Mathématiques · Glossaire

Qu'est-ce que « Surface paramétrée régulière » ?

Aussi appelé : surface paramétrée

Définition 19.1 Mathématiques universitaires — Licence 2 · Chapitre 19 — Surfaces

Soit UR2U \subseteq \R^2 un ouvert. Une surface paramétrée de classe Ck\mathcal{C}^k (k1k \geq 1) est une application σ ⁣:UR3\sigma \colon U \to \R^3, (u,v)σ(u,v)(u, v) \mapsto \sigma(u, v), de classe Ck\mathcal{C}^k. Un point est régulier si les vecteurs dérivées partielles

σu(u,v)=σu(u,v),σv(u,v)=σv(u,v)\sigma_u(u, v) = \frac{\partial\sigma}{\partial u}(u,v), \qquad \sigma_v(u, v) = \frac{\partial\sigma}{\partial v}(u,v)

sont linéairement indépendants, c.-à-d. σuσv0\sigma_u \wedge \sigma_v \neq 0 ; la surface est régulière si tout point l’est.

Exemples

Exemple 19.2 (Les trois descriptions standard)

  1. Graphe : σ(u,v)=(u, v, f(u,v))\sigma(u, v) = (u,\ v,\ f(u, v)) pour fC1(U)f \in \mathcal{C}^1(U). Toujours régulière : σu=(1,0,fu)\sigma_u = (1, 0, f_u) et σv=(0,1,fv)\sigma_v = (0, 1, f_v) sont indépendants.
  2. Sphère (coordonnées sphériques) : pour la sphère de rayon RR,

    σ(θ,φ)=(Rcosθcosφ, Rsinθcosφ, Rsinφ),(θ,φ)R×(π2,π2),\sigma(\theta, \varphi) = (R\cos\theta\cos\varphi,\ R\sin\theta\cos\varphi,\ R\sin\varphi), \qquad (\theta, \varphi) \in \R \times \bigl(-\tfrac\pi2, \tfrac\pi2\bigr),

    avec θ\theta la longitude et φ\varphi la latitude. On vérifie σθσφ=R2cosφ>0\norm{\sigma_\theta \wedge \sigma_\varphi} = R^2\cos\varphi > 0 : régulière hors des pôles (que cette carte omet).

  3. Ensemble de niveau : S={(x,y,z):f(x,y,z)=c}S = \{(x,y,z) : f(x, y, z) = c\}ff est C1\mathcal{C}^1 et f0\nabla f \neq 0 sur SS. Au voisinage de chaque point, une coordonnée peut s’exprimer en fonction des deux autres par le théorème des fonctions implicites (Chapitre 15), donc SS 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=R2x^2 + y^2 + z^2 = R^2 au voisinage de son pôle nord (0,0,R)(0, 0, R) : là fz=2z=2R0\frac{\partial f}{\partial z} = 2z = 2R \neq 0, et la résolution en zz donne la carte-graphe

z=R2x2y2,x2+y2<R2,z = \sqrt{R^2 - x^2 - y^2}, \qquad x^2 + y^2 < R^2 ,

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)(R, 0, 0), le même théorème résout en xx à la place (fx=2R0\frac{\partial f}{\partial x} = 2R \neq 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.

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