A NNALES DE LA FACULTÉ DES SCIENCES DE T OULOUSE
M. M ENDES
Sur une équation aux dérivées partielles du second ordre
Annales de la faculté des sciences de Toulouse 4
esérie, tome 6 (1942), p. 83-105
<http://www.numdam.org/item?id=AFST_1942_4_6__83_0>
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SUR UNE ÉQUATION AUX DÉRIVÉES PARTIELLES
DU SECOND ORDRE
Par M. M. MENDES(1).
Nous étudions dans ce Mémoire
l’équation
qui s’apparente
à la fois àl’équation
dupotentiel
à deux variablesà
laquelle
on la ramène par unchangement
de Variables et àl’équation
deM. Humbert
qui
admet toutes lesintégrales
del’équation (1).
.Dans une
première partie,
nousindiquons
un certain nombre de pro-priétés
del’équation (1 ) qu’il
sera intéressant derapprocher
de celles don-nées pour
l’équation (3)
par M. Devisme dans sa Thèse(~) ;
dans une secondepartie
nous associons àl’équation (1)
un espace danslequel
l’élémentlinéaire serait donné par la formule
cet espace
présente
laparticularité,
étant à troisdimensions,
d’avoir un élément linéaire à deux dimensions.(1) M. M. Mendes est l’auteur d’un intéressant et profond travail, Sur le problème
des n corps à masses variables publié dans les présentes Annales en 1935. N. D. L. R.
(2) J. Devisme, Sur
l’équation
de M. Pierre Humbert (Annales de la Faculté dea Sciences de Toulouse, 1933). ..PREMIÈRE
PARTIEPropriétés
del’équation 0.
.1. - Nous
utiliserons,
enplus
desvariables
x, r~, z, lesvariables
u, v, wet ~ , ~ , ~
liées par les relationsoù j et j2 représentent
les racinescubiques imaginaires
del’unité, qui
don-nent lieu aux
égalités
~x, y, z sont réels en même
temps que 03BE, ~, 03B6
et l’on aNous poserons
. Notons
également
les identités, 2. -
L’équation d’,
U == 0 écrite en variables u, .v, montre que sun inté--
grale générale
est de laforme
f
et g étant deuxfonctions
arbitraires.85
On en déduit immédiatement que si U(x, r~, z)
est uneintégrale
de~1 ),
ten
est de mêmedes
fonctions . ~ .~ où
f ~~w)
est une fonction arbitrairede
~w et Vreprésente
une dérivéequel-
conque de U.
~ ~ ~-
Tout
polynôme
en r, y, z se transforme en unpolynôme
en u, v, w. Unpolynôme
solution s’écrira ’~..
-Cherchons
lesintégrales
de = 0qui
nedépendent
que de p = u v. Posonsl’équation @
# 0 devient,
=0 ,
dontl’intégrale générale
est_ i U i V . q
. Donc
, THÉORÈME. - La seule
intégrale
de nedépend
que dep e8t
.log p.
-Ce
théorème
sedémontre
aussi immédiatement avec lesvariables
~.. 4. 2014 La
solution
fondamentale del’équation (2)
étantlog ( ~
+~),
celle~e
A~
= 0 serayt
+ zx - ’...
Plus généralement,
est solution de(2),
sedéveloppe
sousla
forme
. ~t sur le
cer~cle 5’ +
= t se réduit à .~n (5~
étant lepolynome
deGegenbauer
d’ordre zéro..On a ’
’
les fonctions
Qn (x . y , z)
se réduisant sur la surfaceaux
polynômes Con (x+y 2 -z)
deGegenbauer.
l’équation
admet les
intégrales
Pour avoir des solutions de
l’équation (1) qui
soientsymétriques
enx, ~, z, nous poserons
et définirons ;, , ~_ ~ ~, par les relations
Nous aurons alors par
exemple
lesintégrales
Les
égalités
montrent que l’on a
On en déduit
Les
intégrales Sp"’ sin
ne seront différentes de zéro que pour m =3 k,
- ce
qui
donne .k = 1 fournit
l’intégrale
De
même,
on a leçintégrales
qui pour k
= ’ 1 donnentB.
