DOUZIÈME LEÇON.

SOMMAIRE. Conception fondamentale de la géométrie _générale_ ou

_analytique_.

La géométrie _générale_ étant entièrement fondée sur la transformation

des considérations géométriques en considérations analytiques

équivalentes, nous devons d'abord examiner directement et d'une manière

approfondie la belle conception d'après laquelle Descartes a établi

uniformément la possibilité constante d'une telle corélation. Outre son

extrême importance propre, comme moyen de perfectionner éminemment la

science géométrique, ou plutôt de la constituer dans son ensemble sur

des bases rationnelles, l'étude philosophique de cette admirable

conception doit avoir à nos yeux un intérêt d'autant plus élevé, qu'elle

caractérise avec une parfaite évidence la méthode générale à employer

pour organiser les relations de l'abstrait au concret en mathématique,

par la représentation analytique des phénomènes naturels. Il n'y a

point, dans la philosophie mathématique, de pensée qui mérite davantage

de fixer toute notre attention.

Afin de parvenir à exprimer par de simples relations analytiques tous

les divers phénomènes géométriques que l'on peut imaginer, il faut

évidemment établir d'abord un mode général pour représenter

analytiquement les sujets mêmes dans lesquels ces phénomènes résident,

c'est-à-dire les lignes ou les surfaces à considérer. Le _sujet_ étant

ainsi habituellement envisagé sous un point de vue purement analytique,

on comprend que dès-lors il a été possible de concevoir de la même

manière les _accidens_ quelconques dont il est susceptible.

Pour organiser la représentation des formes géométriques par des

équations analytiques, on doit surmonter préalablement une difficulté

fondamentale, celle de réduire à des idées simplement numériques les

élémens généraux des diverses notions géométriques; en un mot, de

substituer, en géométrie, de pures considérations de _quantité_ à toutes

les considérations de _qualité_.

À cet effet, observons d'abord que toutes les idées géométriques se

rapportent nécessairement à ces trois catégories universelles: la

grandeur, la forme et la position des étendues à considérer. Quant à la

première, il n'y a évidemment aucune difficulté; elle rentre

immédiatement dans les idées de nombres. Pour la seconde, il faut

remarquer qu'elle est toujours réductible par sa nature à la troisième.

Car la forme d'un corps résulte évidemment de la position mutuelle des

différens points dont il est composé, en sorte que l'idée de position

comprend nécessairement celle de forme, et que toute circonstance de

forme peut être traduite par une circonstance de position. C'est ainsi,

en effet, que l'esprit humain a procédé pour parvenir à la

représentation analytique des formes géométriques, la conception n'étant

directement relative qu'aux positions. Toute la difficulté élémentaire

se réduit donc proprement à ramener les idées quelconques de situation à

des idées de grandeur. Telle est la destination immédiate de la

conception préliminaire sur laquelle Descartes a établi le système

général de la géométrie analytique.

Son travail philosophique a simplement consisté, sous ce rapport, dans

l'entière généralisation d'un procédé élémentaire qu'on peut regarder

comme naturel à l'esprit humain, puisqu'il se forme pour ainsi dire

spontanément chez toutes les intelligences, même les plus vulgaires. En

effet, quand il s'agit d'indiquer la situation d'un objet sans le

montrer immédiatement, le moyen que nous adoptons toujours, et le seul

évidemment qui puisse être employé, consiste à rapporter cet objet à

d'autres qui soient connus, en assignant la grandeur des élémens

géométriques quelconques, par lesquels on le conçoit lié à ceux-ci[21].

Ces élémens constituent ce que Descartes, et d'après lui tous les

géomètres, ont appelé les _coordonnées_ de chaque point considéré, qui

sont nécessairement au nombre de deux si l'on sait d'avance dans quel

plan le point est situé, et au nombre de trois, s'il peut se trouver

indifféremment dans une région quelconque de l'espace. Autant de

constructions différentes on peut imaginer pour déterminer la position

d'un point, soit sur un plan, soit dans l'espace, autant on conçoit de

systèmes de coordonnées distincts, qui sont susceptibles, par

conséquent, d'être multipliés à l'infini. Mais quelque soit le système

adopté, on aura toujours ramené les idées de situation à de simples

idées de grandeur, en sorte que l'on se représentera le déplacement d'un

point comme produit par de pures variations numériques dans les valeurs

de ses coordonnées. Pour ne considérer d'abord que le cas le moins

compliqué, celui de la géométrie plane, c'est ainsi qu'on détermine le

plus souvent la position d'un point sur un plan, par ses distances plus

ou moins grandes à deux droites fixes supposées connues, qu'on nomme

_axes_, et qu'on suppose ordinairement perpendiculaires entre elles. Ce

système est le plus adopté, à cause de sa simplicité; mais les géomètres

en emploient quelquefois encore une infinité d'autres. Ainsi, la

position d'un point sur un plan peut être déterminée par ses distances à

deux points fixes; ou par sa distance à un seul point fixe, et la

direction de cette distance, estimée par l'angle plus ou moins grand

qu'elle fait avec une droite fixe, ce qui constitue le système des

coordonnées dites _polaires_, le plus usité après celui dont nous avons

parlé d'abord; ou par les angles que forment les droites allant du point

variable à deux points fixes avec la droite qui joint ces derniers; ou

par les distances de ce point à une droite fixe et à un point fixe, etc.

En un mot, il n'y a pas de figure géométrique quelconque d'où l'on ne

puisse déduire un certain système de coordonnées, plus ou moins

susceptible d'être employé.

[Note 21: C'est ainsi, par exemple, que nous déterminons

habituellement la position des lieux sur la terre par leurs

distances plus ou moins grandes à l'équateur et à un premier

méridien.]

