G. D ANDELIN
G ERGONNE
Géométrie pure. Recherches nouvelles sur les sections du cône et sur les hexagones inscrits et circonscrits à ces sections
Annales de Mathématiques pures et appliquées, tome 15 (1824-1825), p. 387-396
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IIYPERBOLOIDE
DEREVOLUTION. 387 inégalités
ne sauraient donc subsister à la foisqu’autant qu’on
aura03B1=I ; on a donc
simplement (28)
GÉOMÉTRIE PURE.
Recherches nouvelles
surles sections du cône
et surles hexagones inscrits
etcirconscrits à
cessections ;
Par M. G. DANDELIN , officier du génie , membre de l’aca-
démie royale des sciences de Bruxelles.
GERGONNE. )
Si quelquefois ,
dans cerecueil ,
nous avons montré uneprédi-
lection
marquée
pourl’emploi
de l’analisealgébrique ,
dansles
re-cherches
relatives auxpropriétés
del’étendue ;
cetteprédilection
ne va
pourtant
pasjusqu’à
méconnaître le mérite des recherches degéométrie
pure ,lorsque
çes recherches sontélégamment
col-duites lorsqu’elles
sontdégagées
de toutemploi
desproportions
et du
calcul,
et sur-toutlorsqu’elles peuvent
être aisément suiviessans
qu’il
soit nécessaire d’avoir unefigure
sous les yeux.Persuadé que
beaucoup
de nos lecteurs sont de notregoût
surce
point ,
uous ne saurions nous refuser à leur fairepartager
leplaisir que vient de
nous causer la lecture desrecherches
de M.388
H Y P E R B O L O I DE
Dandelin ,
officier ditgénie
ulilitaire du royaumedes Pays-Bas ,
sur
l’hyperboloïde
et leshexagones
inscrits et circonscrits aux sec-tions
coniques ;
recherches destinées à fairepartie
du III.e volumedes Mèmoires de l’académie
royale
des sciences deBruxelles, qui s’imprime actuellement ,
et dont nous dev ons la communication à l’extrêmeobligeance
de M.Quetelet,
auteur lui-même d’un très-beau travail sur les
caustiques ?
que nous avons mentionne récem-ment.
1. Soient
deux
droitesindéfinies ,
non situées dans un mêmeplan,
invariablement liées l’une à l’autre. Si l’on
conçoit
que l’une d’ellestourne autour de l’autre
prise
pour axe , elleengendrera,
dansson mouvement, une
surface
derévolution ,
connue sous le nomd’hyperboloïde
à une nappe , dont les variétésdépendront,
à lafois ,
et de laplus
courte distance entre l’axe et lagénératrice
etde l’angle
que formeront entre elles ces deux droites.Mais la
plus
courtedistance
demeurant lamême y
lagénératrice
peut
faire le mêmeangle
avec l’axe dans deux directions diffé- rentes ; d’où ilsuit qu’une
mêmehyperboloïde
de révolution àune nappe
peut
êtreengendrée
de deux manières différentes parune droite tournant autour
d’un
axe fixe.Il résulte de là que, par chacun des
points
de cettesurface ,
onpeut toujours
tracer deux droitesindéfinies qui s’y
trouvent en-tièrenient
situées ;
ou encore que cette surface est une sorte de tissude deux séries d’élémens
rectilignes ,
tels que deuxélémens quel-
conques d’une même
série ,
non situés dans un mêmeplan ,
nesauraient se rencontrer , tandis
qu’au
contrairechaque
élément del’une
quelconque
des deux séries estcoupé ,
tour à tour, par tous les autres élémens de l’autresérie;
d’où il suit encorequ’une
tellesurface
peut
être considérée commeengendiée
par une droite in- définiequi
se meut sur trois élémensquelconques
d’une mêmesérie.
Toutes les sections d’une telle
surface ,
par desplans perpendi-
culaires à
sou axe, sont, comme toutes les sections faites de cette389
D E R E V O L U T I O N.
manières dans
les surfaces derévolUtion ,
engénéral , des
cerclesde rayon
variable,
ayant leurs centres sur l’axe derévolution ;
e.til est aisé de voir que toutes les
portions
d’élémensrectilignes
del’une et de l’autre
séries, comprises
entre deux telscercles ,
sontde même
longueur , puisque
ce sont des droiteségalement
incli-nées
entre deuxplans parallèles.
