J. F. F RANÇAIS
Philosophie mathématique. Nouveaux principes de géométrie de position, et interprétation géométrique des symboles imaginaires
Annales de Mathématiques pures et appliquées, tome 4 (1813-1814), p. 61-71
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6I
PHILOSOPHIE MATHÉMATIQUE.
Nouveaux principes de géométrie de position ,
etinterprétation géométrique des symboles imaginaires,
Par M. J. F. FRANÇAIS , professeur à l’école impériale
de 1’artillerie
etdu génie.
GÉOMÉTRIE DE POSITION.
IL
est si naturel deconsidérer ,
a lafois ,
engéométrie,
lagrandeur
et laposition
deslignes,
que, dèsqu’on
a commencé àcultivercette science,
ona dû avoir besoin
d’exprimer
desrapports
degrandeur
et desrapports
de
position,
entre les différenteslignes composant
unefigure quelconque.
J’ose dire
qu’il est surprenant, d’après cela ,
que lespremiers principes
de la Géométrie de
position
nesoient
pas encorecomplètement
établis. Cette
assertion, elle-même,
pourra, aupremier abord,
semblerexagerée
etparadoxale ; mais j’espère
que sa vérité sera mise hors dedoute,
par les détailsqui
vont suivre.Notation
I.re. Nousreprésenterons
ici lagrandeur absolue d’une
droite par unesimple lettre
comme a ,b,
c ,...x, y, Z,....;et , pour
indiquer, à
lafois
lagrandeur
et laposition
d’unedroite,
-rtous affecterons la lettre destinée à
désigner
sa valeurabsolue
d’unindice
exprimant l’angle
que fait cette droite avec une droite fixeet
indéfinie, prise arbitrairement,
etqui
pourra être considérée commel’axe des abscisses
positives. Ainsi,
parexemple,
a03B1,b03B2,
...,x03BE,
y03C5, ....représenteront
des droites dont lesgrandeurs
absolues sont a,b, ...,
x, y ,...., et
qui font, respectivement
avec l’axe des xpositives
Tom. IV,
n.°II,
I.erseptembre 9
des
angles",
03B2 ,...., 03BE , 03C5 ,.... Cette distinction estnécessaires
afin de ne pas confondre une idée
composée
avec une idéesimple 1
une
grandeur
donnée deposition
avec unegrandeur
absolue.Définition
I.re. Nousappellerons Rapport de grandeur
lerapport-
numérique
entre lesgrandeurs
de deuxdroites,
etRapport
deposition
l’inclinaison
desdeux
droites l’une versl’autre,
oul’angle qu’elles
font entre elles. Pour comparer entre elles deux droites données à la fois de
grandeur
et deposition ,
il faut considérer non seulement lerapport
que leursgrandeurs
ont entreelles,
mais encore commentces droites sont
placées
l’une relativement àl’autre ;
c’est cequ’ex- prime
notrerapport
deposition.
Définition
2. Nous dirons quequatre
droites sont enproportion
de
grandeur
et deposition, lorsqu’entre
les deux dernières il yaura même
rapport
degrandeur
et mêmera
deposition qu’entre
les
deuxpremières.
Ainsi il ne suffit pas , pourqu’il
y aitproportion
de
grandeur
et deposition
entrequatre droites,
que lerapport
ditgéométrique,
entre le second antécédent et sonconséquent ,
soit lemême que celui
qui
existe entre lepremier
antécédent et sonconséquent ;
ilfaut ,
en outre , que lerapport
que nous avonsappelé
rapport
deposition ,
soit aussi le même.Exemple. Ainsi ,
pour avoir laproportion
degrandeur
et deposition a03B1:b03B2::
c03B3:d03B4, il
faut qu’onait,
a la fois, b a = d c et 03B2-03B1=03B4-03B3.Corollaire
I.er. Il suit de là que, dans uneproportion
de gran- deur et deposition ,
lesgrandeurs
absolues des droites sont enproportion géométrique,
tandisque les angles
que font ces mêmesdroites avec l’axe des abscisses
positives
sont enproportion
arithmé-tique.
