J’explique brièvement comment employer les quaternions pour étudier les rotations de . Les démonstrations sont laissées en exercice.
Soit l’ensemble des nombres complexes. On considère les matrices de suivantes, appelées matrices de Pauli :
Ces matrices obéissent aux règles de commutation suivantes :
Théorème :
Les matrices
forment une base de l’ensemble des matrices 2x2 à coefficients complexes,
.
L’algèbre
se décompose donc en :
– un espace vectoriel de dimension 3,
; un vecteur
s’écrit
;
– une sous-algèbre de dimension 4,
;
– un sous-espace de dimension 1 engendré par
.
On pose .
On a bien .
On a également :
. Attention
: .
Par conséquent, tout élément de peut se mettre sous la forme :
La loi de composition induite sur par le produit matriciel peut se réécrire :
Remarques : commute avec les vecteurs de E. Le produit de deux vecteurs de donne un élément de H. Enfin le carré d’un vecteur est égal au carré de sa norme.
On pose : et on vérifie la formule : . Tout élément non nul de est donc inversible. Le corps H est appelé corps des quaternions. Il vient d’ être construit comme sous-algèbre de .
La construction précédente peut être utilisée pour étudier les rotations de .
Pour cela, on remarque que l’exponentielle de matrices se restreint aux quaternions :
en posant , pour . En particulier le quaternion est de norme 1.
Théorème:
Soit un vecteur unitaire
et un nombre réel. La
rotation d’axe dirigé par
et d’angle
est donnée par :
Ceci se vérifie en décomposant selon un vecteur proportionnel à et un vecteur orthogonal à . Un calcul direct redonne l’expression classique des rotations :
De là, il est facile de composer les rotations. On obtient, par exemple , une expression pour le cosinus de l’angle de la rotation composée d’une rotation d’angle d’axe suivie d’une rotation d’angle d’axe :
Donc
Exercices :
– Montrer que le groupe des quaternions de norme 1 s’identifie à
.
– Expliciter le morphisme de
dans
donné par le théorème plus haut. Quel est son noyau ?
– Démontrer l’égalité :
par un calcul direct avec les quaternions.
– Soit
un vecteur unitaire. A quoi correspond la transformation de
donnée
par
?
– Montrer que l’application ,
définie de
dans l’ensemble des quaternions de norme 1, est surjective. Est-ce un morphisme
?
Référence : G. Casanova, Que-sais-je ? 1657 “L’algèbre vectorielle”.