A NNALES DE LA FACULTÉ DES SCIENCES DE T OULOUSE
É MILE C OTTON
Mouvement de la chaleur sur la surface d’un tétraèdre dont les arrêtes opposées sont égales
Annales de la faculté des sciences de Toulouse 2
esérie, tome 2, n
o3 (1900), p. 305-316
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MOUVEMENT DE LA CHALEUR
SUR LA SURFACE D’UN TÉTRAÈDRE
DONT LES ARÊTES OPPOSÉES SONT
ÉGALES,
PAR M.
ÉMILE COTTON,
Professeur au Lycée de Toulouse.
1. La
représentation
conforme despolyèdres,
obtenue par M. Schwarz(’),
estparticulièrement
intéressante aupoint
de vue del’intégration
del’équation
deLaplace.
On aainsi,
eneffet,
unexemple
d’un domained’intégration présentant
des
arêtes;
ce domainen’est
pasrégulièrement analytique
en tous sespoints.
On peut dire que les travaux de M. Schwarz résolvent le
problème
del’éqiii-
’
libre des
températures
pour une surfacepolyédrale
conductrice(2),
la chaleurentrant ou sortant, suivant une loi
déterminée,
par un nombre fini depoints.
Au début de cette Note
(n° 2), je
donne un énoncéanalytique
duproblème
dumouvement de la chaleur sui: une surface
polyédrale
conductricefermée, géné-
ralisation naturelle de la
question précédente,
J’établis(n°3)
que leproblème
ainsi
posé
admet auplus
une solution.Je démontre ensuite l’existence d’une solution
lorsque
la surface conductriceest celle d’un tétraèdre dont les arêtes
opposées
sontégales.
La natureparticu-
lière de ce
polyèdre
permet alors de ramener laquestion
à l’étude du mouvementde la chaleur sur un
plan
conducteurindéfini,
latempérature
étantassujettie
constamment à certaines conditions de
symétrie 5).
Je détermine d’aborddes
fonctions, indépendantes
du temps,analogues
aux fonctionsharmoniques
fondamentales de M. Poincaré
(n"S ~-~3);
ces fonctions servent àdévelopper
ensérie la fonction
représentant
latempérature
initiale 9 et10).
On déduit delà
( n° ~ 1 )
la sulution duproblème,
par une sérieanalogue
à celle donnée par Fourier pour leproblème
de l’Armille.(1) ) Gesanmelte mathematische Abhandlungen, (, p. 84-I0I et 6;-r; o.
’
(2) Voir KLEIN, Ueber Riemann’s Theorie der algebraischen Functionen.
306
2. Je donnerai d’abord un
Énoncé analytique
duproblème
du mouvementde la chaleur sur une surface
polyédrale
sans insister sur leshypothèses phy- siques
et le choix des unitésqui
conduisent à cet énoncé(1 ).
Considérons un domaine fermé
(2) D,
à deuxdimensions, simplement
con-nexe, constitué par un certain nombre de
faces,
unies deux à deux suivant des arêtes. Les faces sont des morceaux de surfacesrégulièrement analytiques,
d’ail-’
leurs
quelconques.
Nous pouvons deplus imaginer
queplusieurs
arêtes abou-tissent en un même
point;
autrementdit,
que Dprésente
un certain nombre desommets.
Soit M un
point
arbitraire de ce domaine. On se propose de déterminer unefonction U du
point
M et dutemps t (t>_o)
satisfaisant aux conditions suivantes :10 U est fonction continue et finie du
point
M.2° U admet en tous les
points
intérieurs dechaque
face des dérivéespartielles
des deux
premiers
ordres finies.3° U admet en tout
point
d’une arêtequelconque,
autrequ’un
sommet, et pour les deux facesadjacentes,
des dérivées finies -, ,, , suivant les normales inté- rieures à ces faces.40
Pour U est fonction continuede t,
et, pour t > o admet une dérivée parrapport
à t.5° Pour tout
point
intérieur à uneface,
et pour toute valeur de ~> o, U satisfaità
l’ équati on
"B IrT2 U désignant
leparamètre
dinerentiel du second ordre attaché à l’élément tlinéaire de la face considérée.
6° Pour tout
point
d’unearête,
non sommet,~°
Pour t = o, U se réduit à une fonctionUo,
donnée à l’avance.3. . Le
problème précédent
admet auplus
une solution.. - Nous l’établirons par une méthode due à M. Poincaré(3 ).
Supposons
en effetqu’il
existe deux solutionsU, U’ ;
leur différence V satisfait aux conditionsprécédentes,
la valeur initialeVo
de V étant nulle.(1) Voir, à ce sujet, un Mémoire de M. Poincaré (Journal de Liouville, t8g8; p. 153).