~ Nousreprésenterons
parl’opérateur 0’,
U itéré k fois. Posonscomme au
paragraphe
3 : :- ’
~p
’
L’équation A~F==0
s’écrit et fournit uneéquation
linéaire àcoefficients
constantsdont, l’équation caractéristique
est r2 == 0.L’équation ~F==0
s’écritet fournit
une équation
linéaire à coefficients constants dontl’équation
caractéristique
est r2(r - 1)2
= 0.On voit de
proche
enproche
quel’équation
= 0fournit
uneéqua-
tion de même forme dont
l’équation caractéristique
estOn en déduit que les
intégrales
del’équation ~’2
U = 0qui
nedépendent
que de p sont données par la
formule générale
’~. - THÉORÈME : 1
L’équation di f f érentielle
donnant lesintégrales.
de,
l’équation :~’;
U = 0qui
n,edépendent
que de ~a,peut
se mettre sous laforme
~
,
Cette
formule
est vraie pour k = 1. Admettonsqu’elle
le soit pour l’in- dice k - 1. La relationappliquée
à la fonctiondonnera
et l’on doit vérifier que l’on a
également
L’égalité
des deuxexpressions
de~2k F
résulte du calcul des dérivéesau
moyen
de la formule de Leibnitz relative à la dérivée d’unproduit.
Laformule annoncée est donc établie.
8. - THÉORÈME: Si U
(x,
y, z~est
uneintégrale
del’équation ~’,U=o,
tt ~en est de
même
de laf onction
On a, en
effet,
’Prenons
pour nouvellesvariables
d’où
les relations
on en déduit
ce
qui démontre
le théorème.,
’9. - Nous introduirons les fonctions
suivantes, qui
ne diffèrent deseosinus d’Appell
que par un même facteur :Ces fonctions vérifient les
identités
10. ~- Effectuons le
changement
devariables
Les
quantités
sont des
intégrales
de~’, U = o .
Par des combinaisons linéairesimmédiates,
on
en
déduit lesintégrales
- -On a,
de même,
lesintégrales
d’où l’on déduit les
intégrales
puis
lesintégrales
d’où l’on déduit les
intégrales
et ainsi de
suite.
11. 2014 THÉORÈME: Si U
(lll,
y, Z ) est UReintégrale
del’équation 0394’2U
=0,
il en est de même des
fonctions
Les
identités (7), (8), (9)
donnent en effet leségalités
d’où,
paraddition,
qui démontrent
le théorème..12. 2014 THÉORÈME
: Si U(x,
y,z) est
uneintégrale
del’équation 0394’sU=0,
la
fonction
..est intégrale l’équation 0394rn+12 U
= 0.a, en effet .
et le thorème se démontre par
récurrence,
en tenantcompte
du théorème duparagraphe
11(2~ partie)
. ’Remarque :
Ce théorème reste évidemmentexact,
si l’onremplace
ppar
fi = uvw. ;.=...13. - THÉOhÉME : Soient ce,
P,
y trois constantes telles queet
f(t )
unefonction
arbitraireassujettie
seulement àposséder
une dérivée~ seconde
f " (t ) .
Si l’on posef ~f2~-, f (f33 )
sont desintégrales
del’équation ~‘~~’
= 0. .Démonstration: 1 ° Si l’on pose
on as en effet
2° La seconde
partie
résulte de l’identité3e Si l’on pose
Selon que a = 0 ou b =
0, t3
sera fonction de v et w ou de u et ~u~; doncf (tg) )
sera uneintégrale
de==0.
Remarque :
L’identitémontre que
f (t2)
est en mêmetemps intégrale
del’équation
14. - COROLLAIRE : Si 03B1,
03B2,
03B3 sont les trois racinescubiques
d’un mêmenombre et que l’on pose
f ~t ~
est uneintégrale
del’équation
= U . .°
On
pourra,
eneffet,
poseret l’on retombe sur le théorème
précédent.
,
On
peut
aussi remarquer que l’on a .ce
qui démontre
le théorème.15. - THÉORÈME : Si U est une
fonction
de x, y, zdéfinie
par l’une desrelations
~~où
A, B,
C sont troisfonctions
de Uvérifiant l’égalité
U est une
intégrale
del’équation 0394’2 U
= 0.Démonstration : 1 ° Si l’on pose
Cette
équation
définit U comme fonction de u et :wseulement,
cequi
démontre lapremière partie
du théorème. ,2~ La seconde
partie
résulte de lapremière
en vertu de l’identité(12)
appliquée
aux lettresA, B,
C.. , .’ 3" Le-
changement
devariables
du 1" donneavec = o.
