Soit U⊆R2 un ouvert. Une surface paramétrée de classe Ck (k≥1) est une application σ:U→R3, (u,v)↦σ(u,v), de classe Ck. Un point est régulier si les vecteurs dérivées partielles
σu(u,v)=∂u∂σ(u,v),σv(u,v)=∂v∂σ(u,v)
sont linéairement indépendants, c.-à-d. σu∧σv=0 ; la surface est régulière si tout point l’est.
Exemples
Exemple 19.2(Les trois descriptions standard)
Graphe :σ(u,v)=(u,v,f(u,v)) pour f∈C1(U). Toujours régulière : σu=(1,0,fu) et σv=(0,1,fv) sont indépendants.
Sphère (coordonnées sphériques) : pour la sphère de rayon R,
avec θ la longitude et φ la latitude. On vérifie ∥σθ∧σφ∥=R2cosφ>0 : régulière hors des pôles (que cette carte omet).
Ensemble de niveau :S={(x,y,z):f(x,y,z)=c} où f est C1 et ∇f=0 sur S. Au voisinage de chaque point, une coordonnée peut s’exprimer en fonction des deux autres par le théorème des fonctions implicites (Chapitre 15), donc S est localement un graphe.
Exemple 19.3(De l’ensemble de niveau au graphe)
Le théorème des fonctions implicites du point 3 mérite une mise en œuvre explicite. Prenons la sphère x2+y2+z2=R2 au voisinage de son pôle nord (0,0,R) : là ∂z∂f=2z=2R=0, et la résolution en z donne la carte-graphe
z=R2−x2−y2,x2+y2<R2,
régulière partout sur son domaine (ouvert) — y compris le pôle que la carte sphérique manquait. Au voisinage d’un point de l’équateur comme (R,0,0), le même théorème résout en x à la place (∂x∂f=2R=0). La règle empirique : une surface de niveau est un graphe au-dessus du plan de coordonnées orthogonal à la plus grande composante du gradient, et en recouvrant la sphère par six telles cartes-graphes on vérifie sa régularité partout sans aucune trigonométrie.