M1-2006
G´eom´etrie diff´erentielle 2
Notes de cours
J.-P. Labesse
I. Pr´
eliminaires alg´
ebriques
Dans tout ce qui suit le corps de base kde tous les espaces vectoriels sera Rou C. Soit
Vun espace vectoriel de dimension finie non note Vson dual. On d´esignera par f(v) ou
bien < f |v > l’´evaluation d’une forme lin´eaire fVsur un vecteur vV.
I.1 – Alg`ebres.
On dit qu’un espace vectoriel Aest muni d’une structure d’alg`ebre si on s’est donn´e une
application bilin´eaire A×AA
(a, b)7→ ab .
On dit que c’est une alg`ebre associative si la loi de produit est associative.
I.2 – Alg`ebres de Lie.
On dit qu’une alg`ebre (A, ) est une alg`ebre de Lie si la loi est anti-sym´etrique
aa= 0
et v´erifie l’identit´e de Jacobi
(ab)c+ (bc)a+ (ca)b= 0 .
Il est usuel de noter par un crochet [a, b] plutot que able produit dans une alg`ebre de
Lie. Si Aest une alg`ebre associative pour un produit not´e on d´efinit sur Aune structure
d’alg`ebre de Lie en posant
[a, b] = abba.
I.3 – D´erivations d’une alg`ebre.
On appelle d´erivation d’une alg`ebre (A, ) la donn´ee d’une application lin´eaire
D:AA
Fichier Geodiff-2-05, compilation le 17-2-2006– 475
2J.-P. Labesse
qui v´erifie l’identit´e de Leibnitz :
D(ab) = (Da)b+a(Db).
L’ensemble Der(A) des d´erivations de Aest de fa¸con naturelle un espace vectoriel. Le
compos´e D1D2de deux d´erivations n’en est pas une en g´en´eral. On laisse au lecteur le
soin de v´erifier que le crochet de deux d´erivations
[D1, D2] = D1D2D2D1
en est une. L’ensemble Der(A) des d´erivations d’une alg`ebre est ainsi muni d’une structure
d’alg`ebre de Lie. Dans une alg`ebre de Lie Al’identit´e de Jacobi peut ˆetre vue comme
exprimant le fait que l’application
Da:x7→ [a, x]
est une d´erivation de A; elle montre aussi que a7→ Daest un homomorphisme d’alg`ebre
de Lie de Adans Der(A).
I.4 – Modules.
Soit Aune algebre associative ; un A-module est un espace vectoriel Mmuni d’une appli-
cation bilin´eaire
A×MM
(f, s)7→ f s
et telle que de plus on ait une relation d’associativit´e :
f(gs) = (fg)s
pour tous fet gdans Aet sM. Il est dit de type fini si il admet un ensemble fini
g´en´erateur : c’est un quotient de Anavec nentier. Un module est dit libre de type fini si
il est isomorphe `a An.
On appelle d´erivation d’un module Msur une alg`ebre Ala donn´ee d’une d´erivation D
de Aet d’une application lin´eaire
˜
D:MM
qui v´erifie l’identit´e de Leibnitz :
˜
D(fs) = (Df)s+a(˜
Ds).
Produit tensoriel. Soient Vet Wdeux espaces vectoriels de dimension finie. Le produit
tensoriel de Vet West un espace vectoriel not´e VW: c’est l’espace des applications
G´eom´etrie diff´erentielle 2 3
bilin´eaires de V×Wdans le corps de base k. Il est muni d’une application bilin´eaire
canonique b:V×WVW:
(f, g)7→ fg
en posant
(fg)(v, w) = f(v)g(w).
Le produit tensoriel a la propri´et´e caract´eristique suivante : toute application bilin´eaire
φ:V×WE
de V×Wdans un espace vectoriel Ese factorise de mani`ere unique, par VW
c’est-`a-dire qu’il existe une unique application lin´eaire
˜
φ:VWE
telle que
φ=b˜
φ
La v´erification de ce fait est laiss´e en exercice.
Alg`ebre tensorielle. Soit Vun vectoriel de dimension finie. la construction pr´ec´edente
peut s’it´erer et on obtient une alg`ebre gradu´ee associative, non commutative si dim(V)>1,
appel´ee alg`ebre tensorielle de V
T(V) = kV(VV)(VVV). . .
