Solution des deux problèmes de trigonométrie sphérique énoncés à la pag. 64 du présent volume et de divers autres problèmes analogues
Annales de Mathématiques pures et appliquées, tome 20 (1829-1830), p. 137-151
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I37
Solution des deux problèmes de trigonométrie sphérique énoncés à la pag. 64 du présent
volume et de divers autres problèmes ana-
logues ;
Par M. G. P.
AVANT
de nous occuper desproblèmes
énoncés à la pag.64
duprésent
volnme et dequelques
autresproblèmes qui
se rathlchentà
ceux-là,
nous allonsreprendre sommairement,
enessayant
dela
simplifier
un peu et de lacompléter,
une intéressante théorieprésentée
par fit.Maguus, de Berlin, à
la psg. 33 du XVI.me vo- lume des Annales. Pourcela,
nous nous proposerons ceproblème : PRGBLÈME. Quelle
est lasurface conique
lieugéométrique
de toutes les droites menées par un même
point
del’espace,
detelle sorte que la somme ou la
différence
desangles formès
par chacune delles avec deux droitesfixes,
menées par cemême point,
soit constamment
égale à
unangle
donné degrandeur ?
Solution.
Soitpris
lepoint
dont ils’dgit
poarorigine
des coor-données
reclangulaires, auxquelles
nous supposerons d’aillears une difectionquelconque.
Soient alorsrespectivement a
eta’, b
etb’,
c et c’ les cosinus tabulaites des
angles
que forment les deux droi-les fixes avec
les
trois axes ; nous auronset les
équations
de ces deux droites serontQUESTIONS
Désignant pareillement
parA, B,
C lescosinus tabulaires
des an-gles
que forme lagénératrice
avec les trois axes, nous auronset’les équations de
cette’génératrice
serontSi nous
désignons
par 03B8 et 03B8’les’ angles variables, de grandeur
maisconstans de somtne ou de
différence,
que forage cettegénératrice avec
les deux droitesfixes,
etpar
22 leur somme ouleur diffé-
rence constante, nous aurons
d’ou
ou, en
transposant.
etquarrant,
ou
enfin,
endéveloppant, transposant
etréduisant,
mais
on ail viendra
donc,
ensubstituant,
mais d’un astre côté les
équations (3)
et(4) donnent
mettant
donc ces valeurs dans cettedernière,
et chassant les de-nominateurs,
nousobtiendrons
pourl’équation
de la surface co-nique cherchée,
Ainsi ,
lasurface conique
dont toutes lesgénératrices font,
avecdeux droites
fixes passant
par son sommet, desangles
dont lasomme ou la
différence
est constante, est unesurface conique
du.second ordre. Ces deux droites fixes sont ce que M.
Magnus
a ap-pélé
leslignes focales de
la surfaceconique;
et, paranalogie,
lesdeux
angles
03B8 et 03B8’peuvent
en être dits lesangles
vecteurs. Il estaisé de voir que, pour une même surface
conique
de cette na-ture, c’est la somme ou la différence de ces deux
angles qui
estconstante, suivant que les
lignes focales
sontprises
toutes deuxdans une même nappe ou bien l’une dans une nappe et l’autre dans
son
opposée.
