal M_f.

Le facteur (det⁡P)2(\det P)^2 étant strictement positif, la propriété det⁡Mf=0\det\mathcal M_f=0 est également invariante.

(a) Posons

K=(I2−S−1ℓ01).K=\begin{pmatrix}I_2&-S^{-1}\ell\\0&1\end{pmatrix}.

Comme SS est symétrique, S−1S^{-1} l'est aussi, et un calcul par blocs donne

KTMfK=(S00γ−ℓTS−1ℓ).K^T\mathcal M_fK= \begin{pmatrix} S&0\\ 0&\gamma-\ell^TS^{-1}\ell \end{pmatrix}.

Or det⁡K=1\det K=1. En prenant les déterminants,

det⁡Mf=det⁡S(γ−ℓTS−1ℓ)=−det⁡S ρ.\det\mathcal M_f =\det S\bigl(\gamma-\ell^TS^{-1}\ell\bigr) =-\det S\,\rho.

(b) Dans les coordonnées de la question 13,

Mf=(σ0β00ηβηδ).\mathcal M_f= \begin{pmatrix} \sigma&0&\beta\\ 0&0&\eta\\ \beta&\eta&\delta \end{pmatrix}.

Le développement suivant la deuxième ligne, ou suivant la deuxième colonne, donne

det⁡Mf=−ση2.\det\mathcal M_f=-\sigma\eta^2.

(c) Si rang⁡S=2\operatorname{rang}S=2, alors det⁡S≠0\det S\ne0 et

det⁡Mf=0⟺ρ=0.\det\mathcal M_f=0\Longleftrightarrow\rho=0.

Dans ce cas, la classification de la question 12 donne un point lorsque SS est définie, et deux droites sécantes lorsque SS est indéfinie. Si det⁡Mf≠0\det\mathcal M_f\ne0, alors ρ≠0\rho\ne0 : on obtient une ellipse propre ou l'ensemble vide lorsque SS est définie, selon le signe de ερ\varepsilon\rho, et une hyperbole propre lorsque SS est indéfinie.

Si rang⁡S=1\operatorname{rang}S=1, la formule det⁡Mf=−ση2\det\mathcal M_f=-\sigma\eta^2 montre que

det⁡Mf≠0⟺η≠0,\det\mathcal M_f\ne0\Longleftrightarrow\eta\ne0,

donc det⁡Mf≠0\det\mathcal M_f\ne0 caractérise exactement la parabole propre. Lorsque det⁡Mf=0\det\mathcal M_f=0, on obtient deux droites parallèles, une droite double ou l'ensemble vide selon le signe de β2−σδ\beta^2-\sigma\delta.

Enfin, det⁡Mf≠0\det\mathcal M_f\ne0 ne garantit pas l'existence de points réels : l'équation

x2+y2+1=0x^2+y^2+1=0

a pour matrice homogénéisée I3I_3, de déterminant 11, mais n'a aucune solution réelle.

VI — Classification complète d'une famille

  1. Pour
Sλ=(1λλ1),S_\lambda=\begin{pmatrix}1&\lambda\\\lambda&1\end{pmatrix},

on vérifie

Sλ12(11)=(1+λ)12(11),S_\lambda\frac1{\sqrt2}\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix} =(1+\lambda)\frac1{\sqrt2}\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix},

et

Sλ12(−11)=(1−λ)12(−11).S_\lambda\frac1{\sqrt2}\begin{pmatrix}-1\\1\end{pmatrix} =(1-\lambda)\frac1{\sqrt2}\begin{pmatrix}-1\\1\end{pmatrix}.

Ainsi

det⁡Sλ=1−λ2,Δq=(2λ)2−4=4(λ2−1).\det S_\lambda=1-\lambda^2, \qquad \Delta_q=(2\lambda)^2-4=4(\lambda^2-1).

