Dualité (géométrie projective)

Contrairement à la géométrie plane classique où les droites sont des ensembles de points, il vaut mieux considérer en géométrie projective que le plan projectif P est constitué d'un ensemble de points ${\displaystyle \ {\mathcal {P}}(P)}$, d'un ensemble de droites ${\displaystyle {\mathcal {D}}(P)}$, et d'une relation indiquant quels points sont sur quelle droite (ou quelles droites passent par quel point). Pour bien comprendre que c'est cette relation qui est importante et non la nature des points et des droites, le mathématicien Hilbert disait : « Il faut toujours pouvoir dire "table", "chaise" et "bock de bière" à la place de "point", "droite" et "plan" ».

Nous considérons dans un premier temps que le plan projectif P est défini de manière axiomatique ; on constate alors que l'on obtient un autre plan projectif en considérant l'objet P* dont les "points" sont les droites de P et les "droites" sont les points de P, une droite de P* (qui est un point M de P) passant par un "point" de P* (qui est une droite D de P) lorsque D passe par M.

Un point et une droite de P	Un point et une droite de P*, dont quatre points sont dessinés

Pour simplifier, au lieu de travailler sur deux plans différents, P et P*, on peut se contenter de travailler sur un seul plan projectif P.

Une corrélation est une transformation des points du plan en droites et des droites du plan en points et qui respecte l'incidence. Une polarité est une corrélation involutive, c’est-à-dire que la corrélation de la corrélation est la transformation identique.

À toute configuration de points et de droites dans P correspond alors dans P* une configuration duale obtenue en échangeant les points et les droites, et de même, à tout théorème dans P, correspond un théorème dual.

Configuration dans P		Même configuration vue dans P*
Deux points A et B et la droite passant par ces deux points, notée (AB)		Deux droites A et B et leur point d'intersection, noté A ∩ B (la notation (AB) paraîtrait trop étrange)
Trois points alignés		Trois droites concourantes
Configuration de Ceva : Un triangle de sommets A,B,C et trois céviennes D,E,F concourantes en M		Configuration de Ménélaus : Un triangle de A,B,C et une ménélienne M rencontrant les côtés en D,E,F
Configuration de Desargues : deux triangles de sommets respectifs A,B,C et A',B',C', et de côtés D,E,F et D',E',F' (D = (BC), E = (CA) etc), P,Q,R les points D ∩ D', E ∩ E', F ∩ F', U,V,W les droites (AA'), (BB'), (CC'). Le théorème de Desargues affirme que P,Q,R sont alignés ssi U,V,W sont concourantes.		Configuration de Desargues (qui est donc "auto-duale") : deux triangles de côtés respectifs A,B,C et A',B',C', et de sommets D,E,F et D',E',F' (D = B ∩ C, E = C ∩ A etc), P,Q,R les droites (DD'), (EE'), (FF'), U,V,W les points(A ∩ A'), (B ∩ B'), (C ∩ C'). Le théorème de Desargues affirme que P,Q,R sont concourantes ssi U,V,W sont alignés.
Configuration de Pappus : Deux triplets de points alignés A,B,C et A',B',C', P = (B'C' ∩ (BC'), Q = (CA' ∩ AC') R = (BA' ∩ AB') ; le théorème de Pappus affirme que P,Q,R sont alignés.		Configuration de "Copappus", ou Pappus-dual : Deux triplets de droites concourantes A,B,C et A',B',C', P = (B ∩ C', B ∩ C'), Q = (C ∩ A', A ∩ C') R = (B ∩ A', A ∩ B') ; le théorème de "Copappus" affirme que P,Q,R sont concourantes. (voir figure ci-dessous où on voit que cette configuration est finalement "auto-duale" également)

Remarque : Si l'on convient d'identifier une droite avec l'ensemble de ses points, il faut, pour que la dualité soit parfaite, identifier un point avec l'ensemble des droites qui passent par ce point, autrement dit, identifier un faisceau de droites avec son pôle.

Considérons les homographies de P sur P^* ; ce sont des bijections f de ${\displaystyle {\mathcal {P}}(P)}$ sur ${\displaystyle {\mathcal {P}}(P^{*})={\mathcal {D}}(P)}$ qui transforment une droite de P en une "droite" de P^* ; on peut donc les prolonger en une bijection, toujours notée f, de ${\displaystyle {\mathcal {P}}(P)\cup {\mathcal {D}}(P)}$, qui transforme un point en une droite et réciproquement, et qui vérifie : ${\displaystyle M\in (d)\iff f(D)\in f(M)}$.