L’alg`ebre tensorielle T(V) admet deux quotients remarquables : l’alg`ebre sym´etrique et
l’alg`ebre ext´erieure. L’alg`ebre sym´etrique S(V) est l’alg`ebre des fonctions polynomiales
sur V, c’est-`a-dire l’alg`ebre des fonctions sur Vengendr´e par les formes lin´eaires. C’est le
quotient de T(V) par l’id´eal bilat`ere engendr´e par les tenseurs xyyx.
I.5 – Alg`ebre ext´erieure.
On note pV(ou Ap(V)) l’espace vectoriel des formes p-lin´eaires altern´ees sur V; c’est
un espace de dimension (n
p). On dispose d’une application p-lin´eaire altern´ee de V×. . . V
dans pVnot´ee
(f1, . . . , fp)7→ f1f2. . . fp
o`u ω=f1f2. . . fpest l’application p-lin´eaire altern´ee sur Vpd´efinie par
ω(v1, . . . , vp) = det < fi|vj> .
4J.-P. Labesse
On d´efinit une application bilin´eaire de pV× ∧qVdans rVavec r=p+q: si ωet
ηsont des formes pet qlin´eaires altern´ees respectivement, on d´efinit une forme r-lin´eaire
altern´ee ωηen posant
(ωη)(v1, . . . , vr) = X
σ(Sp×Sq)\Sr
ω(vσ(1), . . . , vσ(p))η(vσ(p+1), . . . , vσ(r))
o`u Srest le groupe des permutations de rlettres. La somme directe
^V=
i=n
M
i=0
pV
est ainsi munie d’une structure d’alg`ebre gradu´ee associative, que l’on appelle alg`ebre
ext´erieure de V. C’est le quotient de T(V) par l’id´eal bilat`ere engendr´e par les tenseurs
xx. La sous-alg`ebre des sommes d’´el´ements de degr´e pair est commutative.
I.6 – Espace euclidien.
On appelle espace euclidien (de dimension finie) la donn´ee d’un vectoriel r´eel de dimension
finie Emuni d’un d’un produit scalaire. On notera gla forme bilin´eaire sym´etrique non
d´egen´er´ee qui d´efinit le produit scalaire. Le produit scalaire permet d’identifier Eet son
dual E: `a vEon associe la forme lin´eaire
w7→ g(v, w)
et on pose
g(v, w) =< v |w > .
R´eciproquement on peut voir un espace euclidien comme un espace vectoriel Emuni d’un
isomorphisme avec son dual :
EE
tel qu’avec cet isomorphisme la forme quadratique
v7→< v |v >
soit d´efinie positive.
Compte tenu de l’identification entre Eet Eon dispose donc des espaces EE,pEetc...
Les formes bilin´eaires sym´etriques d´eduites de gsur les diverses puissances tensorielles de
E, sur l’alg`ebre sym´etrique etc, seront le plus souvent encore not´ees g. Par exemple sur la
puissance ext´erieure p-i`eme de Eon a le produit scalaire suivant :
g(v1. . . vp, w1. . . wp) = det (g(vi, wj))
G´eom´etrie diff´erentielle 2 5
Remarque On prendra soin de distinguer le produit exterieur (associatif) du “produit
vectoriel”. Ce dernier est d´efini seulement pour un espace euclidien Eoriene de dime-
nion 3. Il n’est pas associatif mais il v´erifie l’identit´e de Jacobi. Rappelons que le produit
vectoriel peut ˆetre d´efini comme suit : `a deux vecteurs vet won associe le vecteur de
v×wEtel que
uvw=< v ×w|u > (e1e2e3)
les ei´etant une base orthonormale directe. Le scalaire < v ×w|u > est aussi appel´e le
produit mixte ; ce n’est autre que la valeur du d´eterminant des trois vecteurs u,vet w
exprim´es dans une base orthonorm´ee directe.
On peut montrer que l’espace euclidien Eorient´e de dimension 3, est naturellement iso-
morphe `a l’alg`ebre de Lie du groupe orthogonal en dimension 3 et qu’avec cette identifica-
tion le produit vectoriel n’est autre que le crochet de l’alg`ebre de Lie du groupe orthogonal
en dimension 3.
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