Enfin, par développement,

det⁡Mλ,μ=(1−λ)((1+λ)μ−2).\det\mathcal M_{\lambda,\mu} =(1-\lambda)\bigl((1+\lambda)\mu-2\bigr).
  1. Dans les coordonnées orthonormées
u=x+y2,v=−x+y2,u=\frac{x+y}{\sqrt2},\qquad v=\frac{-x+y}{\sqrt2},

l'équation devient

(1+λ)u2+(1−λ)v2+22u+μ=0.(1+\lambda)u^2+(1-\lambda)v^2+2\sqrt2u+\mu=0.

Les valeurs propres de SλS_\lambda donnent

signature⁡(Sλ)={(2,0),−1<λ<1,(1,1),∣λ∣>1,(1,0),λ=±1,\operatorname{signature}(S_\lambda)= \begin{cases} (2,0),&-1<\lambda<1,\\ (1,1),&|\lambda|>1,\\ (1,0),&\lambda=\pm1, \end{cases}

et

rang⁡Sλ={2,λ≠±1,1,λ=±1.\operatorname{rang}S_\lambda= \begin{cases} 2,&\lambda\ne\pm1,\\ 1,&\lambda=\pm1. \end{cases}

Pour λ≠−1\lambda\ne-1,

(1+λ)(u+21+λ)2+(1−λ)v2=21+λ−μ.(1+\lambda)\left(u+\frac{\sqrt2}{1+\lambda}\right)^2+(1-\lambda)v^2 =\frac{2}{1+\lambda}-\mu.

Si λ≠±1\lambda\ne\pm1, le centre a donc pour coordonnées initiales

(−11+λ,−11+λ).\left(-\frac1{1+\lambda},-\frac1{1+\lambda}\right).

La relation

det⁡Mλ,μ=(1−λ)((1+λ)μ−2)\det\mathcal M_{\lambda,\mu} =(1-\lambda)\bigl((1+\lambda)\mu-2\bigr)

donne

rang⁡Mλ,μ={3,λ≠1 et (1+λ)μ≠2,2,λ≠1 et (1+λ)μ=2,2,λ=1 et μ≠1,1,(λ,μ)=(1,1).\operatorname{rang}\mathcal M_{\lambda,\mu}= \begin{cases} 3,&\lambda\ne1\text{ et }(1+\lambda)\mu\ne2,\\ 2,&\lambda\ne1\text{ et }(1+\lambda)\mu=2,\\ 2,&\lambda=1\text{ et }\mu\ne1,\\ 1,&(\lambda,\mu)=(1,1). \end{cases}

Pour λ=−1\lambda=-1, la première ligne s'applique pour tout μ\mu, donc M−1,μ\mathcal M_{-1,\mu} est toujours de rang 33.

Les lieux de changement dans le plan des paramètres sont donc les droites λ=−1\lambda=-1 et λ=1\lambda=1, ainsi que la courbe

μ=21+λ,λ≠−1.\mu=\frac{2}{1+\lambda},\qquad \lambda\ne-1.

La classification complète est la suivante :

  • si −1<λ<1-1<\lambda<1 et μ<2/(1+λ)\mu<2/(1+\lambda) : ellipse propre ;
  • si −1<λ<1-1<\lambda<1 et μ=2/(1+λ)\mu=2/(1+\lambda) : un point ;
  • si −1<λ<1-1<\lambda<1 et μ>2/(1+λ)\mu>2/(1+\lambda) : ensemble vide ;
  • si ∣λ∣>1|\lambda|>1 et μ≠2/(1+λ)\mu\ne2/(1+\lambda) : hyperbole propre ;
  • si ∣λ∣>1|\lambda|>1 et μ=2/(1+λ)\mu=2/(1+\lambda) : deux droites sécantes ;
  • si λ=−1\lambda=-1 : parabole propre pour tout μ\mu ;
  • si λ=1\lambda=1 et μ<1\mu<1 : deux droites parallèles distinctes ;
  • si λ=1\lambda=1 et μ=1\mu=1 : une droite double ;
  • si λ=1\lambda=1 et μ>1\mu>1 : ensemble vide.

