Topic : « [Maths] Surfaces isométriques et première forme fondamentale »

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Je vais vous présenter trois surfaces bien connues.

https://i.imgur.com/DZRy9xjs.png
Voici une caténoide.

https://i.imgur.com/s4GOvYRs.png
Voici une hélicoide.

https://i.imgur.com/bSzyoTTs.png
Et voici une ... sphère. Pas de piège, c’est la sphère que vous connaissez bien.

Quand je parle de surface, je parle bien de l’enveloppe. Ainsi, la sphère c’est comme un ballon de baudruche, vide à l’intérieur.

Maintenant, prenons trois forumeurs au hasard. Je prends trois candidats à la modération : Shemale, 123pk, Krayo. Supposons que Shemale vive sur la caténoide, 123pk sur l’hélicoide et Krayo sur la sphère. On suppose ici que leur surface est très grande : Krayo vit sur la lune par exemple, et Shemale et 123pk sur des surfaces également grandes.

On peut se poser une question : Krayo peut-il savoir qu’il vit sur une sphère ? Shemale et 123pk peuvent-ils savoir qu’ils vivent sur une caténoide ou une hélicoide ? Et Shemale peut-il savoir si 123pk et Krayo vivent sur des surfaces différentes de la sienne ?

Réfléchissez un instant, et dites-donc en commentaire ce que vous en pensez avant de lire la suite.

Et bien la réponse est : ça dépend.

Admettons que nos trois forumeurs se munissent chacun d’une règle, d’un compas, d’une équerre ... de plein d’instruments de mesure géométrique en fait. Et qu’ils commencent à faire des mesures, et qu’ils se les communiquent via internet.

Et bien en fait, il se trouve que Krayo peut savoir qu’il vit sur une sphère et il peut également savoir que Shemale et 123pk vivent sur des surfaces différentes de la sienne !

Mais en revanche, Shemale et 123pk peuvent certes savoir que Krayo vit sur une sphère (si il leur communique ses données) mais ils ne peuvent pas distinguer leurs surfaces respectives ! Shemale et 123pk n’ont aucun moyen de savoir qu’ils vivent sur des surfaces différentes !

Mathématiquement, c’est parce qu’avec leurs outils, nos forumeurs sont capables de calculer la courbure de leur surface. Krayo peut la mesurer partout et en conclure qu’elle est constante et positive partout : il peut donc dire “tiens je vis sur une sphère !”.
Mais 123pk et Shemale vont eux trouver la même courbure : si on les repère sur leur surface par un couple de coordonées (x, y) [ pour la sphère ; x == longitude, y == lattitude ), alors nos deux forumeurs vont trouver une courbure de la forme C1 / x^2 + C2 avec C1 et C2 des constantes : il leur est impossible de différencier leur courbure avec leurs outils.

C1 et C2 constants signifient que la surface de Shemale est peut être plus grande que celle de 123pk, donc la courbure est moins prononcée, mais la forme de la courbure est la même : il ne peut donc pas savoir qu’il vit sur une caténoide et 123pk sur l’hélicoide.

Cette façon de faire des mesures sur sa surface avec des outils comme la règle, le compas, l’instrument à ellipses... on appelle cela la première forme fondamentale, ou la métrique de la surface.

La métrique permet de calculer la courbure.

Et quand deux surfaces ont la même métrique, elles ont la même courbure. On dit que deux surfaces avec la même métrique (à une constante près) sont isométriques, ou qu’elles sont applicables l’une sur l’autre. Cela signifie que si je prends une paire de ciseaux et que je coupe en deux la caténoide, je peux la dérouler sur l’hélicoide. Ou alors je peux dérouler l’hélicoide sur la caténoide.


C’est bien pour cela qu’un cylindre a une courbure nulle : vous pouver couper le cylindre et le dérouler parfaitement sur un plan. Le plan ayant une courbure nulle, le cylindre a une courbure nulle. Notez que ce que je dis n’est pas uniquement valable pour le cylindre de base sphérique : c’est vrai pour tous les cylindres peu importe leur base.
Avatar de Recitasse Recitasse
Stylée.
On est dans la maths purs là.

Je me disais cependant pendant tout le long, "le caténoïde est homeopmorphe à la sphère"
Après je le suis souvenu qu'il y a variété à bord ou non. Ça veut dire que tu coupes les pôles de la sphère dans ce cas.

Le moment où j'ai pas pige c'est quand tu parles de coordonnées (x,y), alors qu'une sphère est en 3D (même si elle n'a pas de volume)

De même. Pour une sphère on a une courbure qui doit être nul au niveau des pôles non ?
Comment peut elle être égal à celle de du caténoïde dans ce cas.