Corollaire
2. Il s’ensuit encore que , dans deuxfigures semblables, disposées
d’une manièrequelconque
sur un mêmeplan , les
côtéshomo- logues
sont enproportion
degrandeur
et deposition ;
car lesgrandeurs
absolues de ces côtés sont en
proportion géométrique ,
et lesangles
qu’ils forment
deux àdeux
sontégaux.
DE POSITION. 63
Remarque.
L’idée deproportionnalité ,
engéométrie,
est fondéesur la similitude des
figures ;
notre définition 2.erepose
donc surun
principe
fondamental de lagéométrie ordinaire,
et nous ne faisonsqu’exprinier,
d’une manièreexplicite ,
la double circonstance de laproportionnalité
des côtéshomologues
et del’égalité
desangles compris
entre ces côtés.Définition
3.Lorsque ,
dans uneproportion
degrandeur
et deposition,
leconséquent
dupremier rapport
devient en mêmetemps
l’antécédent dusecond,
laproportion
degrandeur
et deposition
est dite
continue ;
et une suite de termes , dont trois consécutifsquelconques
forment uneproportion
continue degrandeur
et deposition ,
est uneprogression
degrandeur
et deposition. Ainsi ,
une suite de droites en
progression géométrique
ordinaire ne forme uneprogression
degrandeur
et deposition
quelorsque
lesangles que
les droites consécutives font entre elles sont
égaux.
Exemple
I.er. Pour avoir laproportion
continue degrandeur
etde
position a03B1:b03B2:: b03B2: c03B3
, ilfaut qu’on ait)
à lafois , -
= - et03B2-03B1=03B3-03B2.
Corollaire I.er.
Donc,
pourqu’une
droiteb03B2
soitmoyenne
pro-portionnelle
degrandeur
et deposition entre a03B1
et c03B3, il fautqu’on
ait
03B2=I 2(03B1+03B3) ;
en sorteque b03B2 partage
en deuxparties égales ,l’angle
formé par les droitesa03B1, c03B3.
Exemple
2. Pouravoir
laprogression
degrandeur
et deposi- tion a03B1:b03B2:c03B3....l03BB: m03BC, il faut qu’on ait,
a lafois, b a = c b =
...Corollaire 2.
Donc ,
dans uneprogression
degrandeur
et deposition ,
lesgrandeurs
absolues des droits sont enprogression géométrique ,
tandis que lesangles qu’elles
font avec l’axe desabscisses positives
croissent enprogression arithmétique.
Notation 2. Nous pouvons maintenant
séparer,
dans lanotation,
64
ce
qui
estrelatif
à lagrandeur
absolued’une
droite de cequi
est relatif à sa
position.
D’abord on a , par lapremière
notationa0=a, I0=I; et ensuite on a, par la définition
1 : 1
a: ad, d’où l’on tire a03B1=a.I03B1.Ainsi ,
nous pourronsreprésenter ,
de gran- deur et deposition ,
la droite a. par a,I03B1 , où a est lagrandeur
absolue ,
et I03B1 lesigne
deposition.
Définition 4.
Nousappellerons
Droitespositives
cellesqui ,
étantparallèles
à l’axe desabscisses ,
sontdirigées
degauche
àdroite
et
Droites négatives
cellesqui,
étantparallèles
à l’axe desabscisses,
sont
dirigées
de droite àgauche.
Nousappellerons ,
demême’ Angles positifs
ceuxqui
sontcomptés depuis
l’axe des abscissespositives,
en montant , et
Angles négatifs
ceuxqui
sontcomptés depuis
lemême axe , en
descendant.
C’est là la définition ordinaire des qual1- titéspositives
et desquantités négatives
engéométrie ; mais ,
il s’enfaut de
beaucoup qu’on
en ait tiré toutes lesconséquences qu’elle
est
susceptible
d’offrir. En combinant cette définition avec lespré- cédentes,
nous allons en déduire une manièresimple ,
uniforme etféconde de
représenter
leslignes
degrandeur
et deposition.