Pour λ=−1\lambda=-1,

ker⁡S−1=Vect⁡(1,1),ℓ=(1,1)∉Im⁡S−1.\ker S_{-1}=\operatorname{Vect}(1,1), \qquad \ell=(1,1)\notin\operatorname{Im}S_{-1}.

Le terme affine possède donc une composante non nulle dans la direction du noyau : d'après la question 13, on obtient une parabole propre.

Pour λ=1\lambda=1,

ker⁡S1=Vect⁡(−1,1),ℓ=(1,1)∈Im⁡S1.\ker S_1=\operatorname{Vect}(-1,1), \qquad \ell=(1,1)\in\operatorname{Im}S_1.

Il existe alors une translation qui annule les termes linéaires ; l'équation se réduit à

(x+y+1)2=1−μ.(x+y+1)^2=1-\mu.

On retrouve ainsi les trois cas : deux droites parallèles distinctes, une droite double ou l'ensemble vide. Ainsi Δq=0\Delta_q=0 signifie ici que la partie quadratique est de rang 11 ; cela ne suffit pas à conclure que la conique est une parabole.

  1. Pour
Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F=0,Ax^2+Bxy+Cy^2+Dx+Ey+F=0,

on pose

S=(AB/2B/2C),ℓ=12(DE),Δq=B2−4AC=−4det⁡S.S=\begin{pmatrix}A&B/2\\B/2&C\end{pmatrix}, \qquad \ell=\frac12\begin{pmatrix}D\\E\end{pmatrix}, \qquad \Delta_q=B^2-4AC=-4\det S.

Comme (A,B,C)≠(0,0,0)(A,B,C)\ne(0,0,0), on a rang⁡S∈{1,2}\operatorname{rang}S\in\{1,2\}.

  • Si rang⁡S=2\operatorname{rang}S=2, le centre est unique : h=−S−1ℓh=-S^{-1}\ell. On calcule
ρ=ℓTS−1ℓ−F.\rho=\ell^TS^{-1}\ell-F.

Si SS est définie, on choisit ε∈{−1,1}\varepsilon\in\{-1,1\} tel que εS\varepsilon S soit définie positive : ερ>0\varepsilon\rho>0 donne une ellipse propre, ρ=0\rho=0 un point et ερ<0\varepsilon\rho<0 l'ensemble vide. Si SS est indéfinie, ρ≠0\rho\ne0 donne une hyperbole propre et ρ=0\rho=0 deux droites sécantes.

  • Si rang⁡S=1\operatorname{rang}S=1, la question 15 donne un premier critère invariant : det⁡M≠0\det\mathcal M\ne0 équivaut à ℓ∉Im⁡S\ell\notin\operatorname{Im}S et caractérise une parabole propre. Si det⁡M=0\det\mathcal M=0, alors ℓ∈Im⁡S\ell\in\operatorname{Im}S ; une translation convenable annule les termes linéaires et, après réduction orthogonale, l'équation devient U2=cU^2=c. Selon que c>0c>0, c=0c=0 ou c<0c<0, on obtient deux droites parallèles, une droite double ou l'ensemble vide. Dans des coordonnées où l'équation est σu2+2βu+δ=0\sigma u^2+2\beta u+\delta=0, le signe de cc est celui de β2−σδ\beta^2-\sigma\delta.

La matrice homogénéisée

M=(AB/2D/2B/2CE/2D/2E/2F)\mathcal M= \begin{pmatrix} A&B/2&D/2\\ B/2&C&E/2\\ D/2&E/2&F \end{pmatrix}

apporte un contrôle invariant supplémentaire : son rang et la propriété det⁡M=0\det\mathcal M=0 sont conservés par tout changement affine inversible.

Une translation laisse SS inchangée. Un changement orthogonal transforme SS par similitude orthogonale : son spectre, les longueurs et les angles sont préservés. Sous un changement affine inversible X=PY+hX=PY+h, la partie quadratique devient PTSPP^TSP : le rang et la signature sont préservés, mais pas en général les valeurs propres ni les longueurs. La matrice homogénéisée est elle aussi transformée par congruence ; son rang et la propriété det⁡M=0\det\mathcal M=0 sont invariants.