Supposons
que leslignes focales,
que nous avonssupposées quel-
conques par
rapport
aux axes descoordonnées,
soient tomes deuxdans le
plan
des xz et fassent dedifférens côtés,
avec l’axedes z,
des angles égaux
que nousdésignerons
par 03B3; nous aurons ainsiau moyen de
quoi l’équation (5),
de la surfaceconique,
deviendrasimplement
I40
Si,
pour avoirles
traces de la surfaceconique
sur leplan des
yz, on fait x=o, cette
équation
deviendra.ou Men encore
ou encore, en
réduisant,
ce
qui
donneraéquation
commune aux deux tracesqui,
comme l’onvoit, font,
depart
etd’autre,
desangles égaux
avec l’axe des z.Désignant par
03B2
l’un de cesangles,
on aurad’où
ce
qui
donnece
qui
lie entre eux les troisangles
a,03B2,
03B3.En
introduisant
dansl’équation (6),
pourSin.’1
etCos.203B3,
leursvaleurs
I4I
donnée
par cette dernièreéquation
etremplaçant respectivement
Cos.203B1 et Sin.203B1 par leurs
équivalens
Cos.203B12013Sin.203B1 et2Sin.03B1Cos.03B1,
on la réduit facilement à cette
forme
or, par un choix convenable des axes ,
l’équation
de toute sur-face
conique
du second ordre est aussi réductible à cetteforme ;
donc
réciproquement:
toutesurface conique
du second ordre estle lieu
géoinétrique de
toutes les droitesqui font,
avec deux droi-tes
fixes,
menées par son sommet, desangles
dont la somme oula
différence
est constante, suivantqu’on prend
ces deux droitesdans l’une des nappes ou bien
qu’on prend
l’une dans une nappeet l’autre dans son
opposée.
Les deuxangles
203B1 et203B2 peuvent
être dits lesangles
diamétrauxprincipaux
de la surfaceconique,
etla droite
qui
divisede
seslignes
focales en deuxparties éga-
les
petit
en être dite l’axe.L’équation
de la surfaceconique
étant sous la forme(5) ,
les axesdes coordonnées sont
quelconques
parrapport à elle ; en conséquence
nous pouvons
disposer
des indéterminées que renferme cetteéqua-
tion pour amener la surface
conique à
toucher leplan
des xz sui-vant t’axe des z. Il faudra pour cela
qu’en
posant y=o dans cetteéquation,
elle se réduise àx2=o;
mais elle se réduit alors àdonc,
pour que la surfaceconique
touche leplan des
xz suivantl’axe
des z,
il faut.qu’on ait ,
à lafois 1
Tom. XX. 20
I42 QUESTIONS
éliminant
entre ces deuxéquations,
on auraor comme,
dans
cet état dechoses,
la situation de la surface co-nique
demeure encoreindéterminée,
onpeut toujours
ladisposer
de telle sorte que c et cl soient
inégaux
ouque c22013c’2
nesoit pas nul ; donc
ondoit
avoirgénéralement
alorsou bien
ou encore
(I)
or, ce sont
précisément
là lesquarrés des
cosinus desangles que
forment les
plans
desangles
vecteurs avec leplan
des xz, c’est-à-dire,
avec leplan tangent ;
et , comme d’ailleurs ces deuxplans
ne sauraient se
confondre
ils doiventfaire,
avec leplan tangent,
desangles supplémens
l’un del’autre, c’est-à-dire,
desangles égaux pris
de différens côtés. On adonc
cette autreproposition :
Les
plans tangent
et normal à unesurface conique
du secondordre ,
suivant unegénératrice quelcenque,
divisent endeux par-
ties
égales
lesquatre angles
dièdres queforment,
par leur ren- contre, lesplans
desangles
vecteurs de cettegénératrice (*).
(*)
On peut suivre une marche absolumentanalogue
à celle-ci, dans la dis-cussion
analytique
despropriétés
des sectionsconiques,
relativement à leurI43
Si l’on
conçoit
unesphère
de rayonquelconque, ayant
mêmecentre que la surface
conique,
on conclura de cequi précède
lespropositions
suivantes :foyers;
comme cette marche n’est pasdépourvue
d’une certaineélégance, et
comme elle peut offrir un exercice utile aux commençans, nous
rindrque-
rons ici
rapidement.