Pour S
===o. on a
larelation
qui
définit U comme fonction de u et wseulement.
16: - Dans le théorème du numéro
’13,
prenonsf
=et~~.
Comme’on en déduit les
intégrales
d’où l’on déduit les nouvelles
intégrales
qui
nedépendent
que de deux variables.17.
- Lechangement
de variables défini pardonne
On
endéduit
tethéorème
suivant : :THÉORÈME :
Si
U(x,
y,z)
est uneintégrale
del’équation 0394’sU = 0, il
enest de même cfe fa
fonction U(r, 03B8, 03C6),
où les nouvelles variables sont dé-finies
parrapport
auxanciennes
par lechangement
de variablesprécédent.
SECONDE
PARTIEÉtude
d’unespace
attaché àl’équation
== 0. .18. 2014
Nous
considéronsl’espace
oùrétament
linéaire est donné par la formule ~ ., .-
.
M’l" M2
étant deuxpoints
de coordonnées est~2,
r~2, z2, leur distance.
M~, Ma
sera donnée par laformule ,
,
.
,
A
chaque point
M(x,
y,z )
,de cet espace nous associerons dans unplan fl(1, 1)
lepoint ~
dont les coordonnées sont données par les formules(6)
°
et
appellerons
d « l’élément linéaire dans ceplan.
L’identité ’ ..
montre que l’on a
’
représentant
la distance euclidienne descorrespondants
tLi’ ;~4 deMi, 1r12..
,Nous
appellerons plan,
l’ensemble despoints
dontles
coordonnées véri-fient une équation
dupremier degré,
droite l’intersection de deuxplans ;
onen déduit la notion du
parallélisme
desplans
et des droites comme dans.
l’espace euclidien.
, ’’
Si on donne à
= . ~f,
des valeursfixes,
leséquations (6) représentent
unedroite
parallèle à
la droite Dd’équations
x = y = z.Appelons
P leplan d’équation x
+ y + z = 0. Lesparallèles
à D menées par deuxpoints
M2 perçant P
en m1, m2, on aDonc. si Mi
etM2 se déplacent respectivement
sur deuxparallèles
âD,
la distanceMi M 2
ne varie pas.A une droite du
plan
Pcorrespond
une droite dans leplan IL
Si nousvoulons réaliser le minimum de
l’intégrale
il nous faudra réaliser leminimum
de/ ds, ou celui de / d cr; il faut pour cela que décrive
. la droite 1, 2* donc que m décrive la droite mi m2, donc que M décrive une
courbe
quelconque
.contenue dans leplan
mlMi
m2M2.
Par deux
points Ml, M 2
il passe unieinfinité
degéodésiques,
toutes con-tenues dans le
plan
mené parM2 parallèlement
à la droite D.Nous
appellerons
ceplan
leplan géodésique relatif
àM1, M2.
Par deuxpoints
il passe engénéral
.unplan géodésique
et unseul.
Il y aexception
si
Ml
etM2
sont sur unemême parallèle
à D. Dans ce cas, le morceau de droiteMi M2
constitue uneligne géodésique
delongueur
nulle.La distance entre deux
points
situés sur une mêmep.arallèle
à D estnulle.
Les
parallèles
à Djouent
doncdans
notre espace le rôle des droites.
isotropes.
,
~
.
.
Les
équations (6)
montrent que pour toutpoint
duplan
P on a. Les droites de ce
plan
vérifiant x2 + x y +z/~
== 0 fournissent deux directionsisotropes.
Lesplans imaginaires
menés par ces directionsparal-
lèlement à D sont tels que la distan,ce entre deux
points
situés sur eux estnulle.
Nousappellerons plans isotropes
cesplans..
Leur intersection avec unplan quelconque
fournira les directionsisotropes
de ceplan.
Cesplans
. contiennent commé droites réelles des
parallèles
à D.19. - Les
équations (6)
mettent en évidence laparallèle
à D surlaquelle
se trouve le
point
NI. Pour fixer sur cette droite laposition
deàI,
nous nous.donnerons ta distance euclidienne 1 de l~t au
plan
P par la relationx,~ ~, z et ~, ~ ~ 5
seront alors liées par lesrelations (4) qui
établissent unecprrespondance ponctuelle
entrel’espace
E(x, y, z)
et , r, , ,~);
;cette
correspondance
estunivoque
etréciproque.
