Licence 3Géométrie

Courbes paramétrées et courbure

55 min15 exercicesSéquence 1.1Licence 3

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Durée : 55 min

Courbes paramétrées et courbure

1. Courbes paramétrées régulières

Une courbe paramétrée dans Rn\mathbb{R}^n (n=2n=2 ou 33) est une application γ:IRn\gamma:I\to\mathbb{R}^n de classe Ck\mathcal{C}^k (k2k\geq2) sur un intervalle II. Elle est dite régulière si γ(t)0\gamma'(t)\neq0 pour tout tIt\in I : le vecteur γ(t)\gamma'(t) est alors tangent à la courbe et non nul, ce qui exclut les points anguleux ou les rebroussements.

Exemples : le cercle γ(t)=(Rcost,Rsint)\gamma(t)=(R\cos t, R\sin t), l'hélice γ(t)=(acost,asint,bt)\gamma(t)=(a\cos t,a\sin t,bt), la parabole γ(t)=(t,t2)\gamma(t)=(t,t^2).

2. Longueur d'arc et paramétrage par longueur d'arc

La longueur d'arc entre t0t_0 et tt est s(t)=t0tγ(u)dus(t)=\displaystyle\int_{t_0}^t \|\gamma'(u)\|\,du. Une courbe est paramétrée par longueur d'arc (ou par abscisse curviligne) si γ(s)=1\|\gamma'(s)\|=1 pour tout ss : le paramètre coïncide alors avec la longueur parcourue depuis l'origine.

Théorème : toute courbe régulière admet une reparamétrisation par longueur d'arc (en posant s=s(t)s=s(t), qui est strictement croissante donc inversible). En pratique, on travaille souvent avec un paramétrage arbitraire tt et on adapte les formules par un facteur γ(t)\|\gamma'(t)\| (la vitesse).

3. Vecteur tangent unitaire et courbure (plan)

Pour une courbe plane paramétrée par longueur d'arc ss, on note T(s)=γ(s)T(s)=\gamma'(s) le vecteur tangent unitaire. La courbure κ(s)\kappa(s) est définie par :

T(s)=κ(s)N(s)T'(s) = \kappa(s)\,N(s)

N(s)N(s) est le vecteur normal unitaire, obtenu en faisant tourner T(s)T(s) de +90°+90°. La courbure mesure la vitesse de rotation de la tangente : κ=0\kappa=0 pour une droite, κ=1/R\kappa=1/R (constante) pour un cercle de rayon RR.

Formule pour un paramétrage quelconque (non nécessairement par longueur d'arc), pour une courbe plane γ(t)=(x(t),y(t))\gamma(t)=(x(t),y(t)) :

κ(t)=xyyx(x2+y2)3/2\kappa(t) = \frac{x'y''-y'x''}{(x'^2+y'^2)^{3/2}}

Exemple — cercle de rayon RR : γ(t)=(Rcost,Rsint)\gamma(t)=(R\cos t,R\sin t). On calcule x=Rsintx'=-R\sin t, y=Rcosty'=R\cos t, x=Rcostx''=-R\cos t, y=Rsinty''=-R\sin t. Le numérateur vaut xyyx=R2sin2t+R2cos2t=R2x'y''-y'x''=R^2\sin^2t+R^2\cos^2t=R^2, et (x2+y2)3/2=R3(x'^2+y'^2)^{3/2}=R^3, donc κ=R2/R3=1/R\kappa=R^2/R^3=1/R : la courbure est bien constante, égale à l'inverse du rayon.

4. Courbes dans l'espace : repère de Frenet

Pour une courbe régulière dans R3\mathbb{R}^3, on définit en chaque point (où γ×γ0\gamma'\times\gamma''\neq0) le repère de Frenet (T,N,B)(T,N,B) :
- T=γ/γT=\gamma'/\|\gamma'\| : tangente unitaire ;
- B=(γ×γ)/γ×γB=(\gamma'\times\gamma'')/\|\gamma'\times\gamma''\| : binormale unitaire ;
- N=B×TN=B\times T : normale principale (complète le repère orthonormé direct).

Courbure : κ=γ×γγ3\kappa = \dfrac{\|\gamma'\times\gamma''\|}{\|\gamma'\|^3} ; torsion : τ=(γ×γ)γγ×γ2\tau = \dfrac{(\gamma'\times\gamma'')\cdot\gamma'''}{\|\gamma'\times\gamma''\|^2}.

La torsion mesure à quelle vitesse la courbe « sort » de son plan osculateur (le plan engendré par TT et NN) : une courbe plane a une torsion nulle partout ; une hélice a une torsion constante non nulle.

5. Exemple résolu — l'hélice

Pour l'hélice γ(t)=(acost,asint,bt)\gamma(t)=(a\cos t, a\sin t, bt) (a,b>0a,b>0) : γ(t)=(asint,acost,b)\gamma'(t)=(-a\sin t,a\cos t,b), γ(t)=a2+b2\|\gamma'(t)\|=\sqrt{a^2+b^2} (vitesse constante). On calcule γ(t)=(acost,asint,0)\gamma''(t)=(-a\cos t,-a\sin t,0), γ×γ=(absint,abcost,a2)\gamma'\times\gamma''=(ab\sin t,-ab\cos t,a^2), de norme aa2+b2a\sqrt{a^2+b^2}. D'où :

κ=aa2+b2(a2+b2)3/2=aa2+b2\kappa = \frac{a\sqrt{a^2+b^2}}{(a^2+b^2)^{3/2}} = \frac{a}{a^2+b^2}

Avec γ(t)=(asint,acost,0)\gamma'''(t)=(a\sin t,-a\cos t,0), on trouve τ=ba2+b2\tau=\dfrac{b}{a^2+b^2} (calcul direct du produit mixte). Remarquablement, κ\kappa et τ\tau 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 (T,N,B)(T,N,B) évolue selon les formules de Frenet-Serret (par rapport à l'abscisse curviligne ss) :

T=κNN=κT+τBB=τNT'=\kappa N \qquad N'=-\kappa T+\tau B \qquad B'=-\tau N

Ces formules sont l'analogue, pour les courbes de l'espace, du couple (T,N)(T',N') 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


NotionFormule (paramétrage quelconque)
|---|---|




Vitessev(t)=γ(t)v(t)=\|\gamma'(t)\|
Courbure (plan)κ=xyyx(x2+y2)3/2\kappa=\dfrac{x'y''-y'x''}{(x'^2+y'^2)^{3/2}}
Courbure (espace)κ=γ×γγ3\kappa=\dfrac{\|\gamma'\times\gamma''\|}{\|\gamma'\|^3}
Torsion (espace)τ=(γ×γ)γγ×γ2\tau=\dfrac{(\gamma'\times\gamma'')\cdot\gamma'''}{\|\gamma'\times\gamma''\|^2}
Frenet-SerretT=κN, N=κT+τB, B=τNT'=\kappa N,\ N'=-\kappa T+\tau B,\ B'=-\tau N

Exercices

Qu'est-ce qu'une courbe paramétrée régulière ?

Vrai ou faux : un paramétrage par longueur d'arc vérifie γ(s)=1\|\gamma'(s)\|=1 pour tout ss.

Quelle est la courbure d'un cercle de rayon RR ?

Vrai ou faux : la torsion d'une courbe plane (contenue dans un plan fixe) est toujours nulle.

Dans le repère de Frenet (T,N,B)(T,N,B) d'une courbe de l'espace, comment est définie la binormale BB ?

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