Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Composantes connexes par arcs de GLn(R)\mathrm{GL}_{n}(\mathbb{R})

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Montrons que les deux composantes connexes par arcs de GLn(R)\mathrm{GL}_n(\mathbb{R}) sont
GLn+(R)={A:detA>0}etGLn(R)={A:detA<0}.\mathrm{GL}_n^{+}(\mathbb{R})=\{A:\det A>0\}\qquad\text{et}\qquad \mathrm{GL}_n^{-}(\mathbb{R})=\{A:\det A<0\}.L’application det:GLn(R)R\det:\mathrm{GL}_n(\mathbb{R})\to\mathbb{R}^{*} est continue, polynomiale en les coefficients. Si γ\gamma était un chemin joignant AA à BB avec detA>0>detB\det A>0>\det B, alors detγ\det\circ\gamma serait une fonction continue de [0,1][0,1] dans R\mathbb{R} changeant de signe, donc s’annulant en un t0t_0 par le théorème des valeurs intermédiaires, mais γ(t0)\gamma(t_0) est inversible. Les deux ensembles ci-dessus sont donc non vides, disjoints, de réunion GLn(R)\mathrm{GL}_n(\mathbb{R}), et aucun chemin ne passe de l’un à l’autre.

  • Montrons que GLn+(R)\mathrm{GL}_n^{+}(\mathbb{R}) est connexe par arcs. Il suffit de relier toute AA de déterminant d>0d>0 à InI_n.

Notons Tij(λ)=In+λEijT_{ij}(\lambda)=I_n+\lambda E_{ij} pour iji\neq j les transvections. Le pivot de Gauss, qui n’utilise que des opérations LiLi+λLjL_i\leftarrow L_i+\lambda L_j et une mise à l’échelle finale, permet d’écrire
A=T1T2TkD,D=diag(1,,1,d),A=T_1T_2\cdots T_k\cdot D,\qquad D=\operatorname{diag}(1,\dots,1,d),les TmT_m étant des transvections.

Chaque facteur se relie continûment à InI_n dans GLn+\mathrm{GL}_n^{+} :
tTij((1t)λ),tdiag(1,,1,(1t)d+t),t\longmapsto T_{ij}\bigl((1-t)\lambda\bigr),\qquad t\longmapsto\operatorname{diag}\bigl(1,\dots,1,(1-t)d+t\bigr),la première restant de déterminant 11, la seconde de déterminant (1t)d+t>0(1-t)d+t>0 puisque d>0d>0. En multipliant ces chemins terme à terme, on obtient un chemin continu de AA à InI_n dans GLn+(R)\mathrm{GL}_n^{+}(\mathbb{R}).

  • Montrons queGLn(R)\mathrm{GL}_n^{-}(\mathbb{R}) est connexe par arcs. Soit J=diag(1,1,,1)J=\operatorname{diag}(-1,1,\dots,1), de déterminant 1-1. La multiplication à gauche par JJ est un homéomorphisme de GLn(R)\mathrm{GL}_n(\mathbb{R}), d’inverse elle-même, et elle échange les deux ensembles. Ainsi GLn=JGLn+\mathrm{GL}_n^{-}=J\cdot\mathrm{GL}_n^{+} est image continue d’un connexe par arcs, donc connexe par arcs. \blacksquare

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