Une observation générale qu'il importe de faire à cet égard, c'est que

tout système de coordonnées revient à déterminer un point, dans la

géométrie plane, par l'intersection de deux lignes, dont chacune est

assujétie à certaines conditions fixes de détermination; une seule de

ces conditions restant variable, et tantôt l'une, tantôt une autre,

selon le système considéré. On ne saurait, en effet, concevoir d'autre

moyen de construire un point que de le marquer par la rencontre de deux

lignes quelconques. Ainsi, dans le système le plus fréquent, celui des

_coordonnées rectilignes_ proprement dites, le point est déterminé par

l'intersection de deux droites, dont chacune reste constamment parallèle

à un axe fixe, en s'en éloignant plus ou moins; dans le système

_polaire_, c'est la rencontre d'un cercle de rayon variable et dont le

centre est fixe, avec une droite mobile assujétie à tourner autour de ce

centre, qui marque la position du point; en choisissant d'autres

systèmes, le point pourrait être désigné par l'intersection de deux

cercles, ou de deux autres lignes quelconques, etc. En un mot, assigner

la valeur d'une des coordonnées d'un point dans quelque système que ce

puisse être, c'est toujours nécessairement déterminer une certaine ligne

sur laquelle ce point doit être situé. Les géomètres de l'antiquité

avaient déjà fait cette remarque essentielle, qui servait de base à leur

méthode des _lieux géométriques_, dont ils faisaient un si heureux usage

pour diriger leurs recherches dans la résolution des problèmes de

géométrie _déterminés_, en appréciant isolément l'influence de chacune

des deux conditions par lesquelles était défini chaque point constituant

l'objet, direct ou indirect, de la question proposée: c'est précisément

cette méthode dont la systématisation générale a été pour Descartes le

motif immédiat des travaux qui l'ont conduit à fonder la géométrie

analytique.

Après avoir nettement établi cette conception préliminaire, en vertu de

laquelle les idées de position, et, par suite implicitement, toutes les

notions géométriques élémentaires, sont réductibles à de simples

considérations numériques, il est aisé de concevoir directement, dans

son entière généralité, la grande idée-mère de Descartes, relative à la

représentation analytique des formes géométriques, ce qui constitue

l'objet propre de cette leçon. Je continuerai à ne considérer d'abord,

pour plus de facilité, que la géométrie à deux dimensions, la seule que

Descartes ait traitée, devant ensuite examiner séparément sous le même

point de vue ce qui est propre à la théorie des surfaces ou des courbes

à double courbure.

D'après la manière d'exprimer analytiquement la position d'un point sur

un plan, on peut aisément établir que, par quelque propriété qu'une

ligne quelconque puisse être définie, cette définition est toujours

susceptible d'être remplacée par une équation correspondante entre les

deux coordonnées variables du point qui décrit cette ligne, équation qui

sera dès lors la représentation analytique de la ligne proposée, dont

tout phénomène devra se traduire par une certaine modification

algébrique de son équation. Si l'on suppose, en effet, qu'un point se

meuve sur un plan sans que son cours soit déterminé en aucune manière,

on devra évidemment regarder ses deux coordonnées, dans quelque système

que ce soit, comme deux variables entièrement indépendantes l'une de

l'autre. Mais, si au contraire ce point est assujéti à décrire une

certaine ligne quelconque, il faudra nécessairement concevoir que ses

coordonnées conservent entre elles, dans toutes les positions qu'il peut

prendre, une certaine relation permanente et précise, susceptible, par

conséquent, d'être exprimée par une équation convenable, qui deviendra

la définition analytique très-nette et très-rigoureuse de la ligne

considérée, puisqu'elle exprimera une propriété algébrique exclusivement

relative aux coordonnées de tous les points de cette ligne. Il est

clair, en effet, que lorsqu'un point n'est soumis à aucune condition, sa

situation n'est déterminée qu'autant qu'on donne à la fois ses deux

coordonnées, distinctement l'une de l'autre; tandis que quand le point

doit se trouver sur une ligne définie, une seule coordonnée suffit pour

fixer entièrement sa position. La seconde coordonnée est donc alors une

_fonction_ déterminée de la première, ou, en d'autres termes, il doit

exister entre elles une certaine _équation_, d'une nature correspondante

à celle de la ligne sur laquelle le point est assujéti à rester. En un

mot, chacune des coordonnées d'un point l'obligeant à être situé sur une

certaine ligne, on conçoit réciproquement que la condition, de la part

d'un point, de devoir appartenir à une ligne définie d'une manière

quelconque, équivaut à assigner la valeur de l'une des deux coordonnées,

qui se trouve, dans ce cas, être entièrement dépendante de l'autre. La

relation analytique qui exprime cette dépendance peut être plus ou moins

difficile à découvrir; mais on doit évidemment en concevoir toujours

l'existence, même dans les cas où nos moyens actuels seraient

insuffisans pour la faire connaître. C'est par cette simple

considération que, indépendamment des vérifications particulières sur

lesquelles est ordinairement établie cette conception fondamentale à

l'occasion de telle ou telle définition de ligne, on peut démontrer,

d'une manière entièrement générale, la nécessité de la représentation

analytique des lignes par les équations.

En reprenant en sens inverse les mêmes réflexions, on mettrait aussi

facilement en évidence la nécessité géométrique de la représentation de

toute équation à deux variables, dans un système déterminé de

coordonnées, par une certaine ligne, dont une telle relation serait, à

défaut d'aucune autre propriété connue, une définition

très-caractéristique, et qui aura pour destination scientifique de fixer

immédiatement l'attention sur la marche générale des solutions de

l'équation, qui se trouvera ainsi notée de la manière la plus sensible

et la plus simple. Cette peinture des équations est un des avantages

fondamentaux les plus importans de la géométrie analytique, qui a par là

réagi au plus haut degré sur le perfectionnement général de l'analyse

elle-même, non seulement en assignant aux recherches purement abstraites

un but nettement déterminé et une carrière inépuisable, mais, sous un

rapport encore plus direct, en fournissant un nouveau moyen

philosophique de méditation analytique, qui ne pourrait être remplacé

par aucun autre. En effet, la discussion purement algébrique d'une

équation en fait sans doute connaître les solutions de la manière la

plus précise, mais en les considérant seulement une à une, de telle

sorte que, par cette voie, leur marche générale ne saurait être conçue

qu'en résultat définitif d'une longue et pénible suite de comparaisons

numériques, après laquelle l'activité intellectuelle doit ordinairement

se trouver émoussée. Au contraire, le lieu géométrique de l'équation

étant uniquement destiné à représenter distinctement et avec une

netteté parfaite le résumé de cet ensemble de comparaisons, permet de le

considérer directement en fesant complètement abstraction des détails

qui l'ont fourni, et par là peut indiquer à notre esprit des vues

analytiques générales, auxquelles nous serions difficilement parvenus de

toute autre manière, faute d'un moyen de caractériser clairement leur

objet. Il est évident, par exemple, que la simple inspection de la

courbe logarithmique ou de la courbe y = /sin x fait connaître d'une

manière bien plus distincte le mode général de variations des

logarithmes par rapport aux nombres ou des sinus par rapport aux arcs,

que ne pourrait le permettre l'étude la plus attentive d'une table de

logarithmes ou d'une table trigonométrique. On sait que ce procédé est

devenu aujourd'hui entièrement élémentaire, et qu'on l'emploie toutes

les fois qu'il s'agit de saisir nettement le caractère général de la loi

qui règne dans une suite d'observations précises d'un genre quelconque.

