A NNALES DE LA FACULTÉ DES SCIENCES DE T OULOUSE
G USTAF K OBB
Sur les solutions périodiques du problème de la rotation d’un corps autour d’un point fixe
Annales de la faculté des sciences de Toulouse 2
esérie, tome 1, n
o1 (1899), p. 5-30
<http://www.numdam.org/item?id=AFST_1899_2_1_1_5_0>
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SUR LES SOLUTIONS PÉRIODIQUES
DU
PROBLÈME DE LA ROTATION D’UN CORPS
AUTOUR D’UN POINT
FIXE,
PAR
M.GUSTAF KOBB,
à Stockholm.
Dans ses célèbres Mémoires sur la
Mécanique
céleste M. Poincaré a étudié dessolutions
périodiques
d’unsystème d’équations
différentielles de la forme sui-van te :
où les
Xv
sont des fonctionsdéveloppables d’après
despuissances
entières et po- sitives de x,, ..., x,t et de pL, ~u étant unparamètre
arbitraire.Il a montré que, si ce
système
admet pour = o une solutionpériodique
par rapport à t avec lapériode
03C4, il admet aussi engénéral
pour des valeurs trèspetites de
des solutionspériodiques,
dont lapériode
diffère trèspeu de T. Il en admet même avec la
période
r, s’il existe uneintégrale
dusystème
uniforme et
indépendante
de T.6
Nous allons
employer
la méthode de M. Poincaré à la recherche des solutionspériodiques
d’unsystème
bien connud’équations
différentielles de laMécanique rationnelle,
savoir lesystème qui
définit le mouvement d’un corps grave autour d’unpoint
fixe. Cesystème
est, comme onsait,
A, B,
C sont les moments d’inertieprincipaux
du corps parrapport
aupoint fixe,
xo, yo, Zo les coordonnées du centre de
gravité
du corpsquand
les axes sont lesaxes
principaux
aupoint
fixe et M la masse du corps.Dans une Note
publiée
dans lesComptes
rendus~’ ),
NI.Koenigs
a énoncél’existence des solutions
périodiques
de cesystème.
M’étant aussioccupé
derecherches
analogues
relatives à la mêmequestion, je
vaisdévelopper
dans lasuite les résultats que
j’ai
obtenus.Posons
on aura un
système
deJa
forme(i),
savoir :Si le
point
fixe est trèsprès
du centre de leparamètre ~.
a une valeurtrès
petite.
Nous savonsIntégrer
lesystème ( 2 )
pour p = o, et nous trouvonsoù po, ~o, ro, Yo,
Y~,, Yo
sont des fonctions doublementpériodiques
du temps( t),
dont la
période
réelle soit r, et celaquelles
que soient les valeurs initiales des variables.Nous allons
voir, maintenant, qu’il
existe des solutionspériodiques
du sys-tème
(2)
pour des valeurspetites de p.,
avec lapériode
r, dont les valeurs ini-tiales diffèrent très peu des valeurs initiales po,
Y~
des fonctions (i) II 1 Mai 1896.po, qo, Yo?
Yo*
Nous allonsdévelopper
ces solutionsd’après
despuissances de
et donner une méthode pour ]e calcul deproche
enproche
des coefficients,Soient s-
les valeurs initiales des variables p, l, n, y,
y’,
; àl’époque 03C4
ces variablesprennent les valeurs
on
Y t, ~? ’ ’ ’~ c~s
sontdéveloppables d’après
despuissances
entières etpositives
de
t,
..., y~3a
et de u. La condition nécessaire et suffisante pour que la solu- tion soitpériodique
est ainsiCes
équations
ne sont pasindépendantes.
Eneffet,
nous connaissons trois inté-grales
uniformes dusystème ( 2),
savoir :Les
quantités §
sont doncassujetties
auxéquations
De ces
équations
nous tirons03C81, 03C82
et03C86
en fonctions de03C83, 03C81, 03C85, qui
s’an-nulent ponr
On
peut
doncsupprimer
leséquations
Cela
exige
que le déterminant fonctionnelne s’annule pas pour
On aura
Nos conditions sont maintenant
Nous avons six variables
~~,
...,~36;
mais les trois dernières sontassujetties
àla condition -
de sorte que nous ne pouvons donner des valeurs arbitraires
qu’à
deux des~.