Corollaire. I.er. Il suit de cette définition et de nos notations
qu’on
a+I=I0,
et -I=I±, et
parconséquent +a=a (+I)
=a.I0,
et -a=a (-I)=a.I±.
Corollaire
2. Onsait,
d’un autrecôté ,
que+I=eo-I,
et
-I=e±-I;
ona donc
aussi+a=a (+I)=a.e003C0-I.
et
-a=a (-I)=a.e±-I.
Remarque.
Il est vraiqu’on
aplus généralement, +I = e± 2n-I.
et
-I=e± , n
étant un nombreentier quelconque ; mais,
dans le
géométrie
deposition ,
on n’a besoin que d’un seul tour decirconférence ,
pour déterminer laposition
d’unedroite ,
cequi
suppose n=0 , et réduit ainsi les
expressions
de +i et de -i àcelles
du corollaireprécédent.
DE POSITION.
65Théorème
I.er. Lesquantités imaginaires ,
de laforme ±a-I.
représentent ,
engéométrie
deposition
, desperpendiculaires
à l’axedes
abscisses ;
etréciproquement
lesperpendiculaires
a l’axe desabscisses sont des
imaginaires
de la même forme.Démonstration. La
quantité ±a-I
est une moyennepropor-
tionnelle,
degrandeur
et deposition ,
entre +a et -a , c’est-à-dire, entre a.
eta± ; donc , d’après
le corollaire I.er de la définition3.e,
la valeur de cette moyenneproportionnelle
, de gran- deur et deposition ,
est a±;c’est-à-dire, qu’elle
estperpendi-
culaire a l’axe des
abscisses,
etdirigée
soit en dessus soit en dessousde cet axe ; et l’on a
+a-I=a+03C0 2,
et-a-I=a-03C02. Réci-
proquement
touteperpendiculaire
a l’axe des abscisses estreprésentée, d’après
nosnotations ?
para±: elle
est, parconséquent, d’après
le corollaire I.er de la
définition 3 ,
une moyenneproportionnelle
entre47 .
eta±03C9,
ouentre
+a et -a: elle est donc unequantité ima- ginaire
de la forme±a-I.
Corollaire 1 er . Il suit de la que
±-I
est unsigne
deposition qui
estidentique
avec i +.Corollaire 2. De
plus puisqu’on
a-I= I ±. on
a aussi
Corollaire 3. Les
quantités
ditesimaginaires
sont donc tout aussiréelles que les
quantités positives
et lesquantités négatives ,
et n’endiffèrent
que
par leurposition qui
estperpendiculaire
a celle deces dernières.
Remarque générale. Cette
théorie dessignes
deposition
est une con-séquence
nécessaire et irrécusable despremiers principes.
Elle estplus
conforme aux
régies
d’une sainelogique
que la théorie ordinaire où l’onadmet ,
un peugratuitement
ou du moins sansnécessité ,
deuxespèces
différentes dequantités positives ,
et autantd’espèces
dequantités négatives (
les abscisses et lesordonnées ) ;
car ,dès qu’on
admet la définition
4.e
desquantités positives
et desquantités négatives ,
il n’est
plus permis
d’en introduire d’autresqui
ne soient pascomprises
dans cette
définition ;
et l’on estobligé
forcément d’admettre toutes lesconséquences
que cette même définition entraîne. Cesconséquences heurtent, à
lavérité,
les idées reçues mais c’estque
ces idées sontfondées sur un défaut de
dialectique, qui
consiste à admettre deuxprincipes,
et deuxprincipes incompatibles
, là où un seul seraitsuffisant.
Théorème
2. Lesigne
deposition I03B1
apour valeur e03B1-I;
c’est-à-dire , que
.Démonstration.