Revenant à la représentation des lignes par les équations, qui est notre

objet principal, nous voyons que cette représentation est, par sa

nature, tellement fidèle, que la ligne ne saurait éprouver aucune

modification, quelque légère qu'elle soit, sans déterminer dans

l'équation un changement correspondant. Cette complète exactitude donne

même lieu souvent à des difficultés spéciales, en ce que, dans notre

système de géométrie analytique, les simples déplacemens des lignes se

fesant aussi bien ressentir dans les équations que les variations

réelles de grandeur ou de forme, on pourrait être exposé à confondre

analytiquement les uns avec les autres, si les géomètres n'avaient pas

découvert une méthode ingénieuse expressément destinée à les distinguer

constamment. Cette méthode est fondée sur ce que, bien qu'il soit

impossible de changer analytiquement à volonté la position d'une ligne

par rapport aux axes des coordonnées, on peut changer d'une manière

quelconque la situation des axes eux-mêmes, ce qui est évidemment

équivalent; dès lors, à l'aide des formules générales très-simples par

lesquelles on opère cette transformation d'axes, il devient aisé de

reconnaître si deux équations différentes ne sont que l'expression

analytique d'une même ligne diversement située, ou se rapportent à des

lieux géométriques vraiment distincts, puisque, dans le premier cas,

l'une d'elles doit rentrer dans l'autre en changeant convenablement les

axes ou les autres constantes du système de coordonnées considéré. Du

reste, il faut remarquer à ce sujet que les inconvéniens généraux de

cette nature paraissent, en géométrie analytique, devoir être

strictement inévitables; puisque les idées de position étant, comme nous

l'avons vu, les seules idées géométriques immédiatement réductibles à

des considérations numériques, et les notions de forme ne pouvant y être

ramenées qu'en voyant en elles des rapports de situation, il est

impossible que l'analyse ne confonde point d'abord les phénomènes de

forme avec de simples phénomènes de position, les seuls que les

équations expriment directement.

Pour compléter l'explication philosophique de la conception fondamentale

qui sert de base à la géométrie analytique, je crois devoir indiquer ici

une nouvelle considération générale, qui me semble particulièrement

propre à mettre dans tout son jour cette représentation nécessaire des

lignes par des équations à deux variables. Elle consiste en ce que

non-seulement, ainsi que nous l'avons établi, toute ligne définie doit

nécessairement donner lieu à une certaine équation entre les deux

coordonnées de l'un quelconque de ses points; mais, de plus, toute

définition de ligne peut être envisagée comme étant déjà elle-même une

équation de cette ligne dans un système de coordonnées convenable.

Il est aisé d'établir ce principe, en faisant d'abord une distinction

logique préliminaire relativement aux diverses sortes de définition. La

condition rigoureusement indispensable de toute définition, c'est de

distinguer l'objet défini d'avec tout autre, en assignant une propriété

qui lui appartienne exclusivement. Mais ce but peut être atteint, en

général, de deux manières très-différentes: ou par une définition

simplement _caractéristique_, c'est-à-dire, indiquant une propriété qui,

quoique vraiment exclusive, ne fait pas connaître la génération de

l'objet; ou par une définition réellement _explicative_, c'est-à-dire,

caractérisant l'objet par une propriété qui exprime un de ses modes de

génération. Par exemple, en considérant le cercle comme la ligne qui,

sous le même contour, renferme la plus grande aire, on a évidemment une

définition du premier genre; tandis qu'en choisissant la propriété

d'avoir tous ses points à égale distance d'un point fixe, ou toute autre

semblable, on a une définition du second genre. Il est, du reste,

évident, en thèse générale, que quand même un objet quelconque ne serait

d'abord connu que par une définition _caractéristique_, on ne devrait

pas moins l'envisager comme susceptible de définitions _explicatives_,

que ferait nécessairement découvrir l'étude ultérieure de cet objet.

Cela posé, il est clair que ce n'est point aux définitions simplement

_caractéristiques_ que peut s'appliquer l'observation générale annoncée

ci-dessus, qui représente toute définition de ligne comme étant

nécessairement une équation de cette ligne dans un certain système de

coordonnées. On ne peut l'entendre que des définitions vraiment

_explicatives_. Mais, en ne considérant que celle-ci, le principe est

aisé à constater. En effet, il est évidemment impossible de définir la

génération d'une ligne, sans spécifier une certaine relation entre les

deux mouvemens simples, de translation ou de rotation, dans lesquels se

décomposera à chaque instant le mouvement du point qui la décrit. Or, en

se formant la notion la plus générale de ce que c'est qu'un _système de

coordonnées_, et admettant tous les systèmes possibles, il est clair

qu'une telle relation ne sera autre chose que l'_équation_ de la ligne

proposée, dans un système de coordonnées d'une nature correspondante à

celle du mode de génération considéré. Ainsi, par exemple, la définition

vulgaire du cercle peut évidemment être envisagée comme étant

immédiatement l'_équation polaire_ de cette courbe, en prenant pour pôle

le centre du cercle; de même, la définition élémentaire de l'ellipse ou

de l'hyperbole, comme étant la courbe engendrée par un point qui se meut

de telle manière que la somme ou la différence de ses distances à deux

points fixes demeure constante, donne sur-le-champ, pour l'une ou

l'autre courbe, l'équation y+x=c, en prenant pour système de coordonnées

celui dans lequel on déterminerait la position d'un point par ses

distances à deux points fixes, et choisissant pour ces pôles les deux

foyers donnés; pareillement encore, la définition ordinaire de la

cycloïde quelconque fournirait directement, pour cette courbe,

l'équation y=mx, en adoptant comme coordonnées de chaque point l'arc

plus ou moins grand qu'il marque sur un cercle de rayon invariable à

partir du point de contact de ce cercle avec une droite fixe, et la

distance rectiligne de ce point de contact à une certaine origine prise

sur cette droite. On peut faire des vérifications analogues et aussi

faciles relativement aux définitions habituelles des spirales, des

épicycloïdes, etc. On trouvera constamment qu'il existe un certain

système de coordonnées, dans lequel on obtient immédiatement une

équation très-simple de la ligne proposée, en se bornant à écrire

algébriquement la condition imposée par le mode de génération que l'on

considère.

