G ERGONNE
Optique. Solution de divers problèmes d’optique
Annales de Mathématiques pures et appliquées, tome 16 (1825-1826), p. 65-80
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65
OPTIQUE.
Solution de divers problèmes d’optique ;
Par M. GERGONNE.
PROBLÈMES D’OPTIQUE.
ApRÈS
avoirétudié ,
dans deuxprécédens
articlesles
loisgénérales qui régissent
les rayons de lalumière
soit dans leur ré- flexion soit dans leurréfraction ;
nousallons .
suivantl’engagement
que nous en avons
pris,
fairel’application
de ces lois àquelques exemples choisis ;
en nousbornant ,
pour leprésent,
au cas oittout se passe dans un
plan, lequel
embrasse aussiplusieurs
cas deréflexion et de réfraction à la rencontre des surfaces de
révolution ;
et en
renvoyant , pour
unprochain article,
lesproblèmes
dontla résolution
exige
inévitablement la considération des trois dimen- sions del’espace.
I.
Rappelons d’abord sommairement
lethéorème fondamental 3
et établissons les
équations générales qui s’en déduisent,
etqui
doi-vent
servir à la résolution desproblèmes
que nous avons/dessein de nous proposer Ce théorème consistesimplement
en ceque : à chaque trajectoire orthogonale
des rayonsincidens ,
ilrépond:
tou-jours
unetrajectoire orthogonale
desrayons réfractés
telle que , dequelque point
de la courbeséparatrice que
l’on mène des nor-males à ces deux
trajectoires
leslongueurs
de ces normales se-(*)
Voy.
la page 345 doprécédent
volume et la page 1. re de celui-ci.Tom. XVI ,
n.°III,
l.erseptembre
I825. 966
PROBLÈMES
ront
respectivement
entre elles dans lerapport
constant du sinusd’incidence au sinus de
réfraction.
Soient donc (t ,
u)
unquelconque
despoints
de la courbeséparatrice, (x’ , y’)
et(x , y) les pieds
des normales abais- sées de cepoint
sur les deuxtrajectoires ;
et supposons que le rap-port
du sinus d’incidence au sinus de réfraction soit celui de 03BB’à
03BB ;
on aura d’abordDe
plus ,
parce que les droites menées dupoint (t, u)
aux deuxautres sont
respectivement normales
aux courbesauxquelles
elles seterminent ,
on aura aussidifférentiant ensuite la
première
de ces troiséquations ,
etayant égard
aux deux autres , on trouvera en outreéquation
évidemmentcomportée
par les trois autres ; maisqu’on
pourra substituer avec
avantage
à l’une ou à l’autre deséquations (2)
et(21) , lorsque
la courbeséparatrice
sera donnée. Onvoit
que , dans ce
système d’équations ,
x , y et Afigurent
de la mêmemanière
que x’ , y’ et 03BB’ ;
et l’on n’aura pas lieu d’en êtresurpris,
si l’on considère que, le rayon réfracté étant
pris
pour rayon in-cident,
celui-ci devient rayonréfracté ,
et vice versâ. Il en résulte que , la courbeséparatrice
étantdonnée ,
leproblème
où l’oncherche la
trajectoire orthogonale
des rayonsincidens ,
à l’aide decelle des rayons réfractés n’est pas différent de celui où il
s’agit
de déterminer cette dernière
quand
l’autre estdonnée.
D’OPTIQUE. 67
Enfin les coordonnées de nos trois
points
doivent être liées parun
égal
nombred’équations
en t et u, x ety , x’
ety’ , lesquels
les ne sont autres que les
équations
même de nos troiscourbes ,
équations
que nousreprésenterons respectivement
parla
première appartenant
à la courbeséparatrice,
et les deux au-tres aux deux
trajectoires.
Lorsque,
cette courbeséparatrice
étantdonnée ,
ondei-nandera
de déterminer l’une destrajectoires
parl’autre,
il nes’agira,
pourcela ,
qued’éliminer
au lesquatre quantités
t, u ,x’ , y’ ,
entreles
cinq équations (I) , (2’) , (3) , (4) , (5’) ,
ou bien lesquatre
quantités
t, u , x , y , entre lescinq équations (I) , (2) , (3) , (4), (5) ;
etl’équation
résultante en x et y ou en xret yI ,
seral’équa-
tion de la
trajectoire
cherchée.Si ,
aucontraire,
ils’agit
de déterminerla séparatrice ,
au moyen des deuxtrajectoires ,
on yparviendra
en éliminant x, y,xl , y’ ,
entre les
cinq équations (1) (2) , (2’) , (5) , (5’) ;
cequi conduira-
à une
équation
en t et u,qui
sera celle de la courbedemandée.