(2) On supprime ainsi les conditions relatives à la frontière.
( 3) Théorie de la chaleur, p. 28.
Envisageons
alorsl’intégrale
doubleda étant l’élément
superficiel, l’intégration
étant étendue au domaine D’ constitué par toutes les faces de D isolées les unes des autres par des coupurespratiquées
suivant les arêtes.
On a évidemment
Considérons la
dérivée ,
ettransformons-la
en tenantcompte
de la con-dition
5°,
Appliquons
à chacune des faces constituant D’ le théorème deGreen,
sous laforme que lui a donnée M.
Beltrami (1),
ds
désignant
l’élément linéaire d’unearête, AV
leparamètre
différentiel du pre- mier ordre de V. Lapremière intégrale
doit être étendue à l’ensemble L des arêtes limitant les faces de D’.Chaque
arêtefigure
deux fois dansL, puisqu’elle
limite deux
faces,
et, à cause de la condition6°,
lapremière intégrale
est nulle.Dans la
seconde,
OV estpositif
ou nul. Doncet comme, pour t = o, J = o,
En comparant
(i)
et(2),
on voitque J
estnul,
cequi
démontre laproposition
énoncée
plus
haut.°
4. Transformons maintenant le
problème
du n°2,
en supposant d’abord le domaine D constitué par la surface d’un tétraèdre T à facesplanes.
Soient Ao, At, A2, A3
les sommets de ce tétraèdre.Pratiquons
des coupures suivant les arêtes issues deAo
et rabattons les facesadjacentes
autour desarêtes
A2 A3,
sur leplan
de la faceopposée
àAo,
et àl’extérieur
decette face. Soient et., a2, ~3 les rabattements de
Ao.
(1) ) Voir DARBOUX, Leçons sur la Théorie des surfaces, t III, p. 200.
La
figure
ainsi obtenue est unhexagone H,
dont les sommets sontA,, A2,
(X,,A3’
x2. Les côtés de cethexagone
sont deux à deuxégaux.
Tout
point
l~I de la surface Tcoïncide,
soit dès ledébut,
soitaprès
le rabat-tement, avec un
point honiologue
m, intérieur à H. Unpoint
NI a, engénéral,
un seul
homologue ;
il y aexception :
10 pour lespoints
P appartenant à l’une des arêtes issues deA0, qui
ontdeux homologues p’, p"
sur lepérimètre
de H(nous
dirons quep’, p"
sont despoints correspondants
ducontour) ;
z° pourAo
lui-même.Supposons
que l’on sache déterminer une fonctionU(m, t) possédant
les pro-priétés
suivantes : :i°
U (nz, t)
satisfait à l’intérieur de H aux mêmes conditions queU(M, t) (n° 2)
à l’intérieur des faces deD;
2°t)
estfinie,
admet une dérivée finiesuivant la normale intérieure à H en tous les
points
du contour de H(les
sommets
exceptés);
3° en deuxpoints correspondants
ducontour, les
valeursde
U(m, t)
sontégales,
les dérivées suivant les normales intérieures ont unesomme nulle.
-
Appelons fonctions homologues
relatives au tétraèdre T et àl’hexagone
H deuxfonctions
définies,
l’urie pourT,
l’autrepour H,
et prenant les mêmes valeurs auxpoints homologues.
Si l’onprend
pour valeur initialeUo(m)
=U(nz, o)
deU(m, t)
la fonctionhomologue
deUo(M) 2),
la fonctionU(M, t) homologue
de la fonction
t) résoudra,
pour le tétraèdreT,
leproblème
du n° 2.Nous avons
transformé,
endéfinitive,
les conditions relatives àU(31, t).
Lacondition 10 du numéro
actuel, imposée
àt),
entraîne les conditions 3° et 6°du n° 2 pour la fonction
homologue U(M, t)
et pour les arêtesA2A3, A3 At, Ai A2.
Pour les arêtes issues de
Ao,
les conditions 3° et 6° du n° 2 sont uneconséquence
des conditions 2° et ;i° du numéro actuel.
5. Nous pouvons transformer de même les conditions relatives au contour de H
lorsque
le tétraèdre a ses arêtesopposées égales.
Nous supposerons désor- mais cette conditionremplie.
Dans ce cas, deux côtés
égaux quelconques
del’hexagone
H sont dans leprolongement
l’un de l’autre etl’hexagone
se réduit autriangle
x, Lespoints At, A2, A3
sont les milieux des côtés de cetriangle,
et deuxpoints
corres-pondants
dupérimètre
dutriangle
sontsymétriques
parrapport
à l’un despoints A~, A2, Ag.
