Licence 3Géométrie

Surfaces paramétrées et première forme fondamentale

60 min15 exercicesSéquence 2.2 — Licence 3
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Durée : 60 min

Surfaces paramétrées et première forme fondamentale

1. Surfaces paramétrées

Une surface paramétrée est une application X:U→R3X:U\to\mathbb{R}^3 (U⊂R2U\subset\mathbb{R}^2 ouvert) de classe C2\mathcal{C}^2, régulière : les dérivées partielles Xu=∂X/∂uX_u=\partial X/\partial u et Xv=∂X/∂vX_v=\partial X/\partial v sont linéairement indépendantes en tout point (donc Xu×Xv≠0X_u\times X_v\neq0). Le plan engendré par Xu,XvX_u,X_v en un point est le plan tangent à la surface en ce point.

Exemples : le plan X(u,v)=(u,v,0)X(u,v)=(u,v,0) ; la sphère de rayon RR, X(u,v)=(Rcos⁡usin⁡v,Rsin⁡usin⁡v,Rcos⁡v)X(u,v)=(R\cos u\sin v,R\sin u\sin v,R\cos v) pour u∈[0,2π[u\in[0,2\pi[, v∈ ]0,π[v\in\,]0,\pi[ ; le cylindre X(u,v)=(Rcos⁡u,Rsin⁡u,v)X(u,v)=(R\cos u,R\sin u,v).

2. Première forme fondamentale

La première forme fondamentale II mesure les longueurs et angles sur la surface (la métrique induite par le produit scalaire de R3\mathbb{R}^3). On définit les coefficients :

E=Xu⋅XuF=Xu⋅XvG=Xv⋅XvE=X_u\cdot X_u \qquad F=X_u\cdot X_v \qquad G=X_v\cdot X_v

et pour un vecteur tangent w=aXu+bXvw=aX_u+bX_v :
I(w,w)=Ea2+2Fab+Gb2I(w,w) = Ea^2+2Fab+Gb^2

Élément d'aire : dA=EG−F2 du dvdA = \sqrt{EG-F^2}\,du\,dv ; longueur d'une courbe u(t),v(t)u(t),v(t) tracée sur la surface : L=∫Eu′2+2Fu′v′+Gv′2 dtL=\displaystyle\int\sqrt{Eu'^2+2Fu'v'+Gv'^2}\,dt.

3. Exemple résolu — le plan

Pour X(u,v)=(u,v,0)X(u,v)=(u,v,0) : Xu=(1,0,0)X_u=(1,0,0), Xv=(0,1,0)X_v=(0,1,0), donc E=1,F=0,G=1E=1,F=0,G=1. La première forme fondamentale est I=a2+b2I=a^2+b^2 : c'est simplement la métrique euclidienne usuelle, sans surprise puisque XX est l'identité du plan xOyxOy plongé dans R3\mathbb{R}^3.

4. Exemple résolu — la sphère

Pour X(u,v)=(Rcos⁡usin⁡v,Rsin⁡usin⁡v,Rcos⁡v)X(u,v)=(R\cos u\sin v,R\sin u\sin v,R\cos v) :

Xu=(−Rsin⁡usin⁡v,Rcos⁡usin⁡v,0)Xv=(Rcos⁡ucos⁡v,Rsin⁡ucos⁡v,−Rsin⁡v)X_u=(-R\sin u\sin v,R\cos u\sin v,0) \qquad X_v=(R\cos u\cos v,R\sin u\cos v,-R\sin v)

Calcul direct : E=Xu⋅Xu=R2sin⁡2vE=X_u\cdot X_u=R^2\sin^2v, F=Xu⋅Xv=0F=X_u\cdot X_v=0, G=Xv⋅Xv=R2G=X_v\cdot X_v=R^2. La première forme fondamentale est donc I=R2sin⁡2v a2+R2b2I=R^2\sin^2v\,a^2+R^2b^2, et l'élément d'aire :

dA=EG−F2 du dv=R4sin⁡2v du dv=R2sin⁡v du dvdA=\sqrt{EG-F^2}\,du\,dv = \sqrt{R^4\sin^2v}\,du\,dv = R^2\sin v\,du\,dv

(pour v∈ ]0,π[v\in\,]0,\pi[, sin⁡v>0\sin v>0). En intégrant sur tout u∈[0,2π[,v∈[0,π]u\in[0,2\pi[,v\in[0,\pi], on retrouve l'aire totale de la sphère :
Aire=∫02π∫0πR2sin⁡v dv du=2πR2[−cos⁡v]0π=2πR2×2=4πR2\text{Aire} = \int_0^{2\pi}\int_0^\pi R^2\sin v\,dv\,du = 2\pi R^2\big[-\cos v\big]_0^\pi = 2\pi R^2\times2 = 4\pi R^2

5. Exemple résolu — le cylindre

Pour X(u,v)=(Rcos⁡u,Rsin⁡u,v)X(u,v)=(R\cos u,R\sin u,v) : Xu=(−Rsin⁡u,Rcos⁡u,0)X_u=(-R\sin u,R\cos u,0), Xv=(0,0,1)X_v=(0,0,1). On trouve E=R2,F=0,G=1E=R^2,F=0,G=1, donc dA=R du dvdA=R\,du\,dv : le cylindre est, en un sens précis, isométrique au plan (on peut le « dérouler » sans déformer les longueurs) — c'est pourquoi le coefficient EE ne dépend ni de uu ni de vv.

6. Isométries de surfaces

Deux surfaces sont isométriques si elles ont la « même » première forme fondamentale dans des paramétrages adaptés — intuitivement, on peut déformer l'une en l'autre sans étirer ni déchirer (en pliant seulement). Le cylindre et le plan sont isométriques (on déroule le cylindre), mais la sphère n'est isométrique à aucune région du plan — c'est le contenu du theorema egregium de Gauss (vu en détail à la leçon suivante), qui explique pourquoi toute carte plane de la Terre déforme nécessairement les distances ou les surfaces.

7. Récapitulatif


NotionFormule
|---|---|




CoefficientsE=Xu⋅Xu, F=Xu⋅Xv, G=Xv⋅XvE=X_u\cdot X_u,\ F=X_u\cdot X_v,\ G=X_v\cdot X_v
Forme fondamentaleI(w,w)=Ea2+2Fab+Gb2I(w,w)=Ea^2+2Fab+Gb^2
Élément d'airedA=EG−F2 du dvdA=\sqrt{EG-F^2}\,du\,dv
Sphère de rayon RRE=R2sin⁡2v, F=0, G=R2E=R^2\sin^2v,\ F=0,\ G=R^2
Cylindre de rayon RRE=R2, F=0, G=1E=R^2,\ F=0,\ G=1

Exercices

Comment définit-on le coefficient FF de la première forme fondamentale ?

Vrai ou faux : pour le plan X(u,v)=(u,v,0)X(u,v)=(u,v,0), la première forme fondamentale est I=a2+b2I=a^2+b^2.

Quelle est la formule de l'élément d'aire dAdA en fonction de E,F,GE,F,G ?

Pour la sphère de rayon RR, que vaut le coefficient FF dans le paramétrage usuel (u,v)↦(Rcos⁡usin⁡v,Rsin⁡usin⁡v,Rcos⁡v)(u,v)\mapsto(R\cos u\sin v,R\sin u\sin v,R\cos v) ?

Vrai ou faux : le cylindre est isométrique au plan (on peut le « dérouler » sans déformer les longueurs).

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