Leçon 403 — Quadriques. Classification et propriétés.
Points clés
- Définition d'une quadrique dans [formule]
- Réduction de la forme quadratique associée
- Classification des quadriques de [formule] : ellipsoïde, hyperboloïdes, paraboloïdes, cylindres, cônes
- Sections planes et génératrices
- Quadriques réglées
Plan
- Définition et forme quadratique associée
- Quadrique : ensemble des zéros d'un polynôme de degré [formule] en [formule] variables
- Écriture matricielle : [formule] avec [formule] symétrique
- Quadrique affine et quadrique projective
- Méthode de réduction
- Diagonalisation de la partie quadratique par une rotation (théorème spectral)
- Complétion des carrés pour les termes linéaires
- Translation pour éliminer les termes de degré [formule] (si possible)
- Classification en dimension 3
- Quadriques propres non dégénérées : ellipsoïde, hyperboloïde à une nappe, hyperboloïde à deux nappes
- Paraboloïdes : elliptique et hyperbolique
- Cas dégénérés : cône, cylindre elliptique, cylindre hyperbolique, cylindre parabolique
- Propriétés géométriques
- Centre de symétrie (s'il existe) : solution de [formule]
- Plans de symétrie et axes principaux
- Sections planes : les sections d'une quadrique par un plan sont des coniques
- Quadriques réglées
- Hyperboloïde à une nappe : deux familles de droites (génératrices)
- Paraboloïde hyperbolique : surface « selle », deux familles de droites
- Paramétrage par les génératrices
- Applications
- Complétion en carrés et formes normales
- Intersection de deux quadriques : courbe de degré [formule]
- Quadriques en architecture et design (voûtes hyperboliques)
Théorèmes clés
- Théorème de classification : toute quadrique non dégénérée de [formule] est, à isométrie près, un ellipsoïde, un hyperboloïde (une ou deux nappes) ou un paraboloïde (elliptique ou hyperbolique)
- Loi d'inertie de Sylvester : la signature [formule] de la forme quadratique est un invariant de la quadrique
- Toute section plane d'une quadrique est une conique (éventuellement dégénérée)
- L'hyperboloïde à une nappe et le paraboloïde hyperbolique sont des surfaces réglées doublement
Exemples importants
- Ellipsoïde : [formule]
- Hyperboloïde à une nappe : [formule], surface réglée
- Paraboloïde hyperbolique (selle de cheval) : [formule]
- Cône de révolution : [formule], quadrique dégénérée
Erreurs courantes
- Oublier les cas dégénérés (cônes, cylindres, plans) dans la classification
- Confondre hyperboloïde à une nappe et à deux nappes
- Ne pas vérifier si la quadrique a un centre de symétrie avant de tenter la réduction
Conseils du jury
- La classification complète avec les cas dégénérés est attendue
- Savoir retrouver le type d'une quadrique à partir d'une équation quelconque
- Le jury apprécie des dessins clairs des différentes quadriques
Développements associés
Prérequis
formes quadratiques, reduction endomorphismes, espaces affines