Quant
auxproblèmes
relatifs à laréflexion ,
on les résoudra àl’aide des mêmes
formules
, en yposant préalablement 03BB+03BB’=0.
II. Dans les
applications qui
vontsuivre ,
nous supposerons cons-tamment que les rayons incidens émanent d’un même
point ,
quenous
prendrons
constammentpour origine
descoordonnées
rectan-gulaires. Nous
aurons ainsi les deuxéquations,
qui remplaceront l’équation (51), ainsi que l’équation (2’) , qui
68 P R O B L È M E S
sera alors satisfaite d’elle-même. Nous n’aurons donc
plus à
nousoccuper que des autres ,
lesquelles
deviendront alorsSi l’on
donne la
courbeséparatrice
on trouvera latrajectoire orthogonale
desrayons réfractés ,
enéliminant
t et u entre les troiséquations (03B1) , (03B3) , (03B5).
Sic’est
, aucontraire,
cette dernière courbequi
estdonnée,
on obtiendra laséparatrice ,
en éliminantx
et y
entre les troiséquations (03B1) , (03B2) , (03B4).
Bien convaincus
d’ailleurs,
par unelongue expérience
que, dans lescalculs,
lesavantages
de lasymétrie l’emportent
encore sur ceuxde la
sinlplicité,
nous supposerons constamment que les données duproblème
sontdisposées, par rapport
auxaxes,
de lamanière
la plus générale.
III. Supposons , pour premier exemple y que la séparatrice
estune droite donnée par
l’équation
dans laquelle y
comme l’on - sait(a , b)
est lepied
dela
perpen- diculaire abaissée del’origine
sur cettedroite
et c lalongueur
decette
perpendiculaire.
Nous auronsau moyen de quoi l’équation (03B3) deviendra.
69 D’O PT 1 Q U, E.
ou bien
Eliminant
tour à
tour u et t entre cetteéquation
etl’équation
il
viendra "
enayant égard à
la relationa2+b2=c2 ,
et
de
la encoreEn
prenant
tour à tour la somme desquarrés
de cesdeux
derniè-res
équations
et la somme desquarrés
des deuxqui
lesprécèdent ,
on trouvera
successivement,
enayant toujours égard
àla relation
entre
a , b
et c, -70
PROBLÈMES
tirant de ces deux
équations
les valeurs de(t-x)2+(u-y)2
et det2+u2 ,
pour les substituer dansl’équation (03B1) ,
onobtiendra,
pourl’équation
de latrajectoire orthogonale
des rayonsréfractés ,
en di-visant par 03BB2-03BB’2
de sorte que cette courbe est une
ligne
du secondordre.
En
développant
et ordonnant cetteéquation
parrapport
auxpuis-
sances et
produits
depuissances
de Aet 03BB’ ,
elleprend
cette formeAjoutant
et retranchant tour à tour àchaque
membrele second membre deviendra un
quarré,
dans lesdeux
cas ;de
sorte
qu’en extrayant
lesracines,
on trouveraDans ces
équations, qui
ne sont que deux formesparticulières
de
l’équation
de latrajectoire cherchée ,
et dont toute combinai-son
appartiendra conséquemment
à cettetrajectoire,
lessignes
su-périeurs
et inférieurs ne secorrespondent
pas nécessairement et doi-vent être choisis suivant les
rapports
entre les données. Enprenant leur
somme , ilvient,
en divisant par03BB03BB’c ,
Or ,
lepremier radical exprime la
distance de l’unquelconque des
D ’ O P T I Q U E.
71points
de latrajectoire
àl’oribine ,
et l’autreexprime
la distancedu même
point
anpoint (2a , 2b) , c’est-à-dire ,
unpoint
sy-métriquement
situé avecl’origine
ou lepoint rayonnant ,
par rap-port
à la droiteséparatrice ;
donc cetteéquation exprime
que lasomme ou la différence des distances des différens
points
de lacourbe à ces deux
points
est unequantité
constante ; d’où il suit que ces deuxpoints
en sont lesfoyers , qu’elle
aconséquemment
son centre au
point (a, b) ,
que son excentricité est c et son demi-axe
03BB 03BB’ c ;
cette courbe est donc uneellipse
ou unehyperbole sui-
vant
que
estplus grand
ouplus petit
que 03BB’.De tout cela résulte le théorème suivant :
THÉORÈME
1. Deux milieuxhomogènes ,
de naturedifférente ,
étant
séparés
l’un de l’autre par unplan indéfini,
et des rayons incidens émanés de l’un despoints
de fun d’eux seréfractant
àla rencontre de
l’autre ;
ces rayons ainsiréfractés
seront tous nor- maux à une mêmesurface
de révolution du secondordre,
engen-drée par une section
conique ,
tournant autour de la droitequi
contient ses
foyers.