Soient (03B1, 03B2), ( 03B1’, 03B2’) deux
points pris
arbitrairement sur leplan
dedeux axes
rectangulaires,
et proposons.nousd’assigner
le lieugéométrique
de tous les
points
(x,y) de ceplan
dont la somme ou la différence des dis- tances auxpoints
donnés estégale
à unelongueur
constante zg,Soient r et r’ ces deux distances, nous aurons
d’où en quarrant et
transposant
quarrant de nouveau , il viendra
or, on a
« où
en substituant donc, nous aurons, pour
l’équation
du lieucherché,
c’est donc une
ligne
du second ordre.1. Le
lieu géométrique
de tous lespoints
de lasurface
d’unesphère
dont la somme ou ladifférence
des distancessphériques à
deux
points fixes
de cettesphère
estconstante ,
est la courbeà
double
courbure,
intersection de cettesphère
avec unesur f ace
co-nique
du secondordre, qui
a le même centrequ’elle.
Si l’on suppose que les deux
points
fixes sont sur l’axe des x, à une dis-tance c de part et d’autre de
l’origine,
on auraau moyen de
quoi l’équation
(I) deviendrasimplement
en y faisant x=o et
désignant
ta valeurcorrespondante
de y3 par±b2,
le
signe
étant choisi de manière à avoir b réel, il viendraintroduisant cette valeur de c2 dans
l’équation
(2), elle deviendraet l’on sait que
l’équation
de touteligne
du secondordre qui
a un centreest réductible à cette forme.
Ainsi’,
le lieugéométrique
de tous lespoints
d’unplan
dont la somme ou ladifférence
des distances à deuxpoints fixes,
pris sur ce plan, est constarite, estune
ligne
du second ordre pourvue d’un centre ; et réciproquement, touteligne
du second ordre pourvue d’un cent-re est un pareil lieu.
La courbe exprimée par l’équation (i) étant
quelconque
par rapport aux.axes, nous pourrons
profiter
des indéterminées que renferme cetteéquation
pour amener cette courbe à toucher l’axe des x à
l’origine.
Il faudra pour ce la qu’enfaisant y=o
dansl’équation
(1) elle se réduise à x2=o; or, elle devient ainsiRéciproquement:
toute courbe à doublecourbure,
intersection d’unesphère
avec unesurface conique
dusecond
ordre de mêmecentre, est le lieu
géométrique
de tous lespoints de cette sphère
dont la somrne ou la
différence
des distancessphériques
à deuxpoints fixes
de sasurface
est unequantité
constante.afin donc que l’axe des x soit tangent à la courbe à
l’origine,
il faudra qu’on ait, à la fois,éliminant a entre ces deux
équations, l’équation
résultante pourra être misesous cette forme
ou sous celle-ci
Or comme, avec ces conditions même, la situation de la courbe demeure
encore indéterminée, on peut
toujours
faire en sorte que r et r’ soientinégaux,
ou que r2-f’2 ne soit pas nul; donc on doit avoirgénéralement
alors
or, ce sont
précisément
là les quarrés des tangentes tabulaires desangles
que font les deux rayons vecteurs de
l’origine
avec l’axe des x ,c’est-à-dire,
des
angles
que font les deux rayons vecteurs d’unpoint
de la courbe avecI46 QUESTIONS
Cette courbe à double courbure est constamment
composée
dedeux
parties
entièrementfermées,
extérieures l’une àl’autre,
con- tenant chacune deuxfoyers;
ellepeut
être diteellipse
ouhyper-
bole
sphérique,
suivantqu’on
choisit les deuxfoyers
dans l’une deces deux
parties
ouqu’au
contraire on enprend
un dans chacune Onconçoit
d’ailleursqu’il
ne saurait y avoir ici deparabole.
II. Les arcs de
grands
cerclestangent
et normal en unquelcon-
que des
points
del’ellipse
ou del’hyperbole sphérique
divisent endeux
parties égales
lesquatre angles formés
par les deux arcsvecteurs de ce
point.
