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Licence 3 · Géométrie L3 — Courbes et surfaces

Courbes paramétrées et courbure

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:I→Rn\gamma:I\to\mathbb{R}^n de classe Ck\mathcal{C}^k (k≥2k\geq2) sur un intervalle II. Elle est dite régulière si γ′(t)≠0\gamma'(t)\neq0 pour tout t∈It\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)=(Rcos⁡t,Rsin⁡t)\gamma(t)=(R\cos t, R\sin t), l'hélice γ(t)=(acos⁡t,asin⁡t,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)=∫t0t∥γ′(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)

où 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)=x′y′′−y′x′′(x′2+y′2)3/2\kappa(t) = \frac{x'y''-y'x''}{(x'^2+y'^2)^{3/2}}

Exemple — cercle de rayon RR : γ(t)=(Rcos⁡t,Rsin⁡t)\gamma(t)=(R\cos t,R\sin t). On calcule x′=−Rsin⁡tx'=-R\sin t, y′=Rcos⁡ty'=R\cos t, x′′=−Rcos⁡tx''=-R\cos t, y′′=−Rsin⁡ty''=-R\sin t. Le numérateur vaut x′y′′−y′x′′=R2sin⁡2t+R2cos⁡2t=R2x'y''-y'x''=R^2\sin^2t+R^2\cos^2t=R^2, et (x′2+y′2)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′×γ′′≠0\gamma'\times\gamma''\neq0) le repère de Frenet (T,N,B)(T,N,B) :
- T=γ′/∥γ′∥T=\gamma'/\|\gamma'\| : tangente unitaire ;
- B=(γ′×γ′′)/∥γ′×γ′′∥B=(\gamma'\times\gamma'')/\|\gamma'\times\gamma''\| : binormale unitaire ;
- N=B×TN=B\times T : normale principale (complète le repère orthonormé direct).

Courbure : κ=∥γ′×γ′′∥∥γ′∥3\kappa = \dfrac{\|\gamma'\times\gamma''\|}{\|\gamma'\|^3} ; torsion : τ=(γ′×γ′′)⋅γ′′′∥γ′×γ′′∥2\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)=(acos⁡t,asin⁡t,bt)\gamma(t)=(a\cos t, a\sin t, bt) (a,b>0a,b>0) : γ′(t)=(−asin⁡t,acos⁡t,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)=(−acos⁡t,−asin⁡t,0)\gamma''(t)=(-a\cos t,-a\sin t,0), γ′×γ′′=(absin⁡t,−abcos⁡t,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)=(asin⁡t,−acos⁡t,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=x′y′′−y′x′′(x′2+y′2)3/2\kappa=\dfrac{x'y''-y'x''}{(x'^2+y'^2)^{3/2}}
Courbure (espace)κ=∥γ′×γ′′∥∥γ′∥3\kappa=\dfrac{\|\gamma'\times\gamma''\|}{\|\gamma'\|^3}
Torsion (espace)τ=(γ′×γ′′)⋅γ′′′∥γ′×γ′′∥2\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 de la leçon

Exercice 1

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

Corrigé

Une courbe est régulière si son vecteur vitesse γ′(t)\gamma'(t) ne s'annule jamais, garantissant l'existence d'une tangente bien définie en chaque point.

Exercice 2

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

Corrigé

Vrai. C'est exactement la définition : le paramètre ss représente alors la longueur parcourue, donc la vitesse de parcours est unitaire.

Exercice 3

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

Corrigé

Le calcul direct (cf. cours §3) donne κ=1/R\kappa=1/R : plus le rayon est grand, plus la courbure est faible (le cercle « tourne » moins vite).

Exercice 4

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

Corrigé

Vrai. La torsion mesure la vitesse à laquelle la courbe sort de son plan osculateur ; pour une courbe plane, ce plan est constant (le plan contenant la courbe), donc τ=0\tau=0 identiquement.

Exercice 5

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

Corrigé

La binormale est le vecteur unitaire normal au plan osculateur, défini par B=(γ′×γ′′)/∥γ′×γ′′∥B=(\gamma'\times\gamma'')/\|\gamma'\times\gamma''\|. Noter qu'on a aussi B=T×NB=T\times N (l'option C est vraie également mais ce n'est pas la définition de départ, plutôt une relation entre les trois vecteurs du repère).

Exercice 6

Calculer la courbure de la parabole γ(t)=(t,t2)\gamma(t)=(t,t^2) au point t=0t=0.

Corrigé

x′=1,y′=2t,x′′=0,y′′=2x'=1,y'=2t,x''=0,y''=2. Numérateur : x′y′′−y′x′′=1×2−2t×0=2x'y''-y'x''=1\times2-2t\times0=2. Dénominateur : (1+4t2)3/2(1+4t^2)^{3/2}. En t=0t=0 : κ=2/1=2\kappa=2/1=2.

Exercice 7

Pour l'hélice γ(t)=(2cos⁡t,2sin⁡t,3t)\gamma(t)=(2\cos t,2\sin t,3t) (donc a=2,b=3a=2,b=3), quelle est sa courbure κ\kappa ?