Outre son importance directe, comme moyen de rendre parfaitement

sensible la représentation nécessaire de toute ligne par une équation,

la considération précédente me paraît pouvoir offrir une véritable

utilité scientifique, en caractérisant avec exactitude la principale

difficulté générale qu'on rencontre dans l'établissement effectif de

ces équations, et, par conséquent, en fournissant une indication

intéressante relativement à la marche à suivre dans les recherches de ce

genre, qui, par leur nature, ne sauraient comporter des règles complètes

et invariables. En effet, si une définition quelconque de ligne, du

moins parmi celles qui indiquent un mode de génération, fournit

directement l'équation de cette ligne dans un certain système de

coordonnées, ou pour mieux dire constitue par elle-même cette équation,

il s'ensuit que la difficulté qu'on éprouve souvent à découvrir

l'équation d'une courbe, d'après telle ou telle de ses propriétés

caractéristiques, difficulté qui quelquefois est très-grande, ne doit

provenir essentiellement que de la condition qu'on s'impose

ordinairement d'exprimer analytiquement cette courbe à l'aide d'un

système de coordonnées désigné, au lieu d'admettre indifféremment tous

les systèmes possibles. Ces divers systèmes ne peuvent pas être

regardés, en géométrie analytique, comme étant tous également

convenables; pour différens motifs, dont les plus importans vont être

discutés ci-dessous, les géomètres croient devoir presque toujours

rapporter, autant que possible, les courbes à des coordonnées

rectilignes proprement dites. Or, on conçoit, d'après ce qui précède,

que souvent ces coordonnées uniques ne seront pas celles relativement

auxquelles l'équation de la courbe se trouverait immédiatement établie

par la définition proposée. La principale difficulté que présente la

formation de l'équation d'une ligne consiste donc réellement, en

général, dans une certaine transformation de coordonnées. Sans doute,

cette considération n'assujétit point l'établissement de ces équations à

une véritable méthode générale complète, dont le succès soit toujours

assuré nécessairement, ce qui, par la nature même du sujet, est

évidemment chimérique; mais une telle vue peut nous éclairer utilement à

cet égard sur la marche qu'il convient d'adopter pour parvenir au but

proposé. Ainsi, après avoir d'abord formé l'équation préparatoire qui

dérive spontanément de la définition que l'on considère, il faudra, pour

obtenir l'équation relative au système de coordonnées qui doit être

admis définitivement, chercher à exprimer en fonction de ces dernières

coordonnées celles qui correspondent naturellement au mode de génération

dont il s'agit. C'est sur ce dernier travail qu'il est évidemment

impossible de donner des préceptes invariables et précis. On peut dire

seulement qu'on aura d'autant plus de ressources à cet égard, qu'on

saura davantage de véritable géométrie analytique, c'est-à-dire, qu'on

connaîtra l'expression algébrique d'un plus grand nombre de phénomènes

géométriques différens.

Pour compléter l'exposition philosophique de la conception qui sert de

base à la géométrie analytique, il me reste à indiquer les

considérations relatives au choix du système de coordonnées qui est, en

général, le plus convenable, ce qui fournira l'explication rationnelle

de la préférence unanimement accordée au système rectiligne ordinaire,

préférence qui a été plutôt jusqu'ici l'effet d'un sentiment empirique

de la supériorité de ce système, que le résultat exact d'une analyse

directe et approfondie.

Afin de décider nettement entre tous les divers systèmes de coordonnées,

il est indispensable de distinguer avec soin les deux points de vue

généraux, inverses l'un de l'autre, propres à la géométrie analytique,

savoir: la relation de l'algèbre à la géométrie, fondée sur la

représentation des lignes par les équations; et réciproquement la

relation de la géométrie à l'algèbre fondée sur la peinture des

équations par les lignes.

Il est évident que, dans toute recherche quelconque de géométrie

générale, ces deux points de vue fondamentaux se trouvent nécessairement

combinés sans cesse, puisqu'il s'agit toujours de passer

alternativement, et à des intervalles pour ainsi dire insensible, des

considérations géométriques aux considérations analytiques, et des

considérations analytiques aux considérations géométriques. Mais la

nécessité de les séparer ici momentanément n'en est pas moins réelle;

car la réponse à la question de méthode que nous examinons est, en

effet, comme nous allons le voir, fort loin de pouvoir être la même sous

l'un et sous l'autre de ces deux rapports, en sorte que sans cette

distinction on ne saurait s'en former aucune idée nette.

Sous le premier point de vue, rigoureusement isolé, le seul motif qui

puisse faire préférer un système de coordonnées à un autre, ne peut être

que la plus grande simplicité de l'équation de chaque ligne, et la

facilité plus grande d'y parvenir. Or, il est aisé de voir qu'il

n'existe et ne doit exister aucun système de coordonnées méritant à cet

égard une préférence constante sur tous les autres. En effet, nous avons

remarqué ci-dessus que, pour chaque définition géométrique proposée, on

peut concevoir un système de coordonnées dans lequel l'équation de la

ligne s'obtient immédiatement et se trouve nécessairement être en même

temps fort simple: de plus, ce système varie inévitablement avec la

nature de la propriété caractéristique que l'on considère. Ainsi, le

système rectiligne ne saurait être, en ce sens, constamment le plus

avantageux, quoiqu'il soit souvent très-favorable; il n'en est

probablement pas un seul qui, dans certains cas particuliers, ne doive

à cet égard lui être préféré, aussi bien qu'à tout autre système.