Chacune des sections circulaires del’hyperboloïde peut
d’ailleurs êtreindistinctement
considéréecomme sa
ligne
de contact soit avec unesphère
inscrite soit avecun cône droit
inscrit ;
et il est clairqu’alors
le centre de lasphère
ou le sommet du cône est dans l’axe de révolution.
Dans le cas
particulier
où lagénératrice
seraitperpendiculaire
à
l’axede révolution ,
il est manifesteque
la surfaceengendrée
serait un
plan. Si ,
aucoutraine ,
cettegénératrice
étaitparallèle
à
l’axe,
la surfaceengendrée
serait uncylindre
droit. Enfin cettesurface serait un cône
droit,
si labénératrice ,
n’étant ni perpen- diculaire niparallèle
àl’axe
leurplus
courte distance était d’unelongueur nulle , c’est-à-dire,
si lagénératrice
et l’axe se rencon-traient.
Ainsi, le plan ,
lecylindre
droit et le cônedroit
ne sontque des cas
particuliers
del’hyperboloïde
derévolution
à unenappe.
IL Ces choses ainsi
entendues,
examinons la nature des sectionsplanes
faites dans une tellehyperboloïde.
On voit d’abord claire-ment que, tant que le
plan coupant
fera avec l’axe unangle aigu plus grand
que celui que fait avec lui lagénératrice ,
la sectionsera une courbe
fermée,
tandisqu’au
contrairelorsque
leplan
cou-pant
fera avec l’axe unangle aigu plus grand
quecelui-là,
lasection sera formée de deux courbes
séparées, ayant
l’une et l’autre deux branches infinies.Considérons ,
enparticulier ,
une section de l’une ou de l’autre sorte ; et par l’axeimaginons
unplan perpendiculaire
auplan
dela
section , lequel
le coupera suivant une droiteAA’ ,
lespoints.
A et A’ étant tous deux sur
l’hyperbolo;’de.
Parmi toutes lessphères
qu’il
estpossible d’inscrire
à cettesurface,
il y en auratoujours
390
HYP ERBOLO IDEdeux
qui
seronttangentes
auplan
coupant ; et il est visible que leurspoints
de contact avec lui seront tous deux situés sur la droite AA’.Désignons
par F lepoint
de contact leplus
voisin deA et par F’ le
plus
voisin de A’.Soit M un
quelconque
despoints
dupérimètre
de la section dont nous étudions la nature , et parlequel
ilpasse,
comme partous les autres deux élémens
rectilignes
del’hyperboloide.
Consi-dérons seulement un de ces élémens : soit P le
point
où cet élé-mens coupe la
ligne
de contact del’hyperboloïde
avec lasphère
inscrite
qui
touche leplan coupant
enF_;
et soit P’ celui où ce même élément coupe laligne
de contact de cette surface avec lasphère
inscritequi
touche leplan coupant
enFI;
alors PP’ serala
portion
d’élémentinterceptée
entre lesplans
de deux sectionsperpendiculaires à l’axe,
etconséquemment
cettelongueur
sera cons-tante
quel
que soit lepoint
M sur lepérimètre
de la sectionoblique.
Soient menées
présentement
MF etMF’ ;
et remarquons que MF et MP sont deuxtangentes
menées à une mêmesphère
d’unmême
point M,
etqu’il
en est de même de MF’ etMP’ ;
d’oùil suit
qu’on
doit avoirdonc,
si lepoint
M se trouve situé entre P et P’ , on auraet
si ,
aucontraire ,
lepoint
M est sur leprolongement
dePP’ ;
en le
supposant
situé au-delà deP’ ,
on aurade sorte
qu’on
a ce théorème :THÉORÈME
I. Dequelque
manièrequ’une hyperboloïde
de ré-volution à une nappe soit
coupée
par unplan ;
si l’onconçoit
deuxsphères
à lafois
inscrites à cettesurface
ettangentes
auplan
coupant ;
la somme ou ladiffèrence
des distances desdifférens
points
dupérimètre
de la section auxpoints
de contact de socplan
avec les deuxsphères
sera constante ;c’est-à-dire ,
que laD E R E V O L U T I O N.
39I
section sera une
ellipse
ouune hyperbole
dont cespoints
de con-tact seront les deux
foyers.