Supposons
que la demi-circonférence décrite d’unrayon
= i soitdivisée ,
dans le sens desangles positifs ,
en mparties égales,
etqu’on
mène des rayons auxpoints
dedivision ;
cesrayons formeront , d’après
la définition3.e ,
uneprogression
degrandeur
et de
position :
or, les deux termes extrêmes de cetteprogression étant I0=+I et I=-I=e-I,
les termesintermédiaires
I, I 2 m, I3 m ....
I(m-I)
auront pourvaleurs
e
303C9 m-I,... e(m-I)m-I;
de sortequ’en général
on aura I n =n em -I;
et ,
comme n m peut représenter
unangle quelconque,
on aura finale-ment
I03B1 = e03B1-I.
Corollaire I.er Si l’on
prend
leslogarithmes
naturels desdeux
membres del’équation I03B1 = e03B1-I,
on aura03B1-I=Log.(I03B1):
cequi
fait voirqu’en géométrie
deposition
les arcs de cercle sont leslogarithmes
des rayonscorrespondans.
Ces arcs de cercle sont, commeon le
voit ,
affectés dusigne
deposition -I,
cequi paraît
très-naturel , puisque
leurdirection
est dans un sensperpendiculaire à
l’axe
desabscisses.
67
DE- POSITION.
Obserpation.
Le corollaireprécédent contient
legerme d’une théorie très-simple
et très-lumineuse deslogarithmes naturels,
etde leurs
rapports
avec la circonférence du cercle. Ilexplique
l’ex-pression énigmatlque »
les arcs de cercleimaginaires
sont deslogarithmes
« ; ildonne
enfin un sens raisonnable etintelligihle à l’équation symbolique
etmystérieuse -I=Log.(-I).
Corollaire 2.
Puisque, d’après
la notation2.e,
on a a03B1=a.I03B1;il suit du théorème
précédent qu’on
a aussia03B1=a.e03B1-I.
Corollaire 3. Comme on a
e03B1-I = Cos.03B1+Sin.03B1.-I,
il s’en-suit que
a03B1=aCos.03B1+aSin.03B1-I
c’est-à-dire que, pourexprimer
une droite de
grandeur
etde position, il faut prendre
la somme de sesprojections
sur deux axes de coordonnéesrectangulaires :
bien entenduqu’on prendra chaque projection
avec sonsigne
deposition.
Corollaire
4.
Il suit de làqu’â
une droitequelconque ,
donnée degrandeur
et deposition ,
onpeut
substituer tant d’autres droitesqu’on voudra,
pourvu que la somme de toutes, lesprojections
deces dernières soit
égale
à la somme desprojections
de la droitedonnée ; c’est-à-dire , qu’à
une droitex03BE
onpeut
substituerles
droites
a03B1, b03B2, c03B3, ....m03BC, pourvu qu’on ait ,
entre cesquantités y
la relation
ou, à cause de
l’indépendance
dusigne -I,
On voit que toutes ces droites a03B1 ,
b03B2, c03B3,... peuvent
êtreprises
arbitrairement, à l’exception
d’uneseule,
dont lagrandeur
et laposition
doivent être déterminées parl’équation (A)
ou par seséquivalentes (B).
Réciproquement,
onpeut
substituer à tant dedroites ,
donnerde
grandeur
et dedirection , qu’on
voudra une droiteunique ; poun.u
que les
projections
de cettedernière,
sur deux axesrectangulaires,
soient
respectivement égales
aux sommes deprojections
despremières
sur les mêmes axes ; et alors sa
grandeur
et saposition
se trou-veront
déterminées
par leséquations (B).
Corollaire 5. Si les
droites x03BE
a03B1,ba c03B3,.... m03BC
du corollaireprécédent
forment unpolygone fermé,
leséquations (B)
sontévidemment
satisfaites.Donc,
onpeut
substituer à une droitequel-
conque donnée une suite d’autres
droites ,
formant unpolygone
fermé avec la droite
donnée ;
etréciproquement ,
a une suite dedroites formant un
polygone
nonfermé,
onpeut substituer
la droitequi
fermeraitle, polygone.