De telles applications sont appelées des dualités ou corrélations ; lorsqu'elles sont involutives (${\displaystyle f=f^{-1}}$), elles sont appelées des polarités ou autrefois "transformations par polaires réciproques". Dans ce dernier cas, l'image d'un point est appelé la polaire de ce point, et l'image d'une droite, son pôle.

D'après le théorème fondamental de la géométrie projective, dans le cas réel toute dualité provient d'une homographie (dans le cas général, d'une semi-homographie).

Il y a deux théorèmes importants qui découlent des définitions.

Ce théorème est plus puissant que le précédent :

On sait qu'il existe une bijection entre les points de P et les droites vectorielles d'un espace vectoriel E de dimension 3, et une bijection entre les droites de P et les plans vectoriels de E (un point appartenant à une droite si la droite vectorielle est incluse dans le plan vectoriel).

L'orthogonalité entre E et son dual E^*, ensemble des formes linéaires sur E, qui à tout sous-espace vectoriel de E associe un sous-espace vectoriel de E^* induit une bijection entre les plans vectoriels de E et les droites vectorielles de E^*, et entre les droites vectorielles de E et les plans vectoriels de E^*, qui inverse les inclusions.

Il existe donc une bijection canonique entre les points et droites de P^* et les droites et plans vectoriels de E^* qui respecte les incidences : si un plan projectif P est associé à un espace vectoriel E, le plan dual P^* est bien associé à l'espace vectoriel dual E^*.

Une homographie f du plan projectif dans lui-même est une bijection dans l'ensemble des points de P, qui induit une bijection f^* dans l'ensemble des droites de P, qui est l'ensemble des "points" de P^* : f^* est l'homographie duale de f (remarquons que ${\displaystyle f*(D)=f(D)}$ !) ; on vérifie que si f provient d'un automorphisme ${\displaystyle {\vec {f}}}$ de ${\displaystyle {\vec {E}}}$, alors f^* provient de l'automorphisme de ${\displaystyle {\vec {E}}^{*}}$ dual de ${\displaystyle {\vec {f}}}$, appelé plus souvent automorphisme transposé de f.

Rapportons le plan projectif P à un repère projectif ${\displaystyle R=(A_{1},A_{2},A_{3},\Omega )\,}$, qui est associé à une base ${\displaystyle B=(e_{1},e_{2},e_{3})\,}$ de l'espace vectoriel E ; considérons l'isomorphisme ${\displaystyle \varphi }$ entre E et son dual qui transforme B en la base duale ${\displaystyle B^{*}=(e_{1}^{*},e_{2}^{*},e_{3}^{*})\,}$, lequel induit une dualité entre P et P^* ; à un point M de P est associé un vecteur défini à une constante multiplicative près de coordonnées ${\displaystyle (a,b,c)}$ dans B (les coordonnées homogènes de M dans ${\displaystyle R}$), auquel est associé par ${\displaystyle \varphi }$ la forme linéaire ${\displaystyle ax+by+cz}$ dont le noyau est le plan d'équation ${\displaystyle ax+by+cz=0}$ ;

cette équation est l'équation homogène de la droite d image de M par la dualité ; l'on vérifie qu'inversement, l'image de d est M, ce qui fait que cette dualité est une polarité, définie par :

point de coordonnées homogènes ${\displaystyle (a,b,c)}$ ↔ droite d'équation homogène : ${\displaystyle ax+by+cz=0}$

le repère dual ${\displaystyle R=(A_{1}^{*},A_{2}^{*},A_{3}^{*},\Omega ^{*})\,}$ de ${\displaystyle R}$, associé à B^* est formé des droites d'équation respectives : ${\displaystyle x=0,y=0,z=0,x+y+z=0}$, donc ${\displaystyle A_{1}^{*}=(A_{2}A_{3}),A_{2}^{*}=(A_{3}A_{1}),A_{3}^{*}=(A_{1}A_{2})\,}$. Remarquons qu'un point et sa droite polaire ont mêmes coordonnées homogènes, l'un dans ${\displaystyle R}$, l'autre dans ${\displaystyle R*}$.

Soit f une dualité de P vers P^* provenant d'un isomorphisme ${\displaystyle {\vec {f}}}$ de E vers E^*. Il est associé à ce dernier une forme bilinéaire non dégénérée sur E, définie par ${\displaystyle \varphi (x,y)={\vec {f}}(y)(x)}$ (noté par le crochet de dualité ${\displaystyle <x,{\vec {f}}(y)>}$) et cette correspondance est bijective ; la dualité f est dite associée à la forme bilinéaire ${\displaystyle \varphi }$ (définie à une constante multiplicative près). La matrice de l'isomorphisme ${\displaystyle {\vec {f}}}$ dans une base B et la base duale B^* est celle de la forme bilinéaire ${\displaystyle \varphi }$dans B.