On pourra donc décrire une
ellipse ou
unehyperbole sphérique,
soit par
points
soit d’un mouvementcontinu;
on pourra lui me-ner une
tangente
ou une normale par l’un despoints
de sonpé- rimètre,
ou encore lui mener destangentes
par unpoint extérieur,
par des
procédés
tout à faitanalogues
auxprocédés
degéométrie plane
à l’aidedesquels
on résout les mêmesproblèmes
par rap-port
aux sectionsconiques.
-Si l’on suppose que le rayon de la
sphère
croîtjusqu’à
deve-nir
infini,
on retombera sur toutes lespropriétés connues
des sec-tions
coniques
pourvues de centre ;d’où ,
ensupposant
ensuite que legrand
axe devientinfini ,
on passera à celles de laparabole.
Lacourbe
sphérique
à double courbure deviendra d’ailleursellipse
ouhyperbole,
suivant que leplan tangent
aveclequel
la surface dela
sphère
tendra à se confondre aura sonpoint
de contact au cen-tre de la courbe
sphérique
considérée commeellipse,
ou, au con-sa tangente en ce
point ;
et, comme d’ailleurs ces deuxangles
ne sauraientêtre
égaux,
il s’ensuit qu’ils doivent êtresupplément
l’un de l’autre ouqu’ils-
doivent être égaux de différens côtés.
Ainsi, dans toute ligne du second ordre pourvue d’un centre , la tangente et
la normale en un
point quelconque
divisent en deuxparties égales
les quatre an.gles formés
par les deux rayons de cepoint.
J. D. G.
I47 traire au centre
de cette courbe considérée commehyperbole (*).
Ces
préliminaires
ainsiétablis,
passons auxquestions proposées
et aux autres
qui s’y rattachent
et dont la solutionpeut
être fa- cilement déduite de celle d’unproblème général
que nous allonsd’abord
nous proposer.PROBLÈME GÉNÉRAL. Quel
est lepoint
de lasurface
d’unesphère
dont la somme des distancessphériques
auxcirconférences
de trois cercles tracés sur cette
sphère
est la moindrepossible ?
Solution. Soient
C, CI ,
C" lespôles
des trois cercles et soit P lepoint
que l’on suppose résoudre leproblème.
Il est d’abordclair que les arcs de
grands
cerclesqui joindront
lepoint
P auxtrois circonférences devront être les
plus
courtsqu’on puisse
leurmener de ce
point,
etqu’ainsi
il faudra que ksprolongemens
deces arcs
passent
par lespôles respectifs
de ces trois cercles. SoientA, A’, A"
lespoints
où ces arcs rencontrent leurscirconférences,
de manière que la somme d’arcs
PA+PA’+PA"
soit la moindrepossible. Si,
d’un autrepoint Q
de la surface de lasphère,
on veutconduire à ces mêmes circonférences des arcs de
grands
cercles dont la somme soit la moindrepossible ,
il faudrapareillement
que lesprolongemens
de ces arcspassent
par leurspôles,
et si l’on dé-signe par B, B’, B"
lespoints
où ils rencontrent leurs circonfé-rences; pour que le
point
P résolve effectivement leproblème,
ilfaudra qu’on ait, quel
que soitQ,
(*) Tout semble sans cesse nous ramener, comme
malgré
nous, vers cette penséephilosophique
que la véritablegéométrie,
lagéométrie
fondamentalepourrait
fort bien être lagéométrie sphérique,
dont alors lagéométrie plane
ne serait
plus qu’un
casparticulier,
un pur accident.J. D. G.
I48
mais on a
aussi, quel
quesoit Q, AC=BC, A’C’=B’C’, A"C"=
B"C",
et, parconséquent,
donc,
enajoutant
on devra avoiraussi
,quel
que soitQ,
on
plus simplement
ce
qui
nousapprend
que la somme des distancessphériques
dupoint
cherché P aux
pôles
des trois cercles doit être la moindrepossible.