Po-sons, pour
simplifier,
Les fonctions
cL3, ~r~, c~~
sont des séries enfi, , p2, ~3
et p.,qui
s’annulent enmême
temps
que ces variables. Pourpouvoir
tirer deséquations (6)
les~3v
en sé- ,ries
de p.,
il fallait d’abord voir si ledéterminant
fonctionnelne s’annule pas pour
Mais p, q, r, y,
~~’, ~"
étant pour ~u == o des fonctions doublementpériodiques
de ï,
les
sont des fonctions assezcompliquées des ~,
de sorte que la discussion du déterminantpourrait
être difficile. Nousallons,
parconséquent, adopter
uneautre
méthode,
et, dans cebut,
cherchons d’abord s’il existe des sériespériodiques qui
satisfont formellement auxéquations ~2~.
Nous allons ainsi essayer
d’intégrer
lesystème
par des séries de la forme
où les coefficients de
~a
sont des fonctionspériodiques
du temps avec lapé-
riode T. On sait que ~a, q~, ro,
~’o, ~~
sont des fonctions doublementpério- diques,
dont lapériode
réelle est T. Substituons ces séries dans lesystème (2)
et comparons les coefficients des deux membres. Nous aurons, pour X = ï,
eL
ensuite,
pour ), = o, on retrouve leséquations
En
générale
on auraoù
H,, H~, H3
sont despolynômes qui
contiennent auplus
ensuite
où
Lt, L.,, L3
sont despolynômes qui
contiennent L auplus
Intégrons
d’abord lesystème (8),
que nous écrivonsCe
système dépourvu
des seconds membres n’est autre chose que leséquations
aux variations du
système (10).
Alors nous en connaissons troisintégrales parti- culières,
car le temps n’entre pasexplicitement
dans(10),
savoirPosons maintenant
et l’on aura
De la
première
de ceséquations,
nous auronset, en substituant cette valeur dans les deux autres,
On voit aisément que
sont deux
intégrales particulières
de ceséquations,
sans seconds membres. En-suite,
on auraOn peut montrer que les seconds membres sont des fonctions
périodiques
dutemps
avec lapériode
T. Dans cebut, multiplions
lapremière
deséquations (8)
par p0, la seconde par qo, la troisième par io et
ajoutons;
on auraensuite,
entenant compte des
équations
La
quantité
entreparenthèses
est une fonctionpériodique
dutemps.
Eneffet,
nous connaissonsl’intégrale
dusystème (2)
En substituant dans cette
équation
nos séries(7)
et en comparant les coefficientsdes différentes
puissances de
des deuxmembres,
on auraou
U,
étant une fonctionpériodique
connue dutemps. Ensuite,
on auraAinsi
cl’ou résulte
Substituons ces
expressions
dansy 5~,
on aura enfinEnsuite
Pour que a1 soit une fonction
périodique
dutemps
avec lapériode
03C4, il fautque l’accroissement du second membre
pendant
letemps T
soitnul;
ainsien
désignant
parla valeur moyenne de
F,
F étant une fonctionpériodique
dutemps
avec lapériode
T.Ensuite nous aurons
où a, est une nouvelle constante
arbitraire,
et enfinoù c~,,
),,
et v t sontdonnées par (16)
et(18).
On observe que a, t
peut
devenirinfinie,
mais d’une telle manière quep,, ~, et, rt restenttoujours
finies. Cela résulte immédiatement del’expression
de po,ro comme des fonctions doublement
périodiques.
Nous avons ainsi trouvé une solution
périodique
dusystème (8) qui
renfermedeux constantes
arbitraires,
les constantes),,
et v, étantassujetties
à la condi-tion
(iy).
’
Intégrons
maintenant lesystème (g)
que nous écrivons de la formeNous connaissons trois
systèmes d’intégrales particulières
de ceséquations
dé-pourvues de seconds
membres,
savoir les neuf cosinus directeurs .mais il est
préférable,
au lieu des a et~,
de choisir les combinaisons linéairesi
désignant
lesymbole ~/-
i. La solutiongénérale
dusystème (20)
sans secondmembre sera donc
Pour trouver la solution la
plus générale
dusystème (20)
avec les secondsmemnbres, appliquons
la méthode de la variation des constantes. On auraEn
multipliant
lapremière équation par b,
la seconde parb’,
la troisième par G’~ et enajoutant,
nous auronsen vertu des relations
et, d’une manière
analogue,
Ensuite on aura
Ct, C2
etC3
par desquadratures. Étudions
maintenant les fonctions dans les seconds membres. On a,d’après
M.Hermite (i)
et enadoptant
t.ses
notations,
( 1 j Sur quelques applications des
fonctions elliptiq~ues,
p. 3.~.ou ce, 1, et v sont des constantes et cc est une fonction linéaire du
temps
Ainsi, H’~",
étant des fonctionspériodiques
dutemps,
on auraoù P est une fonction
périodique.