,Par une ou
plusieurs symétries
parrapport
auxpoints A~, A~, A3,
on peuttoujours
fairecorrespondre
à toutpoint
31L duplan
unpoint
m et un seul à l’in-térieur du
triangle
H. A unpoint
nicorrespondra
d’ailleurs une infinité depoints
m formant les sommets de deux réseauxparallélogrammes.
Nous dirons
fonction définie
dans leplan
dutriangle
H admet lespoints
A, A2, A3
comme centres desymétrie
si elleprend
la même valeur endeux
points symétriques
par rapport à l’un despoints A,, A2, A3.
Il est clairqu’une pareille
fonction admet comme centres desymétrie
tous les sommetsdu réseau de
parallélogrammes
construits sur leparallélogramme
élémen-taire a,
A2 A, A3.
De toute fonction
F(nl)
définie à l’intérieur deH,
onpeut déduire,
par cessymétries,
une fonction définie dans leplan
toutentier, uniforme,
admet-tant les centres de
symétrie précédents.
Le
problème
du n° 4 sera résolu si nous savons trouver une fonctiont) jouissant
despropriétés
suivantes : i"t)
satisfait dans tout leplan
aux con-ditions
imposées
àU(1VT, t)
à l’intérieur des faces de D(no 2) ; t) admet, quel
quesoit t,
lespoints A,, A2, A3
comme centres desymétrie;
3" la fonc-tion initiale =
o)
est celle que l’on déduit deL1o(nz) (n° ~)
par lessymétries précédentes.
En
effet,
les conditions i° et 20imposées
àt)
entraînent la condition 3u du n° 4 pourU(m, t).
I’our ledémontrer,
considérons deuxpoints
ou mo,
m’0
dupérimètre
dutriangle
Hsymétriques
parrapport
à Les dé-rivées dU(m) dn, dU(m’0) dn’ ou dU(m0) dn, dU(m’0) dn’ existent, puisque U(m) admet des
dérivées en tous les
points
duplan (conditions
Iode ce numéro et 2° du n°2).
Les normales intérieures en sont
parallèles
et de même sens, la relation dU(m0) dn + dU(m’0) dn’
=o a lieu en vertu de la condition 2° de ce
6. Nous construirons maintenant des
fonctions indépendantes de t, définies, continues,
admettant des dérivées de tous les ordres pour tous lespoints
duplan
de
H,
admettant lespoints At, A~, A3
comme centres desymétrie,
et satisfaisant à deséquations
de la formek2 étant une constante
positive.
Ces fonctions seront ainsianalogues
aux fonc-tions
harmoniques
fondamentales de M. Poincaré(i ).
Prenons,
dans leplan
dutriangle H,
deux axesOx, Oy
de coordonnées rec-t.angulaires,
soientles
équations
des côtés de cetriangle; désignons
par a,, a2, a3;h,, Iz3
leslongneurs
de ces côtés et des hauteurscorrespondantes,
par x,, x2, x3 lesangles.
(1) ) Théorie de la Chaleur, Cliap. XIV et XV.
opposés.
On peuttoujours
supposer queet que l’on a l’identité
S
désignant
la surface dutriangle.
Posons alorsOn a
Les nombres pi peuvent être considérés comme des coordonnées trilinéaires du
point y),
parrapport
autriangle
H. Ilsreprésentent
le rapport des aires.
(affectées
designes)
destriangles
a3, a,, ~1Z u, «2 à l’aire dutriangle
H.Ce
système
decoordonnées présente l’avanlage
suivant : Si l’on effectue unetransformation
homographique
entière amenant lespoints
a,, el2, a3 en03B1’1, xz, a3,
les coordonnées P,, P2’ ps de m parrapport
autriangle
a, 03B1203B13 sontégales respectivement
àP ~, p;, pg,
coordonnées de parrapport
à«~ «.’, a~.
Soit alors
(i )
les lettres p
désignant
des constantes, etQuels
que soient p.t, p~, on a, en tenantcompte
des relations(i)
et(4),
c~
désignant
une formequadratique
des variables p, que l’onpeut écrire,
en tenantcompte
de(2),
La forme c~ est
positive
ou nulle.(1) Voir Leçons sur la théorie
analytique
de la chaleur, ~ 86.Cherchons à déterminer les nombres
p de façon
que v admette lespoints A., A2, A3
comme centres desymétrie.
Pour deuxpoints
o~,z)
et~1~,’ ~ P~, ~~, ,~r) symétriques
parrapport
àA~,
on ad’où
et
Il faut donc que ~2 -t- ~,3 soit un entier
pair.