Réciproquement ,
touteellipse
ou toutehyperbole y c’est-à-dire ,
toute courbe
plane
telle que la somme ou la différence des dis-tances
de
ses différenspoints
à deuxpoints
fixespris
sur sonplan
est constante peut, et même d’une infinité de manières différen- tes, être considérée comme l’une des sections
planes
faites dansune
ellipsoïde
de révolution à une nappe.Si,
eneffet ,
par l’unquelconque
despoints
dupérimètre
de cette courbe on conduit unedroite hors de son
plan ,
etqu’ensuite
unconçoive
deuxsphères
à la fois
tangentes
auplan
de la courbe en ses deuxfoyers
ettangentes
à la droitearbitraire ;
en faisant tourner tout lesystème
autour de la droite
qui joint
les centres des deuxsphères,
l’ar-bitraire
engendrera l’hyperboloïde
demandée..
Il y a un cas
particulier qui
faitexception :
c’est celui où leplan
de la section fait avec l’axe del’hyperboloïde
unangle pré-
cisément
égal
à celui que fait avec lui lagénératrice
de cette sur-face. Ce
plan
nepeut
alors être touchéque
par une seule dessphères
inscrites ou , si l’on veut , la seconde a son centre Infinimentéloigné
et son rayoninfini ;
mais on démontre aisément que, dansce cas, les distances des divers
points
de la courbe aupoint
de con-tact de la
sphère
avec sonplan
croissent exactement de lamême
quantité
que lesprojections
de ces distances sur l’axe de cettecourbe ; propriété qui appartient
exclusivement à laparabole.
Si
l’on serappelle présentement
que lecylindre
droit -et le cônedroit ne sont que des cas
particuliers
del’hyperboloïde
de révo-lution à une nappe , on conclura de ce
qui précède
lesdeux
théorèmes suivans :
THÉORÈME
II. Toute sectionplane faite
dans uncylindre
droit est une
ellipse
dont lesfoyers
sont lespoints
de contact duplan coupant
avec deuxsphères
inscrites aucylindre.
THÉORÈME
III. Toute sectionplane faite
dans un cône droitest une
ellipse
ou unehyperbole
dont lesfoyers
sontles points
392
vHEXAGONE
de contact du
plan coupant
avec deuxsphéres
inscrites au cône.Dans le cas
particulier
où une seulesphère
inscritepeut
toucher leplan coupant,
la section est uneparabole,
et lepoint
de con-tact de cette
sphère
en est lefoyer (*).
Réciproquement ,
touteellipse , hyperbole
ouparabole peut
êtreconçue comme l’une des sections
planes
d’un cône droitd’une
es-pèce
donnée(**) ,
d’où il suit que ces courbespeuvent toujours
être considérées comme des
perspectives
les unes des autres etdu cercle ,
etréciproquement.
III. On
peut toujours
tracer , surl’hyperboloïde
de révolution à une nappe , unhexagone rectiligne gauche y
dont les côtés con-sécutifs devront
appartenir
alternativement aux deux séries d’élé-mens
rectilignes
de cettesurface, puisqu’autrement
ces côtés nepourraient
se couper ; de manière quel’hexagone employa
troisélémens de chacune des deux séries. Ses
côtés opposés appartien-
dront aussi à des séries
différentes ;
de sorte que deux côtés op-posés quelconques
concourronttoujours
en un certainpoint ,
etseront
conséquemment
dans un mêmeplan.
Il suit de là que les trois
couples
de côtésopposés
détermine-ront trois
plans qui
se couperont en unpoint; mais,
si l’on mène lesdiagonales qui joignent
les sommetsopposés,
chacune d’ellesappartiendra à
deux de cesplans ,
et sera parconséquent
dansleur
intersection ;
donc cesdiagonales
serontdirigées
suivant lesintersections deux à deux des trois
plans
dont il vient d’être ques-tion ;
d’oili il suitqu’elles
concourront toutes trois à l’intersection de ces troisplans.
Soient
A , A’ ,
A’’ les élémensrectilignes
de l’une des séries for-mant
les côtés de rangsimpairs
del’hexagone gauche ,
et soientB B’ ,
B’’ les trois élémens de l’autre série formant les côtés de ,(*) Ce dernier théorème avait d’abord été directement découvert par M.
Que elet.