EnsuiteP,
est une nouvelle fonctionpériodique
et(;,
une constante. De mêmeEnfin,
en introduisant les valeurs deH(1)1,
’H(1)2, H(1)3
i 3 dansl’expression
~ dedC3 dt,
clton trouve
Alors,
nous auronsen posant t
Par
conséquent,
l,,~~, ~~~
sont aussi des fonctionspériodiques
du temps. Ilest clair que les
expressions ~~~, Y;
sontréelles,
lesquantités
étant des
quantités conjuguées.
Au commencement de nos
recherches,
nous avonsposé
c’est-à-dire nous avons
supposé
que lesséries 03B3, y’, y" pour t
= o se réduisentAlors il faut que ~~,, >
y~
s’annulent pour t == o.Cela nous donne les
équations
Mais le déterminant
il s’ensuit
pour t == o.
C;~
étant une constante, nous la choisissonségale
à zéro. Ensuiteen vertu des
expressions
deH~, ~I.’~, H3
et les relations bien connues entre lecosinus directeurs. ’
En substituant les valeurs de pj ,
prises
de(i3~,
en tenant compte de), (10)
et(18~,
nous auronsoù
A,
etA2
sont deux fonctions de t entièrement connues.Après l’intégration,
ilfaut
partout
poser t= o.Ces deux
équations
etl’équation
font connaître les trois constantesa,
et v, . Elles ont la formede sorte que la condition nécessaire et suffisante pour que l’on
puisse
déterminerle s constantes
1,,, v,
tpar ( 23 )
seraCette condition
remplie,
nous avonsintégré
leséquations (8)
et(g)
par six fonctionspériodiques
de lapériode ~
dont,
en outre, les trois dernières s’annulent pour t = o. Substituons ces valeurs dans leséquations (12)
et(i3~
etposons ), =
2. En lesintégrant,
nous trouvonset ainsi de suite.
Supposons
maintenant que nous ayons trouvé tous les coeffi- cientsdep,
q, r, y,~~, jusqu’à
l’ordre n - i ; nous allons voirqu’il
estpossible d’intégrer
leséquations qui
déterminentPosons ~, = n dans les
équations (12)
où les r
dépendent,
auplus,
des coefficients d’ordre ra --1; elles sont, par con-séquent,
des fonctions connuespériodiques
dutemps.
Nous connaissons trois in-tégrales particulières
deséquations (~~)
sans secondsmembres,
savoir :de sorte que nous posons comme auparavant
Un
calcul
tout à faitanalogue
à celui que nous avons fait pour jt = I, nousdonne
et,
ensuite,
yon et sont des constantes arbitraires.
Nous allons montrer que les
intégrales
dans les seconds membres sont des fonc- tionspériodiques
dutemps.
Eneffet,
on obtient aisémentI)’autre
part,
nous avons les troisintégrales premières
de notresystème (2)
Substituons les séries
(7)
dans lespremiers inembres, développons d’après
lespuissances de
et écrivons que les coefficients den
doivent être des constantes.Ainsi,
où
Un, V;l
etdépendent
seulement des coefficients d’ordre inoins que rz;elles sont, par
conséquente
des fonctions connuespériodiques
dutemps.
En ob-servant que _ - _ , ~ _ .,
on
obtient,
des deux dernièreséquations,
où
V~t
est aussi une fonctionpériodique
connue dutemps qui
s’annule pourt = o.
Ainsi,
leséquations (16) prennent
la formed’où il résulte
Enfin,
en substituant ces valeurs dansl’expression
de on aura par unequadrature analogue
à celle obtenue pour La condition pour que a,i soit unefonction
périodique,
savoir : .--., --,nous donne une relation de la forme
mais,
v~ étant des fonctionspériodiques
du temps, sont aussi des fonctionspériodiques
dutemps. Passons, ensuite,
auxéquations (i 3)
pour À=: /xAinsi
ne
dépendent
que des coefficients d’ordre moins que n, de sortequelles
sont des fonctionspériodiques
connues du temps.On voit aisément
qu’on peut Intégrer
lesystème (30)
exactement de la même manière que lesystème (20).
On obtientoù les a et les b ont la même
signification qu’auparavant. Ensuite, C‘;t’, C~‘’
sont déterminées par
d’où résulte facilement
Nous allons voir que le second membre est la dérivée d’une fonction
dique
dutemps.
Eneffet,
nous auronsd’après (i i).
