Chapitre 2
Applications affines
2.1 Notions g´en´erales
D´efinition 2.1.1. Soit Eet Fdes espaces affines sur K.Une application f:EF
est affine si et seulements’il existe une application lin´eaire φ:
E
Ftelle que :
ME,NE,φ(
MN)=
f(M)f(N).
L’application φest unique et not´e
f.
Proposition 2.1.2. Soit OEun point fix´e, alors f:EFest affine si et seulement
si l’application φ:
E
Fd´efini par φ(
OM)=
f(O)f(M)est lin´eaire.
Corollaire 2.1.3. Soient OE,OFdes points fix´es et φ:
E
Fune application
lin´eaire, alors l’application f:EFd´efinie par :
f(M)=O+φ(
OM).
est affine. C’est l’unique application affine d’application lin´eaireassoci´ee φqui trans-
forme Oen O
En dimension finie l’expression analytique de f(expression en fonction des coor-
donn´ees dans des rep`eres cart´esiens) est de la forme :
Y=AX +b,
et une telle expression d´efinit une application affine. Ici Aest la matrice de l’application
lin´eaire associ´ee et best form´edes coordonn´ees de l’image de l’origine.
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Applications affines et barycentres
Proposition 2.1.4. Une application est affine si et seulement si elle conserve les bary-
centres.
Remarque 2.1.5.Il suffit qu’elle respecte les barycentres de deux ou trois points.
Applications affines et sous-espaces affines
Th´eor`eme 2.1.6. Soit f:EEune application affine.
a) L’image par fd’un sous-espaceaffine Fde Eest un sous espaceaffine de direction
f(
F).
b) L’image inverse par fd’un sous-espaceaffine Fde Eest soit vide, soit un sous-
espaceaffine de direction (
f)1(
F)
Corollaire 2.1.7. Une application affine conserve le parall´elisme.
Corollaire 2.1.8. Une application affine est surjective (respectivement injective) si et
seulement si son application lin´eaireassoci´ee l’est.
Points invariants
Etantdonn´ef:EE,on note Inv(f)={M,f(M)=M}l’ensemble despoints
invariants.
Proposition 2.1.9. Pour une application affine f:EE,Inv(f)est soit vide, soit
un sous-espaceaffine de direction le sous-espacepropreKer(
f
Id).
Th´eor`eme 2.1.10. Soit f:EEune application affine. Si
f
Id est bijective, en
particulier si Eest de dimension finie et si 1n’est pas valeur propre, alors fadmet un
unique point invariant.
2.1.1 Composition des applications affines
Proposition 2.1.11. a) Lacompos´ede deux applications affines fet gest affine et
gf=
g
f.
b) L’application r´eciproque d’une application affine bijective fest affine, et
f1=
f1
.
Corollaire 2.1.12. Les applications affines bijectives de Edans lui mˆeme forme un
groupenot´eGA(E),et l’application lin´eaireassoci´ee d´efinit un morphisme de groupe:
GA(E)GL(
E),surjectif de noyau les translations.
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2.2 Etude g´eom´etrique des applications affines
Les homoth´etie-translations
Proposition 2.2.1. a) Une applicationaffine f:EEest une translation si et
seulement si son application lin´eaireassoci´ee est l’identit´e.
b)Pour λ/{0,1},une application affine f:EEest une homoth´etie de rapport λsi
et seulement si son application lin´eaireassoci´ee est λ
Id.
c) Une application affine f:EEest une homoth´etie ou une translation si et seule-
ment si son application lin´eaireassoci´ee est scalairenon nulle :λ
Id,avecλ6=0.
Corollaire 2.2.2. Les homoth´etie-translations forment un groupe.
Proposition 2.2.3. Les homoth´eties et les translations transforment une droite (respec-
tivement un sous-espaceaffine) en une droite parall`ele ((respectivement un sous-espace
affine parall`ele).
Exercice2.2.4.Soit Eun espace affine de dimension au moins ´egale `a 2. D´emontrer
qu’une application affine f:EEqui transforme toute droiteen une droite parall`ele
est une homoth´etie ou une translation.
Discussion de la composition d’homoth´eties et de translations. Construction du
centre d’une homoth´etie. Application :le th´eor`emede M´en´elaus via les homoth´eties.
Exercice2.2.5.D´emontrer que si A,B,A,Bsontquatre points distincts tels que les
droites (AB)et (AB)sontparall`eles, alors il existe une unique homoth´etie-translation
qui transforme (A, B)en (A,B). Aquelle condition est-ce une homoth´etie ?Dans le
cas de la g´eom´etrie r´eelle, construire le centre de l’homoth´etie (distinguer les cas non
align´es et align´es).