Il n'en est, au contraire, nullement de même sous le second point de

vue. On peut, en effet, facilement établir, en thèse générale, que le

système rectiligne ordinaire doit s'adapter nécessairement mieux que

tout autre à la peinture des équations par les lieux géométriques

correspondans, c'est-à-dire que cette peinture y est constamment plus

simple et plus fidèle.

Considérons, pour cela, que, tout système de coordonnées consistant à

déterminer un point par l'intersection de deux lignes, le système propre

à fournir les lieux géométriques les plus convenables doit être celui

dans lequel ces deux lignes sont les plus simples possibles, ce qui

restreint d'abord le choix à ne pouvoir porter que sur des systèmes

_rectilignes_. À la vérité, il y a évidemment une infinité de systèmes

qui méritent ce nom, c'est-à-dire qui n'emploient que des lignes droites

pour déterminer les points, outre le système ordinaire qui assigne pour

coordonnées les distances à deux droites fixes; tel serait, par exemple,

celui dans lequel les coordonnées de chaque point se trouveraient être

les deux angles que font les droites qui aboutissent de ce point à deux

points fixes avec la droite de jonction de ces derniers; en sorte que

cette première considération n'est pas rigoureusement suffisante pour

expliquer la préférence accordée unanimement au système ordinaire. Mais,

en examinant d'une manière plus approfondie la nature de tout système de

coordonnées, nous avons reconnu, en outre, que chacune des deux lignes

dont la rencontre détermine le point considéré, doit nécessairement

offrir à chaque instant, parmi ses diverses conditions quelconques de

détermination, une seule condition variable, qui donne lieu à l'ordonnée

correspondante, et toutes les autres fixes, qui constituent les _axes_

du système, en prenant ce terme dans son acception mathématique la plus

étendue: la variation est indispensable pour que toutes les positions

puissent être considérées, et la fixité ne l'est pas moins pour qu'il

existe des moyens de comparaison. Ainsi, dans tous les systèmes

_rectilignes_, chacune des deux droites sera assujétie à une condition

fixe, et l'ordonnée résultera de la condition variable. Sous ce rapport,

il est évident, en thèse générale, que le système le plus favorable à la

construction des lieux géométriques, sera nécessairement celui d'après

lequel la condition variable de chaque droite sera la plus simple

possible, sauf à compliquer pour cela, s'il le faut, la condition fixe.

Or, de toutes les manières possibles de déterminer deux droites

mobiles, la plus aisée à suivre géométriquement est certainement celle

dans laquelle, la direction de chaque droite restant invariable, elle ne

fait que se rapprocher ou s'éloigner plus ou moins d'un axe constant. Il

serait, par exemple, évidemment plus difficile de se figurer nettement

le déplacement d'un point produit par l'intersection de deux droites,

qui tourneraient chacune autour d'un point fixe en fesant avec un

certain axe un angle plus ou moins grand, comme dans le système de

coordonnées précédemment indiqué. Telle est la véritable explication

générale de la propriété fondamentale que présente, par sa nature, le

système rectiligne ordinaire, d'être plus apte qu'aucun autre à la

représentation géométrique des équations, comme étant celui dans lequel

il est le plus aisé de concevoir le déplacement d'un point en résultat

du changement de valeur de ses coordonnées. Pour sentir nettement toute

la force de cette considération, il suffirait, par exemple, de comparer

soigneusement ce système avec le système polaire, dans lequel cette

image géométrique si simple et si aisée à suivre, de deux droites se

mouvant chacune parallèlement à l'axe correspondant, se trouve remplacée

par le tableau compliqué d'une série infinie de cercles concentriques

coupés par une droite assujétie à tourner autour d'un point fixe. Il

est d'ailleurs facile de concevoir _à priori_ quelle doit être, pour la

géométrie analytique, l'extrême importance d'une propriété aussi

profondément élémentaire, qui, par cette raison, doit se reproduire à

chaque instant et prendre une valeur progressivement croissante dans

tous les travaux quelconques de cette nature[22].

[Note 22: Devant me borner ici à la comparaison la plus

générale, je n'ai point considéré plusieurs autres

inconvéniens élémentaires de moindre importance, mais

cependant fort graves, que présente le système des

coordonnées polaires, comme de ne point admettre

d'interprétation géométrique pour le signe du rayon recteur,

et même d'assigner quelquefois un point unique pour diverses

solutions distinctes, d'où il résulte que la peinture des

équations y est nécessairement imparfaite. Quels que soient

ces inconvéniens, comme plusieurs systèmes autres que le

système rectiligne ordinaire pourraient aussi en être

exempts, il ne fallait point en tenir compte pour établir la

supériorité générale de ce dernier.]

En précisant davantage la considération qui démontre la supériorité du

système de coordonnées ordinaire sur tout autre quant à la peinture des

équations, on peut même se rendre compte de l'utilité que présente sous

ce rapport l'usage habituel de prendre autant que possible les deux axes

perpendiculaires entre eux plutôt qu'avec aucune autre inclinaison. Sous

le rapport de la représentation des lignes par les équations, cette

circonstance secondaire n'est pas plus universellement convenable que

nous n'avons vu l'être la nature même du système; puisque, suivant les

occasions, toute autre inclinaison des axes peut mériter à cet égard la

préférence. Mais, sous le point de vue inverse, il est aisé de voir que

des axes rectangulaires permettent constamment de peindre les équations

d'une manière plus simple et même plus fidèle. Car, avec des axes

obliques, l'espace se trouvant partagé par eux en régions dont

l'identité n'est plus parfaite, il en résulte que, si le lieu

géométrique de l'équation s'étend à la fois dans toutes ces régions, il

y présentera, à raison de la seule inégalité des angles, des différences

de figure qui, ne correspondant à aucune diversité analytique,

altéreront nécessairement l'exactitude rigoureuse du tableau, en se

mêlant aux résultats propres des comparaisons algébriques. Par exemple,

une équation comme x^m + y^m = c, qui, par sa symétrie parfaite, devrait

donner évidemment une courbe composée de quatre quarts identiques, sera

représentée, au contraire, en prenant des axes non-rectangulaires, par

un lieu géométrique dont les quatre parties seront inégales. On voit que

le seul moyen d'éviter toute disconvenance de ce genre est de supposer

droit l'angle des deux axes.