Supposons
doncqu’il
en soitainsi
et soit décrite uneellipse sphérique ayant
lespoints
CI et C" pourfoyers
et passant par lepoint P ;
ensupposant
lepoint Q
sur lepérimètre
de cetteellipse,
on aura
d’où il
suit,
enretranchant qu’on
devra avoirdonc PC devra être normal à
l’ellipse sphérique
enP,
etdevra conséquemment
diviser en deuxparties égales l’angle
C’PC" des deux rayons vecteurs PCI et PC".Or ,
comme oupourrait
rai-sonner tour à tour sur chacun des
points
C’ etC",
comme nous venons de le faire sur lepoint C,
il s’ensuit que chacun des arcsPC , PC’,
PC" doit diviser en deuxparties égales l’angle
formépar les deux autres; ce
qui
revient a dire que ces trois arcs doi-vent former des
angles égaux
autour dupoint
P. On a doue lethéorème
général
que voici :I49 PREMIER THÉORÈME GÉNÉRAL. Le point
de tasurface
d’une sphère
dont la somme des distancessphériques
aux circon-férences
de trois cercles tracés sur cettesphère,
est la moindre pos-sible,
doit être tellement situé que les arcs degrands
cerclesqui
le
joindront
auxpôles respectifs
de ces troiscercles , forment
au-tour de lui des
angles égaux
entre eux et àquatre
tiersd’angle
droit.
Si l’on
conçoit
des cônes droitsayant
leur centre commun aucentre de la
sphère,
etpassant respectivement
par ces troiscercles
on déduira de là cet autre théorème:
DEUXIÈME THÉORÈME GÉNÉRAL.
La droitequi,
par- tant du sommet commun de trois cônesdroits , fait
avec les sur-faces
de ces c6nes desangles
dont la somme est lamoindre possi- ble,
doit être tellement située que lesplans
conduits par cettedroite ,
et par les axes des troiscônes forment
autour d’elle desangles
dièdres -égaux
entre eux et àquatre
tiersd’angle
droit.Si l’on suppose, dans le
premier
théorèmegénéral ,
que le rayonde la
sphère
croitjusqu’à
devenirinfini,
le théorème ne cesserapas d’être
vrai ,
et alors il sechangera
en celui-ci:TROISIÈME THÉORÈME GÉNÉRAL. Le point
duplan
detrois cercles dont la somme des distances à leurs
circonférences
est la moindre
possible,
doit être tellement situé que les droitesqui
lejoindront
aux centres de ces troiscercles , forment
autourde lui des
angles égaux
entre eux et àquatre
tiersd’angle
droit.Présentenlent,
comme la vérité de ces théorèmes estindépen-
dante de la
grandeur
des cercles ou de l’ouverture des cônesqu’on
y
considère,
on pourra, sansqu’ils
cessent d’êtrevrais,
supposer que tous oupartie
des cercles ou des cônes se réduisent à despoints
ou à des droites. On pourra aussi supposer, dans le pre-mier,
que tous oupartie
des cercles deviennent desgrands
cer-cles de la
sphère :
dans lesecond,
que tous oupartie
des cônesdeviennent
desplans ,
etenfin ,
dans letroisième,
que tous oupartie
des cercles deviennent des droites indéfinies. Enépuisant
tou-Tom. XX. 2I
QUESTIONS
tes, les combinaisons
quepeuvent
offrir cesdiverses hypothèses,
onreconnaîtra que chacun
de
cesthéorèmes
enrenferme implicitement dix, servant à résoudre
unégal
nombrede, problèmes (*), Mais
ilfaut
re-marquer
que, tandis
que lesproblèmes qui répondent
aux deux,premiers
sontgénéralement
tous.possibles, plusieurs
dequi répondent
autroisième
sontgénéralement impossibles
moinsqu’ils
ne
tombent
dansl’indétermination. Comme
l’examen des cas par-ticulièrs
nesaurait , d’après
cequi précède,
offrir aucunedifficulté,
nous nous
bornerons
ici à énoncer ceuxqui
avaient étéproposés,
et
qui
ontdonné
naissance à cet essai.1. Le point
de l’intérieurd’un triangle sphérique dont
la sommedes distances
sphériques
à sestrois
sommets est la moindre pos-sible, doit
être tellement situé que lesarcs
degrands cercles, qui
le
joindront
à cesrnémes sommets, forment,
autour delui,
des an-gles égaux entre
euxet
àquatre tiers d’angle droit.