~~ A
un point
M del’espace
E nous ferons donccorrespondre
lepoint
del’espace ~
et lepoint
duplan 03A0
,projection
de surII.
,A
unedroite 3)
del’espace.
Epous
ferons de mêmecorrespondre
la droite .A
de 1’espace 8
et laprojection
ô de d sur leplan Il.
.20. ’-
Cherchons
les formulesqui
définissentle déplacement
leplus
’
.
général
dupoint
M~(x, ~, z)
. Soit M’(x’, y’, z’)
lanouvelle position
de M.Les homologues
de M et M’ dansl’espace 8
ont pourcoordonnées 03BE, ~, 03B6
et
~’, ~i~, ~’..
La seule.’condition
àréaliser
pour la conservation des dis-tances
est l’invariance de’la quantité ~~+ r,~.
Lepoint
~. duplan
II doitdonc subir un
déplacement
au senseuclidien,
cequi exige que 03BE, ~
et03BE’, ~’
soient liées par
des relations
de la forme ’’
Quant-.à
la cote1’,
ellepourra
êtreprise quelconque.
Euégard aux
re-’
latio,ns (6),
onaura donc, 03BE0,
~0, 03C6 étant desconstantes qui définissent
le.déplacement de et 03B6’
une fonction arbitraire de x, y, z, les relations. ,
qui permettront
de calculerx’, y’, z’
en fonction de x, y, z.La transformation
précédente
conserve lesdistances;
elle ne conserve -pas en
général les angles tels
que nous les définirons.21. - Considérons un
1 plan ~
et unpoint
M. Laparallèle
menée par M à .D coupe engénéral ~
en unpoint H,
et la distance MH est nulle.Il
n’y
auraitexception
quesi !
étaitparallèle
àD,
M étantquelconque :
dans cecas, D
,.necouperait plus L,
mais une droite infinimentvoisine
de3)
lecouperait
en unpoint
H infinimentvoisin
deM(avec
notrenotion
de~
distance). Les distances
de M aux différentspoints de ~ auraient
alors, zéro comme limite
inférieure, mais
cette limite ne serait pasatteinte.
Si donc nous
appelons
distance d’unpoint
à unplan
la limite inférieuredes distances de ce
point
aux différentspoints
duplan,
cette limitepouvant
ne pas être
atteinte,
nous pourrons direque la
distance d’unpoint
à unplan
est
toujours
nulle.22. --
Plaçons-nous
dans leplan
x 0 r~. Leséquations (6),
danslesquelles
on fait z =
0,
donnentSoient,
dans ceplan,
la droiteet le
point
M(xo,
..o et p étant les
homologues
dans leplan
IIde D
etM,
la distance de Mà D
estégale
à la distan.ce euclidiennede p.
à ô. Or les coordonnées dansIl
de tL
sont ‘et la
droite 0
a pouréquation
On en déduit pour la distance de M
à D
la formule23. - Si M a pour coordonnées .~, y, z; posons
Pi, Ri
étant les fonctions définies auparagraphe
9.L’équation (14)
montre que ? n’est autre que la distanceOM,
et l’onaura pour cosinus directeurs de la droite OM
24. ~--- Considérons deux vecteurs de
composantes a, b,
c eta’, b’, c’,
ou decosinus directeurs Pi fe~ n?,
, ...,F~ ( ~‘, ~~),
, ...Nous
définironsl’anglé
V de ces deux directions par la relationSi l’on
considère
lesdirections homologues
dans leplan
Mdes
deuxdirections données,
Vreprésentera également l’angle
de ceshomologues.
On
voit facilement que l’on a .~ Deux directions
sont,
pardéfinition, . orthogonales
sil’on
a cosV f
0.’
25. --~ Considérons la droite . ,.
’
..
, Les
droites
menéespar l’origine, orthogonales
àcelle-là,
ont pouréqua-
tions
a’, b’,
c’vérifiant
larelation
. ’et sont situées dans le
plan
. Ce
plan, orthogonal
à la droite( 14 ) , peut
s’écrireavec A + B + C =
0;
c’est unplan géodésique.