La discussion précédente établit clairement que, si, sous l'un des deux

points de vue fondamentaux continuellement combinés en géométrie

analytique, le système des coordonnées rectilignes proprement dit n'a

aucune supériorité constante sur tout autre; comme il n'est pas non plus

à cet égard constamment inférieur, sa plus grande aptitude nécessaire et

absolue à la peinture des équations doit lui faire généralement accorder

la préférence, quoiqu'il puisse évidemment arriver, dans quelques cas

particuliers, que le besoin de simplifier les équations et de les

obtenir plus aisément détermine les géomètres à adopter un système moins

parfait. C'est, en effet, d'après le système rectiligne, que sont

ordinairement construites les théories les plus essentielles de

géométrie générale, destinées à exprimer analytiquement les phénomènes

géométriques les plus importans. Quand on juge nécessaire d'en choisir

un autre, c'est presque toujours le système polaire auquel on s'arrête,

ce système étant d'une nature assez opposée à celle du système

rectiligne pour que les équations trop compliquées relativement à

celui-ci deviennent, en général, suffisamment simples par rapport à

l'autre. Les coordonnées polaires ont d'ailleurs souvent l'avantage de

comporter une signification concrète plus directe et plus naturelle,

comme il arrive en mécanique pour les questions géométriques auxquelles

donne lieu la théorie des mouvemens de rotation, et dans presque tous

les cas de géométrie céleste.

Afin de simplifier l'exposition, nous n'avons jusqu'ici considéré la

conception fondamentale de la géométrie analytique que relativement aux

seules courbes planes, dont l'étude générale avait été l'objet unique de

la grande rénovation philosophique opérée par Descartes. Il s'agit

maintenant, pour compléter cette importante explication, de montrer

sommairement de quelle manière cette pensée élémentaire a été étendue,

environ un siècle après, par notre illustre Clairaut, à l'étude générale

des surfaces et des courbes à double courbure. Les considérations

indiquées ci-dessus me permettront de me borner à ce sujet à l'examen

rapide de ce qui est strictement propre à ce nouveau cas.

L'entière détermination analytique d'un point dans l'espace exige

évidemment qu'on assigne les valeurs de trois coordonnées; par exemple,

d'après le système le plus fréquemment adopté et qui correspond au

système _rectiligne_ de la géométrie plane, des distances de ce point à

trois plans fixes, ordinairement perpendiculaires entre eux, ce qui

présente le point comme l'intersection de trois plans dont la direction

est invariable. On pourrait également employer les distances du point

mobile à trois points fixes, ce qui le déterminerait par la rencontre de

trois sphères à centre constant. De même, la position d'un point serait

définie en donnant sa distance plus ou moins grande à un point fixe, et

la direction de cette distance, au moyen des deux angles que fait cette

droite avec deux axes invariables; c'est le système _polaire_ propre à

la géométrie à trois dimensions; le point est alors construit par

l'intersection d'une sphère à centre constant avec deux cônes droits à

base circulaire dont les axes et le sommet commun ne changent pas. En un

mot, il y a évidemment, dans ce cas, au moins la même variété infinie

entre les divers systèmes possibles de coordonnées que nous avons déjà

observée pour la géométrie à deux dimensions. En général, il faut

concevoir un point comme toujours déterminé par l'intersection de trois

surfaces quelconques, ainsi qu'il l'était auparavant par celle de deux

lignes; chacune de ces trois surfaces a pareillement toutes ses

conditions de détermination constantes, excepté une, qui donne lieu à la

coordonnée correspondante, dont l'influence géométrique propre est ainsi

d'astreindre le point à être situé sur cette surface.

Cela posé, il est clair que si les trois coordonnées d'un point sont

entièrement indépendantes entre elles, ce point pourra prendre

successivement dans l'espace toutes les positions possibles. Mais, si le

point est assujéti à rester sur une certaine surface, définie d'une

manière quelconque, alors deux coordonnées suffisent évidemment pour

déterminer à chaque instant sa situation, puisque la surface proposée

tiendra lieu de la condition imposée par la troisième coordonnée. On

doit donc concevoir nécessairement dans ce cas, sous le point de vue

analytique, cette dernière coordonnée comme une fonction déterminée des

deux autres, celles-ci demeurant entre elles complétement indépendantes.

Ainsi, il y aura entre les trois coordonnées variables une certaine

équation permanente, et qui sera unique afin de correspondre au degré

précis d'indétermination de la position du point. Cette équation, plus

ou moins facile à découvrir, mais toujours possible, sera la définition

analytique de la surface proposée, puisqu'elle devra se vérifier pour

tous les points de cette surface, et seulement pour eux. Si la surface

vient à éprouver un changement quelconque, même un simple déplacement,

l'équation devra subir une modification correspondante plus ou moins

profonde. En un mot, tous les phénomènes géométriques quelconques

relatifs aux surfaces seront susceptibles d'être traduits par certaines

conditions analytiques équivalentes propres aux équations à trois

variables, et c'est dans l'établissement et l'interprétation de cette

harmonie générale et nécessaire que consistera essentiellement la

science de la géométrie analytique à trois dimensions.

Considérant ensuite cette conception fondamentale sous le point de vue

inverse, on voit de la même manière que toute équation à trois variables

peut être, en général, représentée géométriquement par une surface

déterminée, primitivement définie d'après la propriété

très-caractéristique, que les coordonnées de tous ses points conservent

toujours entre elles la relation énoncée dans cette équation. Ce lieu

géométrique changera évidemment, pour la même équation, suivant le

système de coordonnées qui servira à la construction de ce tableau. En

adoptant, par exemple, le système rectiligne, il est clair que dans

l'équation entre les trois variables x, y, z, chaque valeur particulière

attribuée à z, donnera une équation entre x et y, dont le lieu

géométrique sera une certaine ligne située dans un plan parallèle au

plan des x, y, et à une distance de ce dernier égale à la valeur de z,

de telle sorte que le lieu géométrique total se présentera comme composé

d'une suite infinie de lignes superposées dans une série de plans

parallèles, sauf les interruptions qui pourront exister, et formera, par

conséquent, une véritable surface. Il en serait de même en considérant

tout autre système de coordonnées, quoique la construction géométrique

de l'équation devînt plus difficile à suivre.