Il.
Le point
del’intérieur
d’untriangle sphérique dont
la sommedes distances
sphériques
à ses trois côtés est la moindrepossible ,
doit être tellement
situé
que les arcs degrands
cerclesqui le join-
dront aux
pôles
de ces mêmescôtés,
sommets de sonsupplémen- taire, forment
autour de lui troisangles égaux
entre eux et à qua-tre tiers
d’angle
droit.Leurs
analogues
dansl’espace
sontles suivans :
,
I. La
droitequi, menée
parle
sommet d’unangle trièdre,fait
avec ses arêtes des
angles
dont la somme est la rnoindrepossible,
doit être tellement située
qu’en
lajoignant
à ces mêmesarêtes par trois plans ,
cesplans forment,
autourd’elle,
desangles dièdres
égaux
entre eux et àquatre
tiersd’angle
droit.(*) Les dix
problèmesqui répondent
au troisièmethéorème,
ainsi quebeau-
coup d’autres du même genre, ont été traités dans ce recueil ( tom.
I,
pag,375
).J. D. G.
RESOLUES.
I5III. La droite
qui, menée
par le sommet d’unangle trièdre, fait
avec ses
faces
desangles
dont lasomme
est là moindrepossible,
doit
être tellement
situéequ’en
lajoignant
auxperpendiculaires
conduites par le sommet à ces mêmes
faèespar
troisplans ,
cesplans forment,
autourd’elle,
desangles égaux
entre- eux et à qua-tre tiers
d’angle
droit.L’analogue
dupremier
deces ’théorèmes,
dans lagéométrie plane
est le suivant :
( Le
point
de l’intérieur d’untriangle rectiligne,
dont la sommedes distances à ses trois sommets
est
la moindrepossible,
est lépoint
d’où l’on verrait ’ses trois côtés sous desangles égaux
entreeux et à
quatre
tiersd’angle
droit(*).
Quant
àFanalogue plan
du secondproblème,
il- estindéterminé
si le
triangle
estéquilatéral,
et, dans le cascontraire,
il estimpos-
sible en ce
sens que
lasomme
des distances d’unpoint
à ses troiscôtés, prises avéc leurs signes, peut
avoir toutesles valeurs
entrel’infiui
positif
et l’infininégatif.
Lyon,
le I7d’août I829.
(*)
Quelqu’un,
sans doute par trop deprécipitation,
a donné, pour so- dupremier problème sphérique,
lepoint
ou se coupent les arcs degrands
cerclesqui joignent
les sommets aux milieux des côtés opposés. S’ilen était ainsi , il s’ensuiwrâit que le
point de
l’intérieur d’untriangle
rec-tiligne,
dont la somme des distances à ses trois sommets serait la moindre pos- sible, devrait être le centre degravité
de la, surface de cetriangle;
cequi
est
généralement
faux,d’après
cequi précède.
Il y a
plus
de quarante ans que ce dernierproblème
m’aété proposé
par monprofesseur,
aucollége
deNancy
où j’étudiais alors. Je l’ai moi même pro-posé,
en I8I0, dans lepremier
volume duprésent
recueil où il a été ré- solu etgénéralisé
( pag. 285) par M. Tédenat, correspondant de l’Institut, alors recteur à Nismes Jé devais donc croireque cela
courait à peu près lesrues,
lorsque je
l’ai vu proposé de nouveau par M. Noël, dans le tom. V.mede la
Correspondance
deBruxelles,
où il se trouve résolu ( pag. 237) par M.Heichen.
J. D. G.