Il est indéterminé si l’on a
c’est-à-dire si la droite donnée est
parallèle
à D.Inversement,
donnons-nous unplan
La direction
perpendiculaire
a desparamètres
directeurs a,b, c qui
fient’
Si A + B + C
4= 0,
leséquations
se réduisent à deux et donnent a = b ==c : : on obtient une direction
paralèle
àD.
Si A + B +C ==
0,
leséquations
se réduisent à une : ~.par
exemple, qui
donne une infinité de droites situées dans leplan parallèle
à , ’
En définitive : :
Une droite
quelconque
admet en chacun de sespoints
unplan
perpen-’ diculaire
qui
est unplan géodésique;
une droiteparallèle
à D admet n’im-porte quel plan
commeplan perpendiculaire.
Un
plan quelconque
admet en chacun de sespoints
une droiteperpendi-
culaire
qui
estparallèle
àD;
unplan géodésiqu~e
admet uneinfinité
de droi-tes
perpendiculaires,
toutes situées dans un .mêmeplan,
lui-mêmegéodé- sique.
’
26. -
Remarques :
I.On
nepeut
pas définirl’angle
de deuxplans
comme
l’angle
de leursnormales, puisque
celles-ci sontparallèles
entre.elles. Nous pourrons dire que
l’angle
V des deuxplans
~ ’
est défini par
l’égalité
On définira de même
l’angle
V de la droitepar
l’égalité
II. La recherche de la distance d’un
point
à une droite revient àcher-
’
cher la distance
euclidienne
d’unpoint
duplan
des~~~,
à une droite de ceplan,
ou, cequi
revient aumême,
à abaisser de cepoint
laperpendiculaire
sur cette droite.
Donc,
dans notre espaceégalement,
laplus
courte distanced’un
point
à. une droite s’obtient en abaissant de cepoint
laperpendiculaire
sur. là droite.
’
27.
-Remarquons qu’avec
notre définition del’angle
de deuxdirections,
le éal
à203C0
Considérons , les axesde
coordonnées font entre eux unangle égal
à-~-’
. Considérons alors un nouveau trièdepareil
Ox’y’
z’. Si les cosinus directeurs des nou- _veaux axes avec les anciens sont donnés par le tableau suivant : ’
on a les formules de
changement
d’axes -et
l’on
endéduit,
en tenantcompte
des relations telles quela relation
La distance de M à
l’origine
est invariante par lechangement
de variablesprécédent.
Ce
changement
de variables conserveégalement
lesangles. Soient,
eneffet,
deux directions de cosinus directeursa , ~ , ;
et ~, ~,~1, ~"
parrapport
aupremier système d’axes, «~, ~’, y’
ety‘,~ (%~,~ ~y~,
parrapport
au se.condsystème.
Les relations
donnent
- ce
qui
démontre laproposition.
,Nous dirons que le
système (15) )
définit une rotation autour del’origine.
f
Le
déplacement
leplus général qui
conserve à la f ois les distances et lesangles
est défini par une translation et unerotation,
au moyen des formulesM.
2014 La
surfacequi
dans notre espacejoue
le rôle d’unesphère
a pouréquation
Elle est
engendrée
par une droiteparallèle
à D. Onpeut
lareprésenter
para-métriquement
par leséquations
.Le
plan tangent
aupoint (x,
y,z) )
a pouréquation
La normale en un
point
est lagénératrice passant
en cepoint.
Si l’on mène par un
point
fixe M(xo,
yo,zo )
une sécantel’intersection de cette droite et de la surf ace est donnée par
d’où,
entre les deux racines~~, ~ ~,
de cetteéquation,
la relationo,
représentant
la distance OM.,
On a ainsi défini la
puissance
de M parrapport
à lasurface.
29. --- Considérons une courbe
gauche
où s
désigne
l’abcissecurviligne.
. Les cosinus directeurs de la
tangente
sontLe
plan
normal aupoint (x,
~,z~,.a
pouréquation
,_
... .,.
Le
p.lan
osculateur a pouréquation
~
On en déduit que la normale
principale
a pourparamètres
directeursSi l’on
désigne
par~’, y’
les cosinus directeurs de la normaleprincipale,
on a les relations
On
pourrait
définir latorsion, puisque
nous avons définil’angle
de deuxplans,
mais les formules seraientcompliquées.
105 v
Si
nous considérons la courbe commetrajectoire
d’un certain mouvementd’équations
. ’(~
on aura, en