Application
à lamécanique.
Les trois derniers corollaires sontimmédiatement applicables
à lacomposition
et à ladécomposition
des forces. En
effet ,
uneforce,
donnée d’intensité et dedirection, peut toujours
étrereprésentée
par une droite donnée degrandeur
et
de position , qui
est le chemin parcouru, en vertu de cetteforce ,
dans l’unité detemps.
En substituantdonc ,
dans les troisderniers
corollaires ,
les mots «force
donnée d’intensité et de direc- tion » à ceux-ci « droite donnée degrandeur
et deposition » ,
on aura immédiatement les théorèmes connus sur la
composition
etsur la
décomposition
des forces. Cettethéorie, qui
étaittoujours sujette
àquelque difficulté,
setrouve,
donc réduite à unequestion
de
géométrie
deposition.
Bemarqite.
Il est bond’observer qu’au moyen
dusigne
deposi-
tion
-I,
lesabscisses
et les ordonnées se trouvent aussi indé-pendantes,
engéométrie
deposition ,
que le sont , enmécanique,
les forces
perpendiculaires
entre elles. Cette conformité seule éta-blirait
unargument
nonéquivoque
en faveur de notrethéorie,
si d’ailleurs elle ne sc
justifiait
pasd’elle-même.
Thèorème
3. Lesigne
deposition
I03B1 aaussi
pour valeur 103B1 203B1 ; c’est-à-dire, que I03B1=I03B1 2.
Démonstration.
DE POSITION. 69
Démonstration. Si l’on divise la circonférence décrite d’un rayon
== 1 en m
parties égales ,
etqu’on
mène des rayons auxpoints
dedivision ,
ces rayonsformeront , d’après
la définition3.e ,
une pro-gression
degrandeur
et deposition,
dont les deux termes extrêmes2 seront
également
l’unité. On aura doncI 2 m =Im, I 4 m = Im,...
I 2n m = Im. Supposant
donc 2n m = 03B1, on aura n m = a 2, et parcon-séquent I03B1 = 1 03B12.
Corollaire I.er Il suit de ce
théorème,
I.0 que les rayonsqui
partagent
en mparties égales
la circonférence dont le rayon est 1,représentent
les m racines m.me de1’unité ;
2.0 que toutes ces racinessont
égales
entre elles et àl’unité,
etqu’elles
ne diffèrent les unes desautres que par leur
position ;
3.°qu’enfin
elles sont touteségale-
ment
réelles , puisqu’elles
sontreprésentées
par deslignes
donnéesde
grandeur
et deposition.
Corollaire 2. En
comparant
ce théorème avec leprécédent,
on obtientimmédiatement les valeurs connues des racines de
l’unité, qu’on peut ,exprimer,
engénéral ,
par in m = e 2n03C0 m -I
Cos.2n 03BC + Sin.2n m. -I.
Remarque
I.re En combinant entre eux les théorèmes 2.e et3.e,
ainsi que leurs
corollaires ,
onpeut
faire lesrapprochemens
lesplus
curieux et les
plus
intéressans entre les arcs decercles,
lesloga-
rithmes naturels et les racines de
l’unité,
et rattacher ces trois branches de calcul à une seule etunique
théorie.Remarque
2.e. Onvoit,
par cette théorie dessignes
deposition qu’a
larigueur
onpourrait
se passer , engéométrie,
dessignes +,
- et
±-I,
commesignes
deposition ;
et que nossignes I0,
l ±, I + 2 les
remplacent ,
avecavantage,
en conservant la liaison de cessignes
avec lesigne général
deposition
I ±03B1, tien résul- terait encore cet autreavantage
que lessignes +
et - ne serviraientplus
désormaisqu’à indiquer
l’addition et lasoustraction ;
de sorteTom. IV.
1070
que ces
signes
n’auraientjamais qu’une
mêmesignification ;
cequi
éviterait bien des
embarras ,
et serait en mêmetemps beaucoup plus
conforme aux
règles
d’une sainelogique.
