Leçon
La théorie — Le Theorema Egregium de Gauss
La courbure de Gauss K en un point d'une surface est le produit de ses deux courbures principales en cet endroit. Il s'agit de la flexion maximale et de la flexion minimale de la surface dans toutes les directions autour du point. Chaque flexion porte un signe défini par le côté vers lequel elle s'incurve. Le Theorema Egregium (1827) de Gauss affirme que K dépend uniquement des longueurs mesurées à l'intérieur de la surface. Plier une surface sans l'étirer laisse donc K intact. Le cercle formé par les points situés à la distance r permet d'obtenir cette mesure de l'intérieur. Il possède une longueur C = 2πr − (π/3)K r³ + …, ce qui fait de K la limite de 3(2πr − C)/(πr³) quand r tend vers zéro.
Ce que signifie chaque symbole
K- Courbure K de Gauss au centre, égale au produit κ1κ2 des deux courbures principales ; elle vaut 1/R² sur une sphère de rayon R
C- Longueur du cercle des points situés à la distance r du centre, mesurée à même la surface
r- Distance parcourue en ligne droite depuis le centre, sur la surface
Problème entièrement résolu
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Quelle taille doit atteindre un cercle pour qu'un ruban à mesurer détecte la courbure de la Terre ? 4 étapes
Un mètre d'arpenteur est précis à un millionième près, soit un millimètre par kilomètre. Quelle doit être la taille d'un cercle tracé sur la Terre pour que son périmètre soit sensiblement inférieur à 2πr ? Cliquez d'abord sur Terre, 1 000 km : la page indique C/2πr pour un disque de cette taille.
Ouvrez ce problème dans l'outil
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À 1 000 km, il manque au bord la proportion 1 − 0,99590 de 2πr. Sur une sphère, la circonférence vaut C = 2πR sin(r/R). L'approximation sin x / x = 1 − x²/6 + … nous montre que la fraction correspond à (r/R)²/6 au premier ordre :
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Égalez cette fraction à un millionième puis isolez r/R :
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et le rayon sur la Terre est égal à cette valeur multipliée par R :
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Vérifiez. La circonférence du cercle plat est de 2π × 15,606 km, et son millionième vaut
Réponse
Environ 15,6 km de rayon, soit un cercle de 31 km de diamètre. Son bord de 98 km a un déficit de 9,8 cm par rapport à 2πr. Le ruban à mesurer commence à percevoir cet écart à partir d'ici. Le déficit évolue comme le cube du rayon. Un cercle dix fois plus petit présentera un écart mille fois moindre, c'est-à-dire un dixième de millimètre. Un relevé topographique à l'échelle d'une ville peut tout à fait considérer le sol comme un plan.
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Parcours
La géométrie sur une surface courbe
Références (3)
- The measure of curvature as one over the product of the two extreme radii of curvature (Art. 8), and the theorem that it stays unchanged when a surface is developed upon another, with surfaces developable on a plane having curvature zero everywhere (Art. 12): C. F. Gauss, General Investigations of Curved Surfaces of 1827 and 1825, translated by J. C. Morehead and A. M. Hiltebeitel, Princeton University Library, 1902, Arts. 8 and 12, pp. 15 and 20–21 (Project Gutenberg ebook 36856).
- The length of the ring traced by a short thread of length s turned about a point on a surface, 2πs − πs³/(3R₁R₂) to fourth order, from which the product of the principal radii, and so Gauss's curvature, is recovered by a measurement made on the surface: J. Bertrand, "Démonstration d'un théorème de M. Gauss", Journal de mathématiques pures et appliquées, 1re série, 13 (1848), 80–82; and V. Puiseux, "Sur le même théorème", same volume, 87–90.
- The folded pizza slice as the theorem in the kitchen: a surface with zero Gaussian curvature bent one way must stay flat the other way, so curling the crust stiffens the slice along its length: A. Bhatia, "How a 19th Century Math Genius Taught Us the Best Way to Hold a Pizza Slice", WIRED, 5 September 2014.