Mais laquantité
entreparenthèses
estégale
à(27),
de sorte queQuant
auxG’~l’
etG9;’’,
elles ont la même forme queC,
etC2
et,d’après
laforme de
H’.;, H~,
on remarquequ’elles dépendent
des constantesabsolument de la même manière que
C,
etC2 dépendent
de a,,À,
et v,.Il en résulte d’abord
que’1’ll,
sont des fonctionspériodiques
dutemps,
C~
et. ayant la formeet,
ensuite,
que la condition que~~~
s’annulentpour t
= o nous donneraLes deux
premières équations
ont, enemployant
les notations(23),
la formeMais ~,1
et v,i sont encoreassujetties
à la conditionou
de sorte que la détermination des constantes
d’intégration
esttoujours possible
si le déterminantest différent de
zéro,
ce que nous avonsdéjà supposé.
Ainsi,
ayantsupposé qu’un
calculpréalable
nous ait fait connaître les coeffi- cients de nos séries(7) jusqu’à
l’ordre(n - t)
comme des fonctionspériodiques
du temps, nous pouvons
toujours déterminer
les coefficients d’ordre n comme des fonctionspériodiques
du temps. Observons aussiqu’ils
sontcomplètement
déterminés par la condition
Par
conséquent,
le calcul forme! ne s’arrêtejamais
et il existe des sériesqui,
substituées dans(2),
y satisfont formellement auxéquations
et dont lescoefficients sont des fonctions
périodiques
dutemps. Enfin,
les séries de y,~’, v~~
se
réduisent, pour t
= o, à- -
--
ou aux valeurs initiales de
~ô
et‘~’~,
dont nous sommespartis.
Passons maintenant à la démonstration de la convergence de nos séries. Nous
avons
déjà indiqué
les difficultésqui
seprésentent
enpartant
de la solutionpériodique
," "des
équations (2)
Ces difficultésproviennent
du fait que lesaccroissements A
deviennent des fonctions assezcompliquées
des variables~.
Onpeut pourtant
les tourner de la manière suivante : posons ..et choisissons les x et les y comme variables au lieu de p, q, r, y,
~’, y", yfl.
Leséquations (2)
deviennent .Pour ~,
= o, cesystème
devientidentique
auxsystèmes (8)
et(g). Ainsi,
nous, connaissons une solution
périodique
du temps avec lapériode
T dusystème (31~
pour = o, savoir
et, du reste, nous savons
quelle
est la seule pourlaquelle
Y,, s’annulent pour t = o.Appliquons, maintenant,
la méthode de Poincaré en prenant cette solutionpériodique
commepoint
dedépart
et voyons si lesystème ~3i)
ne comporte pas aussi pour des valeurs trèspetites
de p une solutionpériodique
avec lapériode
telle y3 s’annulent
pour t
= o.Au lieu de
prendre
comme variables les valeurs initiales des x et des y et,ensuite,
de les déterminer defaçon
que les accroissements des etdesjr, pendant
la
période
T,s’annulent,
nous pouvons évidemment aussi bien choisir les con- stantesd’intégration qui
se trouvent dans lesexpressions
rt,~~, y~.
.En
effet,
l’existence de la solutionpériodique
pour = odépend
d’un choix con-venable de ses constantes.
Observons d’abord que les accroissements des x et des y ne sont pas
indépen- dants,
parcequ’il
existe troisintégrales premières
deséquations (2).
Nous avonsd’où il
résulte;
en introduisant nos variables x ety et en divisant par p.,Le déterminant fonctionnel
n’étant
pas nous sommes certains que les accroissements de x2, x3, Yt s’annulent si les trois autres le font.Appelons
ainsiles accroissements de x,, ~~~
pendant
lapériode
~; leséquations
à satisfairepour l’existence des solutions
périodiques
sont, parconséquent,
Soient
les valeurs initiales dés variables x et y pour u = o, et
les valeurs initiales pour nous savons que
~x,, ~y3
sont des séries pro- cédantd’après
despuissances
entières etpositives de ~
et de ~,. Ainsi deséqua-
tions
(82)
il faut tirer trois desquantités ~
comme des fonctions des trois autreset de
Mais,
au lieu deprendre les ~
commevariables,
nous en introduisons d’autres de la manière suivante.Les
équations (31)
ont pour ~. == o lesintégrales (21)
ou
et a,,
),,,
v, contiennent les constantes additives?,,,
v,. La solutionpério- dique
résulte d’un choix convenable des constantesc~,, ~~,,
v,,Ci, C2, C3.