Théorème
4.
Toutes les racines d’uneéquation
d’undegré quel-
conque sont
réelles,
etpeuvent
êtrereprésentées
par des droitesdonnées
degrandeur
et deposition.
Démonstration.
Il est démontré que touteéquation
d’undegré quelconque
esttoujours décomposable
en facteursréels ,
soit dupremier
soit du seconddegré ;
etconséquemment
il suffit de faire voir que les racines d’uneéquation
du seconddegré peuvent
êtrereprésentées
par des droites données degrandeur
et deposition. Or,
les racines d’une
équation
du seconddegré
étant de la formex=p±q,
sont immédiatementconstructibles,
par les corollaires 3.eet
4.e
du théorème 2.e ; car I.0si ’1
estpositif, x
sera la sommeou la différence de deux
quantités positives
ounégatives , comptées
sur l’axe des
abscisses ;
2.° si q estnégatif, x
sera une droitepartant
del’origine
et dont les coordonnées de l’autre extrémitéseront p
et
Vq-.
Telle est
l’esquisse , très-abrégée ,
des nouveauxprincipes
surlesquels
il meparaît
convenable et même nécessaire de fonder lagéométrie
deposition ,
et queje
soumets aujugement des géomètres.
Ces
principes
étant enopposition
formelle avec les idées admisesjusqu’ici ,
sur la nature desquantités
ditesimaginaires, je
doism’attendre à des
objections nombreuses ;
maisj’ose
croirequ’un
examen
approfondi
de ces mêmesprincipes ,
les fera trouver exacts,et
que.les conséquences
quej’en
aidéduites , quelque étranges qu’elles puissent paraitre d’ailleurs ,
aupremier abord,
seront néanmoinsjugées
conformes auxrègles
de ladialectique
laplus rigoureuse.
Je
dois,
ausurplus,
à lajustice
de déclarer que le fond de cesidées nouvelles ne
m’appartient
pas. Je l’ai trouvé dans une lettre de M.Legendre
à feu monfrère ,
danslaquelle
cegrand géomètre
lui fait
part (
comme d’unechose qui lui a
étécommuniquée ,
etDE POSITION.
7Icomme
objet
de purecuriosité ) ,
du fond de mes définitions 2.e et3.e,
de mon théorèmeI.er ,
et du corollaire 3.e de mon théorème 2.e ; mais ce dernier n’était avancé quegratuitement ,
et n’étaitjustifié
que par l’exactitude de
quelques applications.
Cequi m’appartient
en propre se réduit donc à la manière
d’exposer
et de démontrerces
principes,
à lanotation,
et à l’idée de monsigne
deposi-
tion
I±03B1.
Je désire que la
publicité
queje
donne aux résultatsauxquels je
suis parvenu ,puisse
déterminer lepremier
auteur de ces idéesà se faire
connaître,
et à mettre aujour
le travailqu’il
a fait lui-même sur ce
sujet. (*)
Metz ,
le 6de j uillet
I8I3.(*) Il y a environ deux ans
qu’écrivant
à M. de Maizière, ausujet
de sonmémoire Insère à la page 368 du I.er volume de ce recueil,
je
lui mandaisqu’on
avait
peut-être
tort de vouloircomprendre
toutes lesgrandeurs numériques
dansune
simple
série ; et que, par leur nature , elles semblaient devoir former une table à double entréequi,
bornée aux seuls nombres entiers ,pourrait
êtrefigurée
comme il suit :
...
....,
-2+2-I , -I+2-I, +2-I, +I+2-I, +2+2-I
, ........,
-2+ -I,
-1+-I,
+-I,
+I+-I,
+2+-I
, ......., -2, -I, ±0, +I, +2 , ....
... , -2-
-I,
-I--I, - -I,
+I--I, +2- -I,
........,
-2-2-I , -I-2-I, -2-I, +I-2-I, +2-2-I,
.......
en sorte que