Classification des isométries planes ayant un point fixe
Une isométrie du plan ayant trois points fixes non alignés est l'identité.
Une isométrie du plan autre que l'identité ayant au moins deux points fixes A et B est la réflexion par rapport à la droite (AB).
Une isométrie du plan ayant un unique point fixe A est une rotation de centre A.
Soit f une isométrie plane autre que l'identité. Soit M un point du plan et M' = f(M) tel que
. Un point fixe A de f vérifie MA = M'A donc est sur la médiatrice de [MM']: les points fixes sont donc alignés. Par contraposée, si f a trois points fixes non alignés, c'est l'identité.
Soit f une isométrie plane autre que l'identité ayant au moins deux points fixes A et B et s la réflexion par rapport à la droite (AB). Soit C un point n'appartenant pas à (AB). Alors son image C' par f vérifie CA = C'A et CB = C'B donc C' appartient à l'intersection de deux cercles de centres respectifs A et B. Cette intersection a au plus deux points et C' est différent de C (sinon f aurait trois points fixes non alignés et serait l'identité, ce qui est exclu par hypothèse) donc C et C' sont les deux points d'intersection respectifs de ces cercles (rappelons que deux cercles de centres distincts ont au plus deux points en commun). Comme CA = C'A et CB = C'B, A et B sont sur la médiatrice de [CC']; par définition, on a donc s(C') = C. Comme s(A) = A et s(B) = B,
a trois points fixes non alignés (à savoir A, B et C), donc
. On a donc f = s− 1, i.e. f = s (car les réflexions sont involutives. f est donc la réflexion par rapport à la droite (AB).
Si f possède un unique point fixe A: soit B un point distinct de A et B' = f(B). On a alors
. Soit Δ la médiatrice de [BB'] et s la réflexion par rapport à la droite Δ. D'une part, BA = B'A, donc
et s(A) = A; d'autre part, s(B') = B. L'application
possède donc au moins deux points fixes: A et B.
est donc soit l'identité soit une réflexion. On ne peut avoir
, car sinon f=s aurait une infinité de points fixes (tous les points de Δ).
est donc une réflexion s' par rapport à une droite passant par A (car s(f(A)) = A). On a donc
et f est donc une rotation car composée de deux réflexions d'axes sécants.