Telle est la conception élémentaire, complément de l'idée-mère de

Descartes, sur laquelle est fondée la géométrie générale relativement

aux surfaces. Il serait inutile de reprendre directement ici les autres

considérations indiquées ci-dessus par rapport aux lignes, et que chacun

peut aisément étendre aux surfaces, soit pour montrer que toute

définition d'une surface par un mode quelconque de génération est

réellement une équation directe de cette surface dans un certain système

de coordonnées, soit pour déterminer entre tous les divers systèmes de

coordonnées possibles quel est généralement le plus convenable.

J'ajouterai seulement, sous ce dernier rapport, que la supériorité

nécessaire du système rectiligne ordinaire, quant à la peinture des

équations, est évidemment encore plus prononcée dans la géométrie

analytique à trois dimensions que dans celle à deux, à cause de la

complication géométrique incomparablement plus grande qui résulterait

alors du choix de tout autre système, ainsi qu'on peut le vérifier de la

manière la plus sensible en considérant, par opposition, le système

polaire en particulier, qui est, pour les surfaces comme pour les

courbes, et en vertu des mêmes motifs, le plus usité après le système

rectiligne proprement dit.

Afin de compléter l'exposition générale de la conception fondamentale

relative à l'étude analytique des surfaces, nous aurons encore à

examiner philosophiquement, dans la quatorzième leçon, un dernier

perfectionnement de la plus haute importance, que Monge a récemment

introduit dans les élémens mêmes de cette théorie, pour la

classification des surfaces en familles naturelles, établies d'après le

mode de génération, et exprimées algébriquement par des équations

différentielles communes, ou par des équations finies contenant des

fonctions arbitraires.

Considérons maintenant le dernier point de vue élémentaire de la

géométrie analytique à trois dimensions, celui qui se rapporte à la

représentation algébrique des courbes, envisagées dans l'espace de la

manière la plus générale. En continuant à suivre le principe constamment

employé ci-dessus, celui du degré d'indétermination du lieu géométrique,

correspondant au degré d'indépendance des variables, il est évident, en

thèse générale, que, lorsque un point doit être situé sur une certaine

courbe quelconque, une seule coordonnée suffit pour achever de

déterminer entièrement sa position, par l'intersection de cette courbe

avec la surface qui résulte de cette coordonnée. Ainsi, dans ce cas, les

deux autres coordonnées du point doivent être conçues comme des

fonctions nécessairement déterminées et distinctes de la première. Par

conséquent, toute ligne, considérée dans l'espace, est donc représentée

analytiquement, non plus par une seule équation, mais par le système de

deux équations entre les trois coordonnées de l'un quelconque de ses

points. Il est clair, en effet, d'un autre côté, que chacune de ces

équations, envisagée séparément, exprimant une certaine surface, leur

ensemble présente la ligne proposée comme l'intersection de deux

surfaces déterminées. Telle est la manière la plus générale de concevoir

la représentation algébrique d'une ligne dans la géométrie analytique à

trois dimensions. Cette conception est ordinairement envisagée d'une

manière trop étroite, lorsqu'on se borne à considérer une ligne comme

déterminée par le système de ses deux _projections_ sur deux des plans

coordonnés, système caractérisé analytiquement par cette particularité

que chacune des deux équations de la ligne ne contient alors que deux

des trois coordonnées, au lieu de renfermer simultanément les trois

variables. Cette considération, qui consiste à regarder la ligne comme

l'intersection de deux surfaces cylindriques parallèles à deux des trois

axes des coordonnées, outre l'inconvénient d'être bornée au système

rectiligne ordinaire, a le défaut, lorsqu'on croit devoir s'y réduire

strictement, d'introduire des difficultés inutiles dans la

représentation analytique des lignes, puisque la combinaison de ces

deux cylindres ne saurait être évidemment toujours la plus convenable

pour former les équations d'une ligne. Ainsi, envisageant cette notion

fondamentale dans son entière généralité, il faudra, dans chaque cas,

parmi l'infinité de couples de surfaces dont l'intersection pourrait

produire la courbe proposée, choisir celui qui se prêtera le mieux à

l'établissement des équations, comme se composant des surfaces les plus

connues. Par exemple, s'agit-il d'exprimer analytiquement un cercle dans

l'espace, il sera évidemment préférable de le considérer comme

l'intersection d'une sphère et d'un plan, plutôt que suivant toute autre

combinaison de surfaces qui pourrait également le produire.

À la vérité, cette manière de concevoir la représentation des lignes par

des équations dans la géométrie analytique à trois dimensions, engendre,

par sa nature, un inconvénient nécessaire, celui d'une certaine

confusion analytique, consistant en ce que la même ligne peut se trouver

ainsi exprimée, avec un même système de coordonnées, par une infinité de

couples d'équations différens, vu l'infinité de couples de surfaces qui

peuvent la former, ce qui peut présenter quelques difficultés pour

reconnaître cette ligne à travers tous les déguisemens algébriques dont

elle est susceptible. Mais il existe un procédé général fort simple

pour faire disparaître cet inconvénient, se priver des facilités qui

résultent de cette variété de constructions géométriques. Il suffit, en

effet, quel que soit le système analytique établi primitivement pour une

certaine ligne, de pouvoir en déduire le système correspondant à un

couple unique de surfaces uniformément engendrées, par exemple, à celui

des deux surfaces cylindriques qui _projettent_ la ligne proposée sur

deux des plans coordonnés, surfaces qui évidemment seront toujours

identiques de quelque manière que la ligne ait été obtenue, et ne

varieront que lorsque cette ligne elle-même changera. Or, en choisissant

ce système fixe, qui est effectivement le plus simple, on pourra

généralement déduire des équations primitives celles qui leur

correspondent dans cette construction spéciale, en les transformant, par

deux éliminations successives, en deux équations ne contenant chacune

que deux des coordonnées variables, et qui conviendront par cela seul

aux deux surfaces de projection. Telle est réellement la principale

destination de cette sorte de combinaison géométrique, qui nous offre

ainsi un moyen invariable et certain de reconnaître l'identité des

lignes malgré la diversité quelquefois très-grande de leurs équations.