Corrigé

κ=a/(a2+b2)=2/(4+9)=2/13\kappa=a/(a^2+b^2)=2/(4+9)=2/13.

Exercice 8

Pour la même hélice γ(t)=(2cos⁡t,2sin⁡t,3t)\gamma(t)=(2\cos t,2\sin t,3t), quelle est sa torsion τ\tau ?

Corrigé

τ=b/(a2+b2)=3/(4+9)=3/13\tau=b/(a^2+b^2)=3/(4+9)=3/13.

Exercice 9

Vrai ou faux : pour une courbe paramétrée par longueur d'arc, la formule de la courbure se simplifie en κ(s)=∥γ′′(s)∥\kappa(s)=\|\gamma''(s)\|.

Corrigé

Vrai. Quand ss est l'abscisse curviligne, T(s)=γ′(s)T(s)=\gamma'(s), et T′(s)=κ(s)N(s)T'(s)=\kappa(s)N(s) avec N(s)N(s) unitaire, donc ∥T′(s)∥=κ(s)\|T'(s)\|=\kappa(s) ; comme T′(s)=γ′′(s)T'(s)=\gamma''(s), on a bien κ(s)=∥γ′′(s)∥\kappa(s)=\|\gamma''(s)\| dans ce paramétrage particulier (ce n'est pas vrai pour un paramétrage quelconque).

Exercice 10

Calculer la longueur d'arc de l'hélice γ(t)=(cos⁡t,sin⁡t,t)\gamma(t)=(\cos t,\sin t,t) entre t=0t=0 et t=2πt=2\pi.

Corrigé

γ′(t)=(−sin⁡t,cos⁡t,1)\gamma'(t)=(-\sin t,\cos t,1), ∥γ′(t)∥=sin⁡2t+cos⁡2t+1=2\|\gamma'(t)\|=\sqrt{\sin^2t+\cos^2t+1}=\sqrt2 (constante). Longueur =∫02π2 dt=22 π=\displaystyle\int_0^{2\pi}\sqrt2\,dt=2\sqrt2\,\pi.

Exercice 11

Démontrer la formule κ(t)=x′y′′−y′x′′(x′2+y′2)3/2\kappa(t)=\dfrac{x'y''-y'x''}{(x'^2+y'^2)^{3/2}} pour une courbe plane γ(t)=(x(t),y(t))\gamma(t)=(x(t),y(t)), à partir de la définition T′(s)=κ(s)N(s)T'(s)=\kappa(s)N(s) en abscisse curviligne.

Corrigé

Mise en place. Soit v(t)=∥γ′(t)∥=x′2+y′2v(t)=\|\gamma'(t)\|=\sqrt{x'^2+y'^2} la vitesse, et s(t)s(t) l'abscisse curviligne, avec ds/dt=v(t)ds/dt=v(t). Le vecteur tangent unitaire est T(t)=γ′(t)/v(t)=(x′/v,y′/v)T(t)=\gamma'(t)/v(t)=(x'/v,y'/v).

Dérivation en chaîne. Par définition (en abscisse curviligne), dTds=κN\dfrac{dT}{ds}=\kappa N. Or dTds=dT/dtds/dt=T′(t)v(t)\dfrac{dT}{ds}=\dfrac{dT/dt}{ds/dt}=\dfrac{T'(t)}{v(t)}, donc κN=T′(t)/v(t)\kappa N = T'(t)/v(t), d'où κ=∥T′(t)∥v(t)\kappa = \dfrac{\|T'(t)\|}{v(t)} (en norme, NN étant unitaire).

Calcul de T′(t)T'(t). En dérivant T=(x′/v,y′/v)T=(x'/v,y'/v) :

T′=(x′′v−x′v′v2, y′′v−y′v′v2)T' = \left(\frac{x''v-x'v'}{v^2},\,\frac{y''v-y'v'}{v^2}\right)

Après calcul (en utilisant vv′=x′x′′+y′y′′vv'=x'x''+y'y'', dérivée de v2=x′2+y′2v^2=x'^2+y'^2), la composante de T′T' orthogonale à TT (c'est-à-dire le long de NN) se simplifie en x′y′′−y′x′′v2\dfrac{x'y''-y'x''}{v^2}. En divisant par vv pour obtenir κ=∥T′∥/v\kappa=\|T'\|/v :

κ(t)=x′y′′−y′x′′v3=x′y′′−y′x′′(x′2+y′2)3/2□\kappa(t) = \frac{x'y''-y'x''}{v^3} = \frac{x'y''-y'x''}{(x'^2+y'^2)^{3/2}} \qquad \square

Exercice 12

Démontrer que si une courbe de l'espace a une torsion nulle en tout point (τ≡0\tau\equiv0), alors elle est plane (contenue dans un plan fixe).

Corrigé

Étape 1 — la binormale est constante. Par la formule de Frenet-Serret, B′(s)=−τ(s)N(s)B'(s)=-\tau(s)N(s). Si τ≡0\tau\equiv0, alors B′(s)=0B'(s)=0 pour tout ss, donc B(s)=B0B(s)=B_0 est un vecteur constant.

