J'ai fait cet exercice en TD cette année, voici comment j'avais procédé :
Le sens <= est évident
Sens =>
Notons
.
Puisque f et g commutent, g laisse stable
.
Conséquence,
.
Supposons
. A fortiori g est une symétrie orthogonale d'axe une certaine droite
.
Problème,
est un vecteur propre de f et de plus
ce qui est contradictoire avec l'unicité de l'axe propre de f.
Finalement la seule possibilité est
ce qui signifie donc que f et g ont le même axe de rotation.
On a supposé ici que f n'était pas une symétrie orthogonale par rapport à une droite. Si c'est le cas, les deux axes
et
sont respectivement stables par f et g ce qui prouve que les axes sont orthogonaux.
Reste à montrer que g est aussi une symétrie orthogonale. En notant
et
les vecteurs directeurs,
est soit fixe par g, ce qui ne peut pas être puisque g n'est pas l'identité, soit envoyé sur
et dans ce cas g est une symétrie orthogonale d'axe Ker(g-Id).