Je suis physicien, donc étranger aux maths purs, hésitent pas à mettre des liens, je comprendrais tkt.
Avatar de HylienDivin HylienDivin 🙋🏻
Citation de Recitasse
Stylée.
On est dans la maths purs là.
Je me disais cependant pendant tout le long, "le caténoïde est homeopmorphe à la sphère"
Après je le suis souvenu qu'il y a variété à bord ou non. Ça veut dire que tu coupes les pôles de la sphère dans ce cas.
Le moment où j'ai pas pige c'est quand tu parles de coordonnées (x,y), alors qu'une sphère est en 3D (même si elle n'a pas de volume)

Tu peux repérer un point de la sphère par un couple (u, v) avec
x(u, v) = cos u . cos v
y(u, v) = cos u . sin v
z(u, v) = sin u

Tu peux voir que x(u, v)^2 + y(u, v)^2 + z(u, v)^2 = 1

Sinon tu as la projection stéréographique qui mappe la sphère privé d'un pôle sur le plan.

De même. Pour une sphère on a une courbure qui doit être nul au niveau des pôles non ?

Non la sphère est la seule surface de courbure constante positive partout. Elle est partout égale à 1 / R^2 . Mais il existe plusieurs surfaces de courbure négative constante.

Comment peut elle être égal à celle de du caténoïde dans ce cas.

C'est l'hélicoide qui est isométrique au caténoide, pas la sphère . :hap:
E = 1 , F = 0 , G = u^2 + a^2 pour la caténoide et l'hélicoide. :hap:
Pour la sphère c'est E = 1, F = 0, G = sin( v)^2 je crois. :(
Avatar de hallavar hallavar
Je dirais, que je fais un tour de la suface.
Pui je trace l'evolution de la longueur du chemin selon ma hauteur de départ.

Si ca fait un genre de fonction carré, je suis sur une sphere, ou un catetoide.

Pour l'espece de vis, je fait un tour de la surface, si je gagne en hauteur c'est que je suis sur la vis.
Avatar de Recitasse Recitasse
Citation de HylienDivin
Tu peux repérer un point de la sphère par un couple (u, v) avec
x(u, v) = cos u . cos v
y(u, v) = cos u . sin v
z(u, v) = sin u
Tu peux voir que x(u, v)^2 + y(u, v)^2 + z(u, v)^2 = 1

My bad le couplé x,y j'ai trop l'habitude, t'es en coordonnées sphérique. A


, avec tes angles.

Sinon tu as la projection stéréographique qui mappe la sphère privé d'un pôle sur le plan.
Non la sphère est la seule surface de courbure constante positive partout. Elle est partout égale à 1 / R^2 . Mais il existe plusieurs surfaces de courbure négative constante.
C'est l'hélicoide qui est isométrique au caténoide, pas la sphère . :hap:
E = 1 , F = 0 , G = u^2 + a^2 pour la caténoide et l'hélicoide. :hap:
Pour la sphère c'est E = 1, F = 0, G = sin( v)^2 je crois. :(

Ça passe par les tenseurs de Riemann là
https://image.noelshack.com/minis/2018/13/6/1522514698-risitassueurz.png
Avatar de HylienDivin HylienDivin 🙋🏻
J'ai jamais retenu les composantes des tenseurs de Riemann. Tout ce qu'on doit savoir, c'est qu'ils s'expriment avec les dérivées de E, F, G.

E, F, G sont les coefficients (variables) du lagrangien. Si ( u(t), v(t) ) est une courbe tracée sur ma surface, sa longueur est donnée par :

intégrale_0^t sqrt{ E( u(s), v(s) ) u'(s)^2 + 2 F( u(s) , v(s) ) u'(s) v'(s) + G ( u(s), v(s) ) v'(s)^2 } ds

Une géodésique, c'est une courbe ( u(t), v(t) ) de longueur minimale entre deux point. En "dérivant le lagrangien" on arrive á déduire l'équation des géodésique, qui n'est rien de plus que les équations d'Euler-Lagrande associées á ce lagrangien. :hap:

Tu peux le faire toi-meme. Si mon lagrangien est L(x, u, y, v) = E(x, y) u^2 + 2 F(x, y) u . v + G(x, y) v^2 alors tu peux retrouver les équations
Avatar de Recitasse Recitasse
Citation de BruitDesBottes
D'acc, tu fais en quoi ? Tu as quel objectif ?

Je voulais partir sur une thèse en robotique (d'où le départ en physique).
Mais j'ai test l'ambiance de labo et cest pas ouf je dois dire, je parle même pas du salaire.> >>HylienDivin
J'ai jamais retenu les composantes des tenseurs de Riemann. Tout ce qu'on doit savoir, c'est qu'ils s'expriment avec les dérivées de E, F, G.
E, F, G sont les coefficients (variables) du lagrangien. Si ( u(t), v(t) ) est une courbe tracée sur ma surface, sa longueur est donnée par :
intégrale_0^t sqrt{ E( u(s), v(s) ) u'(s)^2 + 2 F( u(s) , v(s) ) u'(s) v'(s) + G ( u(s), v(s) ) v'(s)^2 } ds
Une géodésique, c'est une courbe ( u(t), v(t) ) de longueur minimale entre deux point. En "dérivant le lagrangien" on arrive á déduire l'équation des géodésique, qui n'est rien de plus que les équations d'Euler-Lagrande associées á ce lagrangien. :hap:
Tu peux le faire toi-meme. Si mon lagrangien est L(u, v) = E(u, v) u^2 + 2 F(u, v) u . v + G(u, v) v^2 alors tu peux retrouver les équations.