Étape 2 — la courbe reste dans un plan orthogonal à B0B_0. Considérons la fonction scalaire f(s)=(γ(s)−γ(0))⋅B0f(s)=\big(\gamma(s)-\gamma(0)\big)\cdot B_0. Sa dérivée est :

f′(s)=γ′(s)⋅B0=T(s)⋅B0f'(s) = \gamma'(s)\cdot B_0 = T(s)\cdot B_0

Or, par construction du repère de Frenet, T(s)⊥B(s)=B0T(s)\perp B(s)=B_0 en tout point (le repère (T,N,B)(T,N,B) est orthonormé), donc T(s)⋅B0=0T(s)\cdot B_0=0 pour tout ss. Ainsi f′(s)=0f'(s)=0 pour tout ss, donc ff est constante, et comme f(0)=0f(0)=0, on a f(s)=0f(s)=0 pour tout ss.

Conclusion. (γ(s)−γ(0))⋅B0=0\big(\gamma(s)-\gamma(0)\big)\cdot B_0=0 pour tout ss signifie que γ(s)\gamma(s) reste dans le plan affine passant par γ(0)\gamma(0) et orthogonal à B0B_0 — la courbe est donc plane. □\square

Exercice 13

Soit γ(t)=(t,cosh⁡t)\gamma(t)=(t,\cosh t) (la chaînette). Calculer sa courbure κ(t)\kappa(t) en fonction de tt.

Corrigé

Dérivées : x(t)=t⇒x′=1, x′′=0x(t)=t\Rightarrow x'=1,\,x''=0. y(t)=cosh⁡t⇒y′=sinh⁡t, y′′=cosh⁡ty(t)=\cosh t\Rightarrow y'=\sinh t,\,y''=\cosh t.

Numérateur : x′y′′−y′x′′=1⋅cosh⁡t−sinh⁡t⋅0=cosh⁡tx'y''-y'x'' = 1\cdot\cosh t - \sinh t\cdot0 = \cosh t.

Dénominateur : x′2+y′2=1+sinh⁡2t=cosh⁡2tx'^2+y'^2 = 1+\sinh^2t = \cosh^2t (identité cosh⁡2−sinh⁡2=1\cosh^2-\sinh^2=1), donc (x′2+y′2)3/2=cosh⁡3t(x'^2+y'^2)^{3/2}=\cosh^3t (car cosh⁡t>0\cosh t>0).

Résultat :

κ(t)=cosh⁡tcosh⁡3t=1cosh⁡2t\kappa(t) = \frac{\cosh t}{\cosh^3t} = \frac{1}{\cosh^2t}

La courbure est maximale (κ(0)=1\kappa(0)=1) au sommet de la chaînette et décroît vers 00 quand ∣t∣→+∞|t|\to+\infty (la courbe s'aplatit asymptotiquement).

Exercice 14

Vrai ou faux : le théorème fondamental des courbes affirme que la donnée de κ(s)>0\kappa(s)>0 et τ(s)\tau(s) (fonctions continues) détermine une courbe unique à déplacement rigide près (rotation + translation).

Corrigé

Vrai. C'est le théorème fondamental de la théorie des courbes (existence et unicité, via résolution du système différentiel de Frenet-Serret avec conditions initiales) : courbure et torsion déterminent intégralement la forme de la courbe, indépendamment de sa position et orientation dans l'espace.

Exercice 15

Démontrer, à partir des formules de Frenet-Serret, que dds(T⋅T)=0\dfrac{d}{ds}(T\cdot T)=0, confirmant que ∥T(s)∥\|T(s)\| reste constant égal à 11.

Corrigé

Calcul de la dérivée. Par la règle de Leibniz pour le produit scalaire :

dds(T⋅T)=T′⋅T+T⋅T′=2 T′⋅T\frac{d}{ds}(T\cdot T) = T'\cdot T + T\cdot T' = 2\,T'\cdot T

Utilisation de Frenet-Serret. La première formule donne T′=κNT'=\kappa N, donc :

dds(T⋅T)=2κ (N⋅T)\frac{d}{ds}(T\cdot T) = 2\kappa\,(N\cdot T)

Orthogonalité du repère. Par construction, (T,N,B)(T,N,B) est un repère orthonormé en tout point, donc N⋅T=0N\cdot T=0 identiquement. D'où :

dds(T⋅T)=2κ×0=0\frac{d}{ds}(T\cdot T) = 2\kappa\times0 = 0

Conclusion. T⋅TT\cdot T est donc constante le long de la courbe. Comme TT est unitaire par définition (T=γ′/∥γ′∥T=\gamma'/\|\gamma'\| en paramétrage par longueur d'arc), T(s0)⋅T(s0)=1T(s_0)\cdot T(s_0)=1 en un point quelconque s0s_0, donc T⋅T=1T\cdot T=1 pour tout ss : ceci confirme la cohérence interne des formules de Frenet-Serret, qui préservent automatiquement le caractère unitaire (et orthogonal) du repère mobile. □\square

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