M. Dandelin n’a fait que l’étendre àl’hyperboloïde.
(**) Voy. aussi ,
sur cesujet,
la pag. 126 du XIV.e vol. duprésent
recueil.MYSTIQUE. 393
rangs pairs;
de telle sorte que A etB ,
A’et B’ ,
A’’ et B’’ soient les côtésopposés. Convenons
dedésigner
lespoints,
au nombrede
neuf,
où les trois élémens de l’une des séries sontcoupés
par les élémens de l’autresérie ,
par les lettres des élémensqui y
con-courent , renfermées entre deux
parenthèses. Alors ,
de ces neufpoints ,
les trois(AB) , (A’B’) , (A’’B’’)
seront ceux où concou-rent les directions des côtés
opposés
del’hexagone ;
et les six au-tres en seront les sommets. En supposant donc que les côtés con- sécutifs de cet
hexagone
soientA , B/1 , A’ , B, A’’, B’ ,
ses som-mets consécutifs seront
Remarquons présentement que
le côté A del’angle (AB’’)
et lecôté B de son
opposé (BA’’)
concourant en(AB) ,
lesplans
de cesdeux
angles
doivent se couper suivant une droitepassant
par cepoint (AB) ;
mais les côtés B’’ et A’’ de ces deuxangles
concou-rant au
point (A’’B’’), l’intersection
de leursplans
doit aussi passer par ce dernierpoint ;
donc la droitequi joint
lespoints (AB)
et(A’’B’’)
est l’intersection desplans
desangles opposés (AB’’)
et(BA’’).
Par un raisonnement tout à fait
semblable ,
on prouvera que la droitequi joint
lespoints (A’’B’’)
et(AlBI)
est l’intersection desplans
desangles opposés (BIlAI)
et(A’’B’) ,
et que la droitequi joint
lespoints (A’B’)
et(AB)
est l’intersection desplans d-es angles opposés (A/B)
et(B’A).
Ainsi les intersections des
plans
des troissystèmes d’angles
op-posés (AB’’)
et(BA’’) , (B’’A’)
et(A’’B’), (A’B)
et(B’A)
sont lestrois côtés d’un
triangle
dont les sommets sont(AB) , (A’B’) , (A’’B’’) ,
etconséquemment
les trois intersections sontdans
un mêmeplan, qui
est leplan
même de cetriangle.
On a donc cet,
élégant
théorème :THÉORÈME
IV.Si,
sur unehyperboloïde
derévolution à
unenappe , on trace. un
hexagone rectiligne gauche,
dont les côtés ap-partiennent
alternativement aux élémensrectilignes
de l’une et deTom. XV. 53
394
HEXAGONEl’autre séries de cette
surface I.°
lesdiagonales qui joindront
lessommets
opposés
de cethexagone
concourront toutes trois en unmême
point ;
lesplans
de cesangles opposés
secouperont
suivant des droitesqui
seront toutes trois dans un mêmeplan (*).
IV. Soit
présentement
un cercle sur la circonférenceduquel
soientpris
arbitrairement sixpoints désignés
para , b’’ , a’ , b , all,
b’.Ces six
points
pourrontégalement
êtreconsidérés,
ou comme lessommets consécutifs d’un
hexagone plan inscrit ,
ou comme lespoints
de contact consécutifs d’un
hexagone plan
circonscrit.Considérons ce cercle comme la section d’une
hyperboloïde quel- conque
de révolution à une nappe, par unplan perpendiculaire
à son axe , et considérons sur cette
hyperboloïde
les élémens rec-tilignes alternatifs A, B’’ , A’ , B , A’’ ,
B’qui passent respective-
ment par les six
points
de la circonférence de dénominations ana-logues,
ces élémensformeront
commeci-dessus,
unhexagone gauche
sur
l’hyperboloïde ,
et les traces desplans
desangles
consécutifs(AB’’) , (B’’A’) , (A’B) , (BA’’) , (A’’B’) , (B’A)
de cethexagone gauche
sur leplan
du cercle ne seront autre chose que les côtés consécutifsab’’ , b’’a’ , alb , ba’’ , a’’b’ ,
b’a del’hexagone plan
ins-crit à ce cercle.
Or,
par leprécédent théorème y
lesplans
des som-mets
opposés
del’hexagone gauche
secoupent
suivant trois droi-tes situées dans un même
plan , lesquelles
doiventconséquemment
percer le
plan
du cercle en troispoints
enlignes droites ;
donc lestraces de ces
plans, c’est-à-dire ,
les directions des côtésopposés de l’hexagone
inscrit ati cercle doivent aussi concourir à ces troispoints.