Le centre de cettesurface
sera lepied
de laperpendiculaire
abaissée dupoint rayonnant
sur leplan sépara-
teur ; ce
point
en sera un desfoyers ;
et son excentricité sera àson demi-axe dans le
rapport
du sinus d’incidence au sinus de ré-fraction ;
de sorte quela surface trajectoire
sera uneellipsoi’de allongée
ou unehyperboloïde à
deux nappes , suivant que le pre- mier milieu seraplus
ou moinsréfringent que
le second.On trouvera , dans un article inséré à la page 229 dit XI·me volume du
présent recueil ,
où nous avonsdéjà
démontré cetteproposition ,
lesprincipales conséquences qui
en résultent.IV. Examinons
présentement quelle
directionprennent
des rayons de lumière émanés d’un mêmepoint ,
situé dans un milieu ho-mogène quelconque , après
avoir traversé une lametransparente
72
PROBLÈMES
à faces
planes parallèles ,
d’unpouvoir réfringent
différent de ce-lui du milieu dans
lequel
elle se trouve, située.Supposons toujours
lepoint rayonnant à l’origine ,
soit c la dis-tance de ce
point
à la face de la lamequi
en est laplus
voisineet e
l’épaisseur
de cette lame. Par un rayonquelconque , Imagi-
nons un
plan perpendiculaire
aux faces de cettelame ;
le rayondans tout son
trajet,
ne sortira pas de ceplan,
que nous pour-rons
prendre
pour lesplans
des coordonnéesrectangulaires
etqui
coupera la lame suivant deux droites
parallèles.
Enprenant
tou-jours
pourorigine
lepoint rayonnant
et en rendant l’axe des xparallèle à
cesdeux. droites ,
leurséquations
serontSoit l’équation
du rayon incidentte sinus
d’incidence
seraI r+m, ;
lesinus de réfraction
seradonc
d’où
on conclurapour
sacotangente
D’un antre
côté
leséquations
dupoint d’immergence
serontd’où
il suit quel’équation du rayon
réfracté seraD ’ O P T I Q U E. 73
en combinant
cette équation
avecl’équation y=c+e ,
on trouverapour les coordonnées du
point d’émergence
et, comme le rayon
émergent
doit sortirparallèle
au rayonim- margent ,
soitéquation
seraou
simplement,
enréduisant ,
Or c, qu i exprimait
la distance de la lame aupoint rayonnant ,
n’entre
plus
dans cetteéquation ;
donc la situation du rayon émer-gent
estindépendante
de cettedistance ;
de sorte que, si l’on faitavancer ou reculer cette lame
parallèlement
àelle-même,
la situa-tion de ce rayon n’en
éprouvera
aucunchangement.
Tout se passera donc ici de la même
manière
que si la lame étaiten contact avec le
point rayonnant ;
ou , cequi
revient aumême ,
tout se passera comme si le
point rayonnant
était enfoncé dans la substance de la lame au-dessous de sa surface d’unequantité égale
à son
épaisseur ;
nous_ retombons donc de nouveau dans le cas de deux milieuxséparés
par unplan indéfini ,
et nous obtenons le théorème suivant :THÉORÈME
II.Lorsque
des rayons delumière ,
émanés dueTom. XVI. 10
74
P R O B L È M E S
même
point ,
sont contraints de traverser une iametransparente à
faces planes parallèles ,
d’unpouvoir réfringent différent
de celuidu milieu où elle se trouve
située ;
cesrayons , à
leur sortie de cettelame,
sont tous normaux à une mêmesurface
de révolution du secondordre , engendré
par une sectionconique,
tournant autourde la droite
qui
contient sesfoyers.