Après avoir considéré dans son ensemble la conception fondamentale de

la géométrie analytique sous les principaux aspects élémentaires qu'elle

peut présenter, il convient, pour compléter, sous le rapport

philosophique, une telle esquisse, de signaler ici les imperfections

générales que présente encore cette conception, soit relativement à la

géométrie, soit relativement à l'analyse.

Relativement à la géométrie, il faut remarquer que les équations ne sont

propres jusqu'ici qu'à représenter des lieux géométriques entiers, et

nullement des portions déterminées de ces lieux géométriques. Il serait

cependant nécessaire, dans plusieurs circonstances, de pouvoir exprimer

analytiquement une partie de ligne ou de surface, et même une ligne ou

surface _discontinue_ composée d'une suite de sections appartenant à des

figures géométriques distinctes, par exemple le contour d'un polygone ou

la surface d'un polyèdre. La thermologie surtout donne lieu fréquemment

à de semblables considérations, auxquelles notre géométrie analytique

actuelle se trouve nécessairement inapplicable. Néanmoins il importe

d'observer que, dans ces derniers temps, les travaux de M. Fourier sur

les fonctions discontinues ont commencé à remplir cette grande lacune,

et ont par là directement introduit un nouveau perfectionnement

essentiel dans la conception fondamentale de Descartes. Mais cette

manière de représenter des formes hétérogènes ou partielles, étant

fondée sur l'emploi de séries trigonométriques procédant selon les sinus

d'une suite infinie d'arcs multiples, ou sur l'usage de certaines

intégrales définies équivalentes à ces séries et dont l'intégrale

générale est ignorée, présente encore trop de complication pour pouvoir

être immédiatement introduite dans le système propre de la géométrie

analytique.

Relativement à l'analyse, il faut commencer par reconnaître que

l'impossibilité où nous sommes de concevoir géométriquement pour des

équations contenant quatre, cinq variables ou un plus grand nombre, une

représentation analogue à celles que comportent toutes les équations à

deux ou à trois variables, ne doit pas être envisagée comme une

imperfection de notre système de géométrie analytique, car elle tient

évidemment à la nature même du sujet. L'analyse étant nécessairement

plus générale que la géométrie, puisqu'elle est relative à tous les

phénomènes possibles, il serait peu philosophique de vouloir constamment

trouver parmi les seuls phénomènes géométriques une représentation

concrète de toutes les lois que l'analyse peut exprimer. Mais il existe

une autre imperfection de moindre importance qu'on doit réellement

envisager comme provenant de la manière même dont nous concevons la

géométrie analytique. Elle consiste en ce que notre représentation

actuelle des équations à deux ou à trois variables par des lignes ou des

surfaces est évidemment toujours plus ou moins incomplète, puisque, dans

la construction du lieu géométrique, nous n'avons égard qu'aux solutions

_réelles_ des équations, sans tenir aucun compte des solutions

_imaginaires_. La marche générale de ces dernières serait cependant, par

sa nature, tout aussi susceptible que celle des autres d'une peinture

géométrique. Il résulte de cette omission que le tableau graphique de

l'équation est constamment imparfait, et quelquefois même au point qu'il

n'y a plus de représentation géométrique, lorsque l'équation n'admet que

des solutions imaginaires. Cependant, même dans ce dernier cas, il y

aurait évidemment lieu de distinguer sous le rapport géométrique des

équations aussi différentes en elles-mêmes que celles-ci, par exemple,

/[x^2+y^2+1=0,/;x^6+y^4+1=0,/;y^2+e^x=0./] On sait de plus que cette

imperfection principale entraîne souvent, dans la géométrie analytique à

deux ou à trois dimensions, une foule d'inconvéniens secondaires, tenant

à ce que plusieurs modifications analytiques se trouvent ne correspondre

à aucun phénomène géométrique.

Un de nos plus grands géomètres actuels, M. Poinsot, a présenté une

considération très-ingénieuse et fort simple, à laquelle on n'a pas fait

communément assez d'attention, et qui permet, lorsque les équations sont

peu compliquées, de concevoir la représentation graphique des solutions

imaginaires, en se bornant à peindre leurs rapports quand ils sont

réels[23]. Mais cette considération, qu'il serait aisé de généraliser

abstraitement, est jusqu'ici trop peu susceptible d'être effectivement

employée, à cause de l'état extrême d'imperfection où se trouve encore

la résolution algébrique des équations, et d'où il résulte ou que la

forme des racines imaginaires est le plus souvent ignorée, ou qu'elle

présente une trop grande complication; en sorte que de nouveaux travaux

sont indispensables à cet égard, avant qu'on puisse regarder comme

comblée cette lacune essentielle de notre géométrie analytique.

[Note 23: M. Poinsot a montré, par exemple, dans son

excellent _mémoire sur l'analyse des sections angulaires_,

que l'équation x^2+y^2+a^2=0, ordinairement écartée comme

n'ayant pas de lieu géométrique, peut être représentée, de

la manière la plus simple et la plus nette, par une

hyperbole équilatère, qui remplit à son égard le même office

que le cercle pour l'équation x^2+y^2-a^2=0.]

L'exposition philosophique essayée dans cette leçon de la conception

fondamentale de la géométrie analytique, nous montre clairement que

cette science consiste essentiellement à déterminer quelle est, en

général, l'expression analytique de tel ou tel phénomène géométrique

propre aux lignes ou aux surfaces, et réciproquement à découvrir

l'interprétation géométrique de telle ou telle considération analytique.

Nous avons maintenant à examiner, en nous bornant aux questions

générales les plus importantes, comment les géomètres sont parvenus à

établir effectivement cette belle harmonie, et à imprimer ainsi à la

science géométrique, envisagée dans son ensemble total, le caractère

parfait de rationalité et de simplicité qu'elle présente aujourd'hui si

éminemment. Tel sera l'objet essentiel des deux leçons suivantes, l'une,

consacrée à l'étude générale des lignes, et l'autre, à l'étude générale

des surfaces.

Cours de philosophie positive. (1/6) · 第 17 / 39 题