Considérons
présentement
notre cercle comme laligne
de con-(*) Le théorème aurait
également
lieu pourl’hexagone reetiligne gaucha
tracé sur la
paraboloïde hyperbolique;
et c’est à cela que reviennent à peu près les articles de MM. Servois et Rochat insérés aux pages 332 et 336 du tom. I.er du présent recueil. Il aurait lieu ,plus généralement,
pour touthexagone gauche
dont les côtés des rangsimpairs
seraient trois droites nonsituées deux à deux dans un même
plan,
et les côtés de rangspairs
trois au-très droites posant sur celles-là.
395 M Y S T I Q U E.
tact
de l’hyperboloïde
avec un cône droitcirconscrit , dont
le som-met sera
conséquemment
dans l’axe de révolution.Si, par chacun
des
points a , b’’ , al, b , a’’ , b’ ,
on conduit unplan tangent à
l’hyperboloïde,
ceplan
passera par le sommet ducône ,
contien-dra l’élément
rectiligne
del’hyperboloide
de dénomination analo-gue
à celte de cepoint,
et coupera leplan
du cercle suivant unetangente
au mêmepoint.
Les sixplans tangens
ainsi conduits seront donc les faces d’unangle
hexaèdre circonscrit aucône,
et sur le-quel
se trouvera tracel’hexagone gauche ;
et cetangle’
hexaèdresera
coupé
par leplan
du cercle suivant unhexagone plan
cir-conscrit à ce
cercle ;
or, par le théorèmequi
vient d’être démontré,
lesdiagonales qui joignent
les sommetsopposés
del’hexagone gauche
concourent en un mêmepoint ;
donc lesplans diagonaux qui joignent
les arêtesopposés
del’angle
hexaèdre’ secoupent
sui-vaut une même
droite ,
menée de sonsommer à
cepoint ;
doncenfin les
diagonales qui joignent
les sommetsopposés
de Fhexa-gone
plan
circonscrit au cercle doivent passer toutestrois
parle
point
où sonplan
estpercé par
cette droite.Il demeure donc
prouvé ,
par cequi précède,
I.° que, dans touthexagone
inscrit aucercle ,
lespoints
de concours desdirections
des côtés
opposés appartiennent
tous trois à une mêmeligne droite ;
2.° que , dans tout
hexagone
circonscrit aucercle ,
lesdiagonale qui joignent
les sommetsopposés passent
toutestrois
par un mêmepoin t.
Or
comme touthexagone
inscrit oucirconscrit à
unesection
conique quelconque
est laperspective
d’unhexagone
inscrit ou cir-conscrit au
cercle ;
et comme ,d’un
autrecôté ,
lesperspectives
despoints
enligne
droite et des droitesqui
concourent au mêmepoint
sont aussi des
points
enligne
droite pu desdroites qui
concourentau même
point,
on a ces deuxthéorèmes :
THÉORÈME
V. Dans touthexagone
inserit à une sectionco- nique ,
lespoints
de concours des directions des côtésopposés
ap-partiennent
toustrois
à une mêmeligne
droite.396 QUESTIONS P R O P O S É E S.
T H É O R È M È
FI. Dans touthexagone
circonscrit à une set-tion
conique,
les droitesqui joignent
les sommetsopposés
concou-rent toutes trois en un même
point (*).
Ainsi se trouvent
établis ,
sans calcul et par une sorte (Tintuition les deux théorèmes de Pascal et de M.Brianchon , c’est-à-dire ,
Jes
plus importans peut-être
de tous ceuxqui composent
la théoriedes sections
coniques.
Si les recueils de l’académie
royale
des sciences de Bruxelles offrent souvent des mémoires du mérite de ceux de MM.Quetelet
et
Dandelin ,
ils nepourront
manquer d’être accueillis et recher- chés par tous les amateurs de la bellegéométrie.
QUESTIONS PROPOSÉES.
Théorème de Géométrie.
SI ,
surtrois droites AB, A’B’ ,
A’’B’’ delongueur quelconque ,
se
coupant
en unmêmepoint P ,
considérées deux à deux comme dia-gonales ,
on construit troisquadrilatères A’A’’B’B’’ , A’’AB’’B , AA’BB’ ,
ayantconséquemment,
deux àdeux,
unediagonale
com-mune ; les
points
de concours des directions des côtésopposés
de cesquadrilatères
seront les six sommets d’unquadrilatère complet
telque chacun des
points
d’intersection de ses troisdiagonales
se trou-vera sur la
direction
de l’unedes
troisdroites
données.FIN DU
QUINZIÈME
VOLUME.(*) Voy.,
sur le mêmesujet,
deux articles insérés dans le IV.e volumedu présent