L’axe de cettesurface
est laperpendiculaire
menée aux deuxfaces
de lalanze,
par lepoi
ntrayonnant ;
cepoint
en est un desfoyers ;
son centre est situé du même côté que la lame parrapport
à ce mêmepoint ;
l’excentri- cité de latrajectoire est égale
àl’épaisseur
de lalame ; enfin
cette excentricitè est au demi-axe dans le
rapport
du sinus de ré-fraction
dans la lame au sinus d’incidence dans lemilieu ;
desorte que la
surface trajectoire
est uneellipsoïde allongée
ou unehyperboloïde
à deux nappes , suivant que lepouvoir réfringent
dela lame est
supérieur
ouinférieur
à celui du milieu où elle setrouve située.
On trouvera , dans un article inséré à la page 283 da
V.e
vo- lame duprésent recueil ,
où nous avons démontré cetteproposition
pour la
première fois,
et dans un autrearticle, qui
commence leXIV.e
volume ,
lesprincipales conséquences qui
en résultent.V. Pour donner un
exemple simple
da cas où la courbesépa-
ratrice est l’inconnue du
problème ,
supposonstoujours
que les rayons incidens émanent del’origine
descoordonnées ,
et cherchonsquelle
doit être laligne séparatrice
pourles
rayonsréfractés
con- courant en un mémepoint (a b).
Nous aurons donc ici
l’équation (03B2)
sera satisfaited’elle-même ;
et , en mettant ces va-leurs
dansl’équation (03B1) ,
ou aura,pour l’équation demandée ,
75 D’OPTIQUE.
ou bien
ou encore
équation
d’uncercle,
que l’onpeut
écrire ainsidé sorte
que
lescoordonnées
du centre de ce cercle sontet son rayon
On trouvera,
d’après cela,
pour ladistance
de son centre aupoint
rayonnant
et
pour la distance
de ce même centre aupoint (a , b)
Le
produit
de ces deux distances étantégal
auquarré du rayon
76 P R O B L È M E S
et les trois
points
étant d’ailleurs enligne droite ,
il s’ensuit qne lepoint
dedépart
desrayons
incidens et lepoint
de concours desrayons réfractés sont deux
points conjugués
parrapport
au cercle.Leurs distances
respectives
à son centre sont dans lerapport
de03BB’2 à
03BB2 ;
de sorte que lepoint rayonnant
sera intérieur au cercleet le
point
de concours des rayons réfractésextérieur,
si l’on a03BB’
03BB. Ce sera le contraire si l’on a03BB’>
03BB.De tout cela résulte le théorème suivant :
THÉORÈME
III. Unesphère transparente
étant située dansun milieu
homogène
dont lepouvoir réfringent
estdifférent
dusien
il existetoujours ,
sur la direction de chacun de ses diamè- ires unpoint
tellement situé que les rayonsqui
enémanent , après
s’étreréfractés
à la rencontre de sasurface ,
vont concou-rir de nouveau en un autre
point
de ce diamètre. Ces deuxpoints ,
situés d’un même côté du centre , sontconjugués
l’un àl’autre
par rapport
à lasphère, c’est-à-dire, que
lerectangle
deleurs distances à son centre est
équivalent
auquarré
de son rayon ; d’où il résultequ’ils
sont l’un intérieur et l’autre extérieur à las,ohére. Enfin,
leurs distances à son centre sont dans lerapport
du
quarré
du sinus d’incidence dans le milieu où lasphère
se trouvesituée au
quarré
du sinus deréfraction dans
cettesphère ;
cequi
les détermine
complétement
l’un etl’autre ,
et prouve en outre que lepoint rayonnant
est intérieur ou extérieur à lasphère
suivantque
le pouvoir réfringent
de cettesphère
estsupérieur
ouinférieur
à celui du milieu
(*).
Ce curieux théorème est dû à M. le
professeur Auguste
de la(*)
Lorsque
lepouvoir réfringent
de lasphère
estsupérieur
à celui du milieu,il y
a réellement , dans sonintérieur,
unpoint
tel que les rayonsqui
en émanentdivergent,
à leur sortie , comme s’ilspartaient
d’unpoint
extérieur. Dans le cas contraire , ce sont des rayons arrivant à la
sphère,
dans des directions convergentes vers le
premier
de cespoints, qui , après
s’être rompus à sa surface , convergent vers le dernier.
D ’ O P T I Q U E.
77Rive ,
deGenève , qui
l’a démontré à la page 55 de sa Disserta- tion sur lescaustiques ; ( in-4.° ,
Genève I823).
VI. Examinons
présentement ,
d’une manièregénérale,
la direc-tion que
prennent
des rayons de lumière émanés d’un mêmepoint, après
s’être réfractés à la rencontre de la circonférence d’un cercletransparent ,
situé d’une manièrequelconque
par rapport aupoint rayonnant. Ici ,
pourplus
desimplicité ,
nous supposerons lecen-
tre du cercle à
l’origine ;
et lepoint rayonnant
sera(a , b).
