QUATORZIÈME LEÇON.

SOMMAIRE. De la géométrie _générale_ à trois dimensions.

L'étude des surfaces se compose d'une suite de questions générales

exactement analogues à celles indiquées dans la leçon précédente par

rapport aux lignes. Il est inutile de considérer ici distinctement

celles qui ne dépendent que de l'analyse ordinaire, car elles se

résolvent par des méthodes essentiellement semblables; soit qu'il

s'agisse de connaître le nombre des points nécessaires à l'entière

détermination d'une surface, soit qu'on s'occupe de la recherche des

centres, soit qu'on demande les conditions précises de la similitude

entre deux surfaces du même genre, etc. Il n'y a d'autre différence

analytique que d'envisager des équations à trois variables au lieu

d'équations à deux variables. Je passe donc immédiatement aux questions

qui exigent l'emploi de l'analyse transcendante, en insistant seulement

sur les considérations nouvelles qu'elles présentent relativement aux

surfaces.

La première théorie générale est celle des plans tangens. En se servant

de la méthode infinitésimale proprement dite, on peut aisément trouver

l'équation du plan qui touche une surface quelconque en un point donné,

et qui est alors défini comme coïncidant avec la surface dans une

étendue infiniment petite tout autour du point de contact. Il suffit, en

effet, de considérer que, afin de remplir une telle condition,

l'accroissement infiniment petit reçu par l'ordonnée verticale en

résultat des accroissemens infiniment petits des deux coordonnées

horizontales, doit être le même pour le plan que pour la surface, et

cela indépendamment d'aucune relation déterminée entre ces deux derniers

accroissemens, sans quoi la coïncidence n'aurait pas lieu en tout sens.

D'après cette idée, l'analyse donne immédiatement l'équation générale:

/[z-z' = /frac{dz'}{dx'}(x-x') + /frac{dz'}{dy'}(y-y')/] pour celle du

plan tangent, x', y', z', désignant les coordonnées du point de contact.

La détermination de ce plan, dans chaque cas particulier, se trouve

ainsi réduite à une simple différentiation de l'équation de la surface

proposée.

On peut aussi obtenir cette équation générale du plan tangent, en

faisant dépendre sa recherche de la seule théorie des tangentes aux

courbes planes. Il faut, pour cela, considérer ce plan, ainsi qu'on le

fait habituellement en géométrie descriptive, comme déterminé par les

tangentes à deux sections planes quelconques de la surface passant au

point donné. En choisissant les plans de ces sections parallèles à deux

des plans coordonnés, on parvient sur-le-champ à l'équation précédente.

Cette manière de concevoir le plan tangent donne lieu d'établir

facilement un important théorème de géométrie générale, que Monge a

démontré le premier, et qui consiste en ce que les tangentes à toutes

les courbes qu'on peut tracer en un même point sur une surface

quelconque sont toujours comprises dans un même plan.

Enfin, il est encore possible de parvenir à l'équation générale du plan

tangent en le considérant comme perpendiculaire à la normale

correspondante, et définissant celle-ci par sa propriété géométrique

directe d'être le chemin _maximum_ ou _minimum_ pour aller d'un point

extérieur à la surface. La méthode ordinaire des _maxima_ et _minima_

suffit pour former, d'après cette notion, les deux équations de la

normale, en appliquant cette méthode à l'expression de la distance

entre deux points, l'un situé sur la surface, l'autre extérieur, dont

le premier conçu comme variable, est ensuite supposé fixe quand les

conditions analytiques ont été exprimées, tandis que le second,

primitivement constant, est alors envisagé comme mobile, et décrit la

droite cherchée. Les équations de la normale une fois obtenues, on en

déduit aisément celle du plan tangent. Cette ingénieuse manière de

l'établir est également due à Monge.

La question fondamentale que nous venons d'examiner devient, comme dans

le cas des courbes, la base d'un grand nombre de recherches relatives à

la détermination du plan tangent, lorsqu'on remplace le point de contact

donné par d'autres conditions équivalentes. Le plan tangent ne peut

point évidemment être déterminé par un seul point donné extérieur, comme

l'