Courbes paramétrées et courbure
Vidéo disponible dans la version Premium
Durée : 55 min
Courbes paramétrées et courbure
1. Courbes paramétrées régulières
Une courbe paramétrée dans ( ou ) est une application de classe () sur un intervalle . Elle est dite régulière si pour tout : le vecteur est alors tangent à la courbe et non nul, ce qui exclut les points anguleux ou les rebroussements.
Exemples : le cercle , l'hélice , la parabole .
2. Longueur d'arc et paramétrage par longueur d'arc
La longueur d'arc entre et est . Une courbe est paramétrée par longueur d'arc (ou par abscisse curviligne) si pour tout : le paramètre coïncide alors avec la longueur parcourue depuis l'origine.
Théorème : toute courbe régulière admet une reparamétrisation par longueur d'arc (en posant , qui est strictement croissante donc inversible). En pratique, on travaille souvent avec un paramétrage arbitraire et on adapte les formules par un facteur (la vitesse).
3. Vecteur tangent unitaire et courbure (plan)
Pour une courbe plane paramétrée par longueur d'arc , on note le vecteur tangent unitaire. La courbure est définie par :
où est le vecteur normal unitaire, obtenu en faisant tourner de . La courbure mesure la vitesse de rotation de la tangente : pour une droite, (constante) pour un cercle de rayon .
Formule pour un paramétrage quelconque (non nécessairement par longueur d'arc), pour une courbe plane :
Exemple — cercle de rayon : . On calcule , , , . Le numérateur vaut , et , donc : la courbure est bien constante, égale à l'inverse du rayon.
4. Courbes dans l'espace : repère de Frenet
Pour une courbe régulière dans , on définit en chaque point (où ) le repère de Frenet :
- : tangente unitaire ;
- : binormale unitaire ;
- : normale principale (complète le repère orthonormé direct).
Courbure : ; torsion : .
La torsion mesure à quelle vitesse la courbe « sort » de son plan osculateur (le plan engendré par et ) : une courbe plane a une torsion nulle partout ; une hélice a une torsion constante non nulle.
5. Exemple résolu — l'hélice
Pour l'hélice () : , (vitesse constante). On calcule , , de norme . D'où :
Avec , on trouve (calcul direct du produit mixte). Remarquablement, et sont constantes pour l'hélice — c'est en fait la seule courbe (à isométrie près) ayant courbure et torsion constantes non nulles simultanément.
6. Formules de Frenet-Serret
Le repère évolue selon les formules de Frenet-Serret (par rapport à l'abscisse curviligne ) :
Ces formules sont l'analogue, pour les courbes de l'espace, du couple du cas plan ; elles montrent que courbure et torsion déterminent entièrement la courbe (à un déplacement rigide près) — c'est le théorème fondamental des courbes.
7. Récapitulatif
| Notion | Formule (paramétrage quelconque) |
| Vitesse | |
| Courbure (plan) | |
| Courbure (espace) | |
| Torsion (espace) | |
| Frenet-Serret |
Exercices
Qu'est-ce qu'une courbe paramétrée régulière ?
Vrai ou faux : un paramétrage par longueur d'arc vérifie pour tout .
Quelle est la courbure d'un cercle de rayon ?
Vrai ou faux : la torsion d'une courbe plane (contenue dans un plan fixe) est toujours nulle.
Dans le repère de Frenet d'une courbe de l'espace, comment est définie la binormale ?
Suivez votre progression
Connectez-vous pour sauvegarder votre avancement et gagner des XP.