La dualité f est une polarité ssi pour tous points M et ${\displaystyle N}$ : ${\displaystyle M\in f(N)\iff N\in f(M)}$, ce qui se traduit sur la forme bilinéaire ${\displaystyle \varphi }$ par : pour tous vecteurs ${\displaystyle x}$ et ${\displaystyle y}$ : ${\displaystyle \varphi (x,y)=0\iff \varphi (y,x)=0}$ ; on montre que cette dernière condition équivaut à ce que ${\displaystyle \varphi }$ soit symétrique ou antisymétrique (si le corps est de caractéristique différente de 2).

Toute forme quadratique sur E engendre une forme bilinéaire symétrique, laquelle en engendre une polarité dans P, qui est dite associée à q. Le cône isotrope de q (défini par ${\displaystyle q(x)=\varphi (x,x)=0}$) est un cône du second degré de E lequel engendre une conique projective (C) dans P. On dit alors par abus que la polarité f associée à q est la polarité par rapport à (C). Remarquons qu'on a alors : ${\displaystyle M\in (''C'')\iff M\in f(M)}$.

Considérons un cercle (C) de centre O de rayon a d'un plan euclidien ${\displaystyle {\breve {P}}}$ rapporté à un repère orthonormé ${\displaystyle (O,e_{1},e_{2})\,}$ ; P est le complété projectif de ${\displaystyle {\breve {P}}}$ et E son enveloppe vectorielle, rapportée à ${\displaystyle (e_{1},e_{2},e_{3})\,}$.

L'équation cartésienne du cercle est ${\displaystyle x^{2}+y^{2}=a^{2}}$ ; la polarité f par rapport à (C) est donc associée à la forme quadratique ${\displaystyle X^{2}+Y^{2}-a^{2}Z^{2}}$ de E et l'isomorphisme de E sur E^* est celui qui envoie ${\displaystyle (e_{1},e_{2},e_{3})\,}$ sur ${\displaystyle (e_{1}^{*},e_{2}^{*},-a^{2}e_{3}^{*})}$

Du point de vue du plan affine ${\displaystyle {\breve {P}}}$, la polarité f a une définition très simple : au point de coordonnées ${\displaystyle (u,v)}$ correspond la droite d’équation ${\displaystyle ux+vy=a^{2}}$ et l’image d’un point à l’infini est la droite passant par ${\displaystyle O}$ et perpendiculaire à la direction du point.

Et on a les définitions géométriques suivantes : la polaire (droite image par la polarité) d’un point ${\displaystyle M_{0}(u,v)}$ par rapport au cercle (C) est le lieu des conjugués harmoniques du point par rapport au cercle, lieu défini par la relation ${\displaystyle {\overrightarrow {OM}}{\overrightarrow {OM_{0}}}=ux+vy=a^{2}}$ ; c’est la droite orthogonale à la droite ${\displaystyle (OM_{0})}$ passant par l’inverse ${\displaystyle H}$ de ${\displaystyle M_{0}}$ par rapport à (C) ; c’est aussi l’axe radical du cercle (C) et du cercle de diamètre ${\displaystyle [OM_{0}]}$ ; quand ${\displaystyle M_{0}}$ est extérieur à (C), c’est la droite qui joint les points de contact des tangentes issues de ${\displaystyle M_{0}}$ au cercle (C).

Pour illustrer géométriquement une dualité quelconque, il faut définir le processus par lequel on transforme un point en droite. Un exemple de dualité simple est donné ci-dessous: on prend le quadrangle (4 points) ACZF, on le transforme en quadrilatère (4 droites) aczf, et pour compléter un peu la figure les droites AC, CZ, ZF de la figure de départ ont été tracées, ainsi que les points d'intersection a*c, c*z et z*f de la figure d'arrivée.

Poursuivant le dessin du même exemple, on peut figurer la dualité d'une configuration de Pappus, voir Théorème de Pappus. La configuration de départ est formée des 9 points: AEC DBF XYZ, la configuration d'arrivée est donnée par les 9 droites aec dbf xyz. Dans la configuration de départ on a pris soin de compléter la figure par les 9 droites joignant les points, il s'agit des droites jnp qhk et mgr; de même dans la configuration d'arrivée les intersection des droites donnent naissance aux 9 points JNP QHK MGR.