En.conséquence ,
leséquations (2’)
et(5’) ,
serontremplacées pan
ces deux-ci
l’équation (4)
serad’où
au moyen de
quoi
leséquations (r)
et(3) deviendront
En réduisant
dans ladernière ,
et enremplaçant
dans l’autret2+u
par
1"2 ,
on obtiendra en t et u, ces deuxéquations
dupremier degré
78 PROBLÈMES
En
ajoutant
auquarré
de lapremière
lequadruple
duquarré
dela
seconde ,
le terme en tudisparaîtra ,
et enremplaçant t3+u2
par sa
valeur r2 ,
onobtiendra ,
pourl’équation
de latrajectoire orthogonale
des rayonsréfractés ,
En
développant
et rassemblant les termes affectés des mêmespuissances
etproduits
despuissances
de À et03BB’ ,
cetteéquation prendra
la formeAjoutant
et retranchant tour à tour à. chacun des.deux
mem-bres de cette dernière la
quantité
son second membre
deviendra
unquarré
dans les deux cas, etil
viendra,
par l’extraction des racinesquarrées
de deux mem-bres
Equations
danslesquelles
lessignes supérieurs
et lessignes
inférieursne se
correspondent
pasnécessairement ;
et où les uns et les autresdoivent
êtrepris,
suivant lesgrandeurs
et lessignes
desdonnées
a , b , r , 03BB
et 03BB’,En retranchant
la,
secondede
lapremière,
on trouveD’OPTIQUE. 79
ou encore
or , si l’on
prend
pourfoyers
lepoint rayonnant
et sonconjugué ,
par
rapport
aucercle ,
les deux radicaux dupremier
membre decette
équation exprimeront
les rayons vecteurs d’un mêmepoint quelconque
de lacourbe ,
de sortequ’on
a le théorème suivant :THÉORÈME
IF.Lorsque
des rayons delumière,
èmanés d’un mêmepoint
del’espace,
extérieur ou intérieur à unesphère
trans-parente homogène ,
sontréfractés
ouréflèchis
à l’entrée ou à lasortie de cette
sphère ;
ils deviennent alors normaux à unesurface
de révolution du
quatrième ordre , ayant
pour axe la droitequi
contient le
point rayonnant
et le centre de lasphère.
Lapropriété caractéristique
de cettesurface
est que la somme ou ladifférence des produits respectifs des
distances de sesdifférens points au point
rayonnant
et à sonconjugué
parrapport
à lasphère,
par desmultiplicateurs
constans, est elle-même unequantité
constante.Cet
éfégant
théorème est dû à M.Sturm , qui
l’a démontré dansun article inséré à la
page
205 duprécédent
volume duprésent
recueil.
Nous nous
proposions
de nous livrer àbeaucoup
d’autres re-cherches encore ; mais l’abondance des matériaux que nous avons à
publier
nousoblige
à leur céder laplace ,
et à renvoyer ces80
T H É O R È M E S NOUVEAUX
recherches pour un autre
temps.
Cequi précéde
suffira du moinspour montrer comment tous les théorèmes
déjà
connus sur le su-jet qui
nous occupepeuvent
se déduire uniformément de nos mé- thodes et de nos formules.GÉOMÉTRIE TRANSCENDANTE.
Démonstration de quelques théorèmes sur les envolppes ;
Par M. L. F. MAGNUS.
L’ENVELOPPE
des cordesqui
retranchent d’un cercle dessegmens
égaux ,
est évidemment un autrecercle, concentrique
aupremier
et touchant ces cordes à leur milieu. On sait aussi que
l’enveloppe
des cordes
qui
retranchent des segmenséquivalons
d’une sectionconique quelconque,
toucheégalement
ces cordes à leurmilieu
mais cette
propriété
n’est pasparticulière à
ces sortes decourbes
et nous allons faire voir
qu’elle est générale
pour toutes. les cour-bes
planes quelles qu’elles
soient. Nous démontrerons ensuitequel-
ques autres
propositions analogues
que le lecteur rie trouverapeut-
être pasdépourvues d’intérêt.
§
I.Pour éviter les
répétitions ,
nousallons ,
avant d’entrer enmatière
établir
quelques
formules et convenir dequelques
locutionsqui
nousseront utiles pour
parvenir
à notre but.Soit