Leçon 412 — Courbes paramétrées dans ℝ² et ℝ³. Courbure, torsion.
Points clés
- Courbe paramétrée régulière
- Abscisse curviligne et repère de Frenet
- Courbure d'une courbe plane et spatiale
- Torsion d'une courbe de l'espace
- Formules de Frenet-Serret
Plan
- Courbes paramétrées : rappels
- Arc paramétré [formule] de classe [formule]
- Point régulier ([formule]), point birégulier ([formule] et [formule] non colinéaires en dim [formule])
- Paramétrage par l'abscisse curviligne : [formule]
- Repère de Frenet dans le plan
- Vecteur tangent [formule] et vecteur normal [formule] (rotation [formule])
- Courbure signée : [formule]
- Formules de Frenet en dimension [formule] : [formule], [formule]
- Repère de Frenet dans [formule]
- Vecteur tangent [formule], vecteur normal principal [formule], vecteur binormal [formule]
- Courbure : [formule]
- Torsion : [formule]
- Formules de Frenet-Serret
- Système : [formule], [formule], [formule]
- Écriture matricielle antisymétrique
- Interprétation géométrique : [formule] mesure la déviation du plan osculateur, [formule] mesure la torsion hors du plan
- Formules en paramétrage quelconque
- Courbure dans [formule] : [formule]
- Courbure dans [formule] : [formule]
- Torsion : [formule]
- Théorème fondamental des courbes
- Énoncé : [formule] et [formule] déterminent la courbe à déplacement rigide près
- Courbes planes : [formule] caractérise les courbes contenues dans un plan
- Hélice circulaire : [formule] et [formule] constants
Théorèmes clés
- Formules de Frenet-Serret : [formule]
- Théorème fondamental des courbes : deux fonctions continues [formule] et [formule] déterminent, à isométrie directe près, une unique courbe birégulière de [formule]
- Caractérisation des courbes planes : une courbe de [formule] est plane ssi [formule]
- Caractérisation des hélices : [formule] ssi la courbe fait un angle constant avec une direction fixe (hélice généralisée)
Exemples importants
- Cercle de rayon [formule] : [formule] (constante), [formule]
- Hélice circulaire [formule] : [formule], [formule]
- Courbe de Viviani : intersection d'un cylindre et d'une sphère
- Cycloïde : point de rebroussement ([formule] aux cusps)
Erreurs courantes
- Confondre courbure signée (en dimension [formule]) et courbure (toujours [formule] en dimension [formule])
- Appliquer Frenet en un point non birégulier
- Oublier que les formules de courbure et torsion changent selon le paramétrage
Conseils du jury
- Les formules de Frenet-Serret et leur démonstration sont un développement classique
- Savoir calculer courbure et torsion sur des exemples concrets sans hésiter
- Le théorème fondamental des courbes mérite d'être énoncé et discuté
Développements associés
Prérequis
calcul differentiel, produit vectoriel, courbes parametrees