Il doit en être de même pour ~3 + et ~, + ~2, donc : :
La
fonction v
= cosz =p.2p2+
est unefonction
harmo-nique fondamentale
si p, , 3 sont trois entiers de mêmeparité.
7. On transforme
l’expression
de v à l’aide del’égalité (5).
En posantn, et n2 sont des entiers
quelconques,
et l’on aA
l’expression (9) de 03C6
nous substituerons la suivanteProposons-nous
de ranger lesfonctions
v defaçon
que la suite correspon- dante desnombres 03C6
soit une suite croissante.Dans
l’expression (10)
on peuttoujours
supposer n, >_ o, n2 étantpositif,
né-gatif
ou nul. Ceciposé, prolongeons
les vecteurs 03B13 a2, a, fXg ; soient 03B13y lesaxes ainsi obtenus. Considérons l’ensemble
(E)
despoints
P ayant pour coor- données x = n, a, , y = n~a~, n, et n2 étantentiers,
et n, n’étant pasnégatif.
Ces
points
Pappartiennent
aux sommets du réseau deparallélogrammes
construitssur le
parallélogramme
élémentaire a, a2 a3 a~ étantsymétrique
de a2 par rap- port àA2.
A
chaque point
P de l’ensemble(E),
nous feronscorrespondre
la fonction vdonnée par les mêmes entiers n,, n2.
Dans ces
conditions,
la formule(i I)
montre que le nombre 03C6relatif à
crnefonction
vcorrespondant
à unpoint
P de l’ensemble(E)
est, àun facteur
constant
prés, égal
à l’aine du cercle r de centre x3 passant par P.Rangeons
lespoints P
defaçon
que les distances «3 P aillent en croissant. Soientces
points ;
etles fonctions v et les
nombres correspondants. (Po
est en (1.3, vo estégal
à i,~~o est
nul).
Siplusieurs points
distincts de(E)
sontéquidistants
de a3, on les range dans un ordrequelconque,
mais on atoujours
.8. On peut trouver un nombre
fixe
C tel quequel
que soiti(i
>o).
Pour ledémontrer,
nous établironsqu’à
l’intérieur du cercle ricorrespondant
aupoint Pi,
on peutdisposer
i aireségales
à une airefixe o-,
n’ayant
entre elles aucunepartie
commune. Il y a une infinité de manières de réaliser cettecondition;
prenons, parexemple,
la suivante :De
chaque point Pi
de(E)
comme centre, décrivons uncercle l’i de
rayonfixe,
mais assezpetit
pour que ces cercles n’aient aucunepartie
commune(cela
estpossible,
la distance de deuxpoints l’i
étantsupérieure
à unelongueur fixe).
Tra-çons, dans chacun des cercles Yi, deux rayons
rectangulaires, symétriques
par rap- port àl’angle
droitcorrespondant
contenant (l.3 à son intérieur. Faisonscorrespondre
àchaque point Pi
le secteurdécoupé
dans lecercle 03B3i
parl’angle
~ droit
précédent.
L’aire de ce secteur est fixe.D’autre
part
le cercleri conlient
à son intérieur ou sur sonpérimètre
lespoints P,, P2,
...,Pi;
les i secteurscorrespondants
sont tous à l’intérieur defi,
cequi
établit la
proposition.
..9. Passons au
développement
d’unefonction
initiale en série defonctions
vi.Pour éviter toute
difficulté,
nous supposerons que ic"(m)
non seulement estcontinue, symétrique
pan rapport à ,A2, A3,
mais encore que cettefonction
admet des dérivées des quatrepremiers
ordres continues etfinies.
Euectuons sur le
plan
de H une transformationhomographique entière,
choisiede
façon
que letriangle a.~ correspondant
à soitrectangle
ena.~, isoscèle,
et que ses côtéségaux
aient t 27t pourlongueur.
Soit lepoint corres- pondant
à Dm et la fonction prenant en la même valeur queen
Les coordonnées p, , P2,
p3
de sontégales
aux coordonnéescorrespondantes
de J10. Mais si nous prenons pour axes de coordonnées
rectangulaires a’,
~’et
a~
et si nousdésignons
par x, et x2 les coordonnées de parrapport
àces axes, les formules
(4)
nous donnentet par suite
l’expression
des fonctions v devientCeci
posé,
la fonctionUo (~1~’~ possède,
aupoint
de vue de la continuité et desdérivées,
les mêmespropriétés
que Elle admet comme centres desymé-
trie les
points A~, A~, A3 correspondant
àA,, A.2, A38
.On peut
exprimer analytiquement
cette dernièrepropriété,
en disant que considérée comme fonction de x,, x2 nechange
pas : 1° si l’onchange
simultané-ment x, et x2 en - x, et - x2, et 2° si l’on augmente l’une ou de ces coordonnées de 2?T:.