Les projections
D´efinition 2.2.6. Dans un espace affine E,soientFun sous-espace affine et
Gun
sous-espace vectoriel suppl´ementaire de
Fdans
E.La projectionsur Fde direction
G
associe `a tout pointMl’unique intersection Mde Favec M+
G.
Proposition 2.2.7. a) Laprojection psur Fde direction
Gest une application affine,
et
pest la projection vectorielle sur
Fsuivant
G.
b) pp=p.
Th´eor`eme 2.2.8. Une application affine f:EEtelle que ff=fest une
projection sur F=Im(f)=Inv(f),de direction le noyau de
f.
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Th´eor`eme 2.2.9. Si fest une application affine dont l’application lin´eaireassoci´ee
f
est une projection vectorielle, alors il existe une unique d´ecomposition
f=t
up,
o`ule vecteur de la tranlation t
uest invariant par
f,et pest une projection.
De plus cette ecomposition commute :f=pt
u.
Les sym´etries
D´efinition 2.2.10. Dans un espace affine Esur un corps Kde caract´eristique diff´erente
de 2, soientFun sous-espace affine et
Gun sous-espace vectoriel suppl´ementaire de
F
dans
E.La sym´etrie par rapport `a Fde direction
Gassocie `a tout pointMl’unique
pointMtel que le milieu de (M,M)appartient`a F,et
MM
G.
Proposition 2.2.11. a) Lasym´etrie spar rapport `a Fde direction
Gest une applica-
tion affine, et
sest la sym´etrie vectorielle par rapport `a
Fsuivant
G.
b) sest involutive :sp=Id.
Th´eor`eme 2.2.12. Une application affine f:EEtelle que ff=Id est une
sym´etrie par rapport `a F=Inv(f),de direction le noyau de
f+
Id.
Th´eor`eme 2.2.13. Si fest une application affine dont l’application lin´eaireassoci´ee
fest une sym´etrie vectorielle, alors il existe une unique d´ecomposition
f=t
us,
o`ule vecteur de la tranlation t
uest invariant par
f,et sest une sym´etrie.
De plus cette ecomposition commute :f=st
u.
Forme r´eduite d’une application affine
Th´eor`eme 2.2.14. Soient Eun espaceaffine de dimension finie, et f:EEune
application affine. Alors il existe une unique d´ecomposition
f=t
ug,
o`ule vecteur de la tranlation t
uest invariant par
f,et gest une application affine
avecau moins un point invariant.
De plus cette ecomposition commute :f=gt
u.
Exercice2.2.15.1.32 dans la r´ef´erence de Michelle Audin.
2.16 dans la r´ef´erence de Bruno Aebischer.
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2.3 Quelques th´eor`eme classiques
Thal`esen grande dimension
Th´eor`eme 2.3.1. Soient Det Ddeux droites d’un espaceaffine Ede dimension
sup´erieureou ´egale `a 2,coup´ees par trois hyperplans strictement parall`eles respecti-
vement en A,B,Cet A,B,Calors :
AC
AB =AC
AB.
Remarque 2.3.2.L’espace affine Epeut ˆetre de dimension infinie. Un hyperplan est alors
un sous-espace qui admet une direction suppl´ementaire de dimension 1.
Un cas du th´eor`eme de Desargues
Th´eor`eme 2.3.3. Soient ABCet ABCdeux triangles d’un espaceaffine, sans som-
met commun et aux cot´es respectifs parall`eles :(AB),(BC)et (CA)sont paralll`eles
respectivement `a (AB),(BC)et (CA).Alors les droites (AA),(BB)et (CC)sont
parall`eles ou concourantes.
Exercice2.3.4.Etudier la configuration de deux triangles sans sommet commun dont
les cot´es respectifs s’intersectenten trois points align´es.
Un cas du th´eor`eme de Pappus
Th´eor`eme 2.3.5. Soient Det Ddeux droites distinctes d’un plan affine sur un corps
commutatif, A,B,Cet A,B,Cdes points distincts respectivement sur Det sur D.Si
(AB)k(AB)et (BC)k(BC)alors (AC)k(CA).
Exercice2.3.6.Etudier la configuration pr´ec´edente avec l’hypoth`ese que
(AB)(AB)={I}et (BC)(BC)={J}.
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