Je vais essayer ça il doit bien y avoir des exosbsur le net https://image.noelshack.com/minis/2016/47/1480092147-1477945635-1465556572-elrisitassticker3-copy.png
Avatar de Zardoz Zardoz
Citation de Recitasse
Le moment où j'ai pas pige c'est quand tu parles de coordonnées (x,y), alors qu'une sphère est en 3D (même si elle n'a pas de volume)

La surface de la sphère est en 2D. Elle apparaît en 3D quand tu la plonges dans un espace 3D. Deux coordonnées suffisent pour repérer un point de la sphère (usuellement : latitude et longitude).
Avatar de HylienDivin HylienDivin 🙋🏻
Citation de Recitasse
Je vais essayer ça il doit bien y avoir des exosbsur le net https://image.noelshack.com/minis/2016/47/1480092147-1477945635-1465556572-elrisitassticker3-copy.png

Tu prends un point mobile sur un ressort : son lagrangien est Ecinétique - Epotentielle soit, en coordonnées réduites : V(x,u) = u^2 - x^2
Les équations d'Euler Lagrange donnent ( j'utilise D pour symboliser la différentiation ) :
Dx V = D t D u V
ce qui s'écrit :
Dt u = k ; c'est exactement le PFD.

Tu peux appliquer cela au Lagrangien L(x, u, y, v) = E(x, y) u^2 + 2 F(x, y) u . v + G(x, y) v^2 avec v la dérivée temporelle de y, u la dérivée temporelle de x . J'utilise ces notations pour bien découpler les variables. Tu vas calculer
1) D x L = D t D u L
2) D y L = D t D v L

C'est cela, l'équation des géodésiques.
Avatar de Recitasse Recitasse
Citation de HylienDivin
Tu prends un point mobile sur un ressort : son lagrangien est Ecinétique - Epotentielle soit, en coordonnées réduites : V(x,u) = u^2 - x^2
Les équations d'Euler Lagrange donnent ( j'utilise D pour symboliser la différentiation ) :
Dx V = D t D u V
ce qui s'écrit :
Dt u = k ; c'est exactement le PFD.
Tu peux appliquer cela au Lagrangien L(x, u, y, v) = E(x, y) u^2 + 2 F(x, y) u . v + G(x, y) v^2 avec v la dérivée temporelle de y, u la dérivée temporelle de x . J'utilise ces notations pour bien découpler les variables. Tu vas calculer
1) D x L = D t D u L
2) D y L = D t D v L
C'est cela, l'équation des géodésiques.

Je sais ce que c'est un Lagrangien
On voit ça ça terminal. https://image.noelshack.com/minis/2017/04/1485259037-bloggif-588741091e719.png
Je parlais dexo sur le tenseur de Rieman, que j'ai jamais utilisé. Ça m'a l'air intéressant.
Avatar de HylienDivin HylienDivin 🙋🏻
Citation de Recitasse
Je parlais dexo sur le tenseur de Rieman, que j'ai jamais utilisé. Ça m'a l'air intéressant.

En 2D (cas des surfaces) on n'a pas de tenseur de Riemann, ou plutot il se réduit á un seul scalaire qui est ... la courbure. :hap:

Mais ce qui est intéressant, c'est de montrer que la courbure ne dépend que de la paramétrisation de ta surface (et qu'elle est la meme quelque soit la paramétrisation). Si tu paramétrises ta surface par x(u, v), y(u, v), z(u, v), alors la courbure K s'exprime en les fonctions (et leurs dérivées) de x, y, z. On appelle ce résultat le théoreme merveilleux.
Le nombre K ne change pas non plus si tu prends une paramétrisation a(u, v), b(u, v), c(u, v) pourvu que tu te places au meme point de la surface.

Dans le cas 3D et plus... :nah:
Les calculs deviennent impossibles, et il n'y a pas une seule courbure mais plusieurs, une pour chaque dimension additionnelle en fait. :hap:
Mais la courbure principale, c'est la trace du tenseur.

Mais ca sert á rien de se lancer dans le tenseur de Riemann et les connexions si on ne comprend pas les surfaces.
Avatar de HylienDivin HylienDivin 🙋🏻
Citation de Draekoort
bah j'ai pas spécialement compris pq c'était pas possible dans le cas de la caténoide et de l'hélicoide
genre s'ils cartographient toute la surface de leur monde, ils devraient se rendrent compte un minimum de sa forme nn

Non, parce que peu importe les techniques de mesures utilisées, ils calculeront les memes angles, les memes distances, les memes aires.
Avatar de Recitasse Recitasse
Citation de BruitDesBottes
Le travail en labo, pourquoi t'as pas aimé ?

Aucune thune, pas d'organisation. Être chercheur en France c'est être en situation précaire. Plus les problèmes internes des labos.. Bon, ça m'a un peu coupé l’appétit.
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