De ce
système
de constantesd’intégration
nous obtenons les valeurs initialescorrespondant
à la solutionpériodique.
Donnons maintenant aux constantes depetits accroissements
les valeurs
correspondantes
des accroissements des valeurs initiales sont11 est facile de voir que
âC~
et~Cz
sont des fonctions linéaires ethomogènes
de
~a,, w,,
Posons maintenantil est clair que
deviennent des séries en Calculons ces séries pour
= o. comme x,, y2, y;; pour ~. = o se réduisent à p,,
v’" ~~~, cela
revientà calculer
On voit immédiatement que
ou, en
employant
les notations(23),
Passons maintenant à
039403B3’1;
nous avonset
La fonction sous le
signe
somme est de la formeoù P(t) est une fonction
périodique
dutemps
de lapériode
T.on est aussi une fonction
périodique ;
de mêmeEn observant a’ contient le facteur ei(03BBu+v), b’ le facteur
e-i(03BBu+v),
et que 03B3’0 estune fonction
périodique,
nous voyons a la formeet de même
augmente avec w, a’ et a" reprennent leurs valeurs initiales
multipliées
par an certain facteur e"’, et b’ et h" deviennent
multipliées
par e-m, de sortenous aurons
Par
conséquent,
nous aurons, en introduisant la valeur de ’En supposant
d’après quelques transformations,
ceséquations
deviennent,Ces
équations
permettentd’exprilner
trois desquantités dv,, dC, ~~~>
comme fonctions des trois autres de nos six inconnues et de ~,. Mais nous avons
vu
qu’en
choisissant~,,, ~~
comme variables il estpertuis
de donnerà deux
des ~
des valeursarbitraires,
et, dans le calculformel
de nos sériespé- riodiques,
nous avonsposé
Il résulte des formules
(33)
que nous devons avoirou, le déterminant des seconds membres n’étant pas
nul,
Nous avons
et la
fonction,
sous lesigne
somme, est une fonction linéaire de aj ,).,
,~~ de sorteque
ôC1
devient une fonction linéaire ethomogène
de~C,
en .introduisant les notations
(23),
deviendrade même
Ainsi,
les conditionsnous donnent deux
équations
linéaires ethomogènes
entre03B4a1, 03B403BB1, 1,>j , 03B4C1, 03B4C2
et, de
plus,
,*
de sorte que nous aurons enfin les
équations
Le déterminant des termes linéaires des seconds membres
devient, après
unelégère transformation,
Alors,
sinous pouvons résoudre les
équations (3~~,
et nous obtenons nos six inconnuescomme des séries en r
qui
s’annulent avec p, et, parconséquent,
aussien fonction de
Ainsi,
pour des valeurs assezpetites de po,
il existe un et unseul
système
de valeurs initiales de x., x3, ’1 y1, tel que la solutioncorrespondante
deséquations
différentielles(3t)
serapériodique
et telle que IY2, Y3 s’annulent pour t = o.Ainsi,
connaissant apriori
l’existence d’une tellesolution
périodique,
nous savonsqu’elle
estdéveloppable d’après
despuissances
de po;
mais,
d’autre part, le calcul formel que nous avons fait nous a montrequ’il
ne peut existerqu’un seul système
de séries x,, x~, y, , y~,, y3 en ~, dontles coefficients sont des fonctions
périodiques
dutemps
et telles y~s’annulent pour t == o.
’
Par
conséquent
les séries obtenues par le calcul formel sont convergentes etreprésentent
bien la solutionpériodique.
Le déterminant comme nousvoyons,
identique
au déterminant A.Au lieu de choisir
et, par
conséquent,
nous avions pu donnera deux de ces
quantités
des valeurs arbitraires trèspetites,
ces
quantités
étantassujetties
à la conditionIl
existe,
parconséquent,
une double infinité de solutionspériodiques.
Enfin,
pour l’existence d’une solutionpériodique
dusystème (3 1),
il suffit que leséquations (34)
soientsatisfaites,
ou, en tenant compte de la condition(35),
que les
équations (36)
.soient satisfaites.
Alors,
si une au moins desquantités
est différente de
zéro,
nous pouvonstoujours
résoudre cesystème,
et l’on s’assure facilement que cela n’arrive pas engénéral.
On trouve, eneffet,
où E et K
désignent
comme ordinairement lesintégrales complètes de
la secondeet de la
première espèce.
Ainsi,
dans le domaine dechaque système
de valeurs initiales30
il existe en
général
une double infinité de valeurs itiitiales,qui correspondent
àdes solutions