Il résulte de cette
périodicité,
et de l’existence des dérivéesdes quatre premiers
ordres de
Uo (~1R~,
que cette fonction estdéveloppable
en une sérietrigonomé- trique double,
absolument et uniformément convergente(i)
Les coefficients
B, C, D,
E sont donnés par desintégrales définies; qu’il
estinutile d’écrire. Mais on constatera facilement sur
l’expression
des coefficients Det E que,
Uo
nechangeant
pas si l’onchange x,
et x2 en - x, et - x2, ces coef- ficients sont nuls.10. Transformons alors en sommes les
produits
2 cos m1x1 cos m2x2 et2
sin m1
x,sin m2x2,
il vientcette série
procède
bien suivant les fonctionsv(~1Z’).
En
changeant
en 27tP2 on a ledéveloppement
deUo (3Îl)
ensérie,
absolument et uniformément convergente,
procédant
suivant les fonctions vi. On pourra ranger les termes defaçon
que lesfonctions vi
seprésentent
dans l’ordre( i ) Voir PICARD, Traité
d’Analyse,
t. I, p. 2~o-z~ t.des indices i croissants. Soit t
le
développement trouve;
nous allons en déduire la solution duproblème.
~ ~.
Considérons,
à ceteffet,
la sériePour toute valeur
positive
occ nulle de t, les termes de cette série sont, en valeurabsolue,
inférieurs ouégaux
aux termes de même rang de la série(12).
Lasérie
y 3~
estdonc,
dans cesconditions,
absolument et uniformément convergente.La fonction
t)
ainsi définie est fonction continue det(t~o)
et se réduitbien pour t = o à lcc
fonction
donnée elle satisfait visiblement aux con-ditions de
symétrie
du 11° 5. Nous allons montrerqu’elle satisfait,
pour toute valeurpositive
de t, àl’équation
Nous ne considérerons
plus, désormais,
que des valeurs de tsupérieures
à unnombre
positif
to donné à d’ailleursquelconque. Reprenons
les axesOx, ny
du n° 6. Soient x, y les coordonnées de Montrons que lafonction (I3)
admet rapport à t, x, y, pour des valeurs
finies quelconques
de x et y,et pour t > to, des dérivées
partielles
de tous ordres que l’on peut obtenir eczdérivant terme à terme la série
(I3).
Il résulte du n° 10 que l’on
peut assigner
un nombre Kfixe,
tel que,quel
quesoit i,
.., -~Soit
Considérons la
série
formée par les dérivées des termes de la série
( r 3 ~.
On a
Or la somme des carrés des
expressions
est
égale
à la valeur absolue de chacune de cesexpressions
est inférieure à 03C61 2i.Il résulte de
là,
quepour t ) to.
Soit t p = l + q
+ r ,
2 la série à termespositifs (1)
est convergente. En
effet, l’inégalité Ci
~i du n° 8 nous donneet comme tend vers o
quand i
devientinfini,
il en est de même du pre- mier membre de cetteinégalité.
La série( 1 6)
est doncconvergente ; la
série(15)
est donc absolument et
unifor°mément
convergente.Dans les conditions
indiquées,
la fonctionU(~1i.-, t)
admet donc des dérivées~2U ~x2,~2U~03B32
, que l’on obtient en dérivant la Série « 3 terme à terme.Chacun des termes de
(~3)
vérifiantl’équation (14),
la fonctiont)
satis-fait à cette
équation.
Leproblème
est bien résolu.’
Je ne chercherai pas ici à
supprimer
les restrictionsimposées
à la fonction ini-tiale au n°
9,
restrictionsqui
ne sont nullement nécessaires. Je me con-(i) ) Voir la Thèse de M. LE Roy, n° 82.
tente
également d’ajouter
que les fonctionspermettent
de définir des fonctionsPi(M)
à la surface du tétraèdreinitial,
telles que les coefficientsAi
dela série
(i3)
donnant la solutions’expriment
an moyend’intégrales
étendues à la surface T du tétraèdre initial.
J’ajoute qu’il
semblepossible
d’établir l’existence de fonctionsanalogues
auxfonctions vi, et d’une solution du
problème
du n°2,
pour un tétraèdre ou unpolyèdre quelconque
à facesplanes;
mais le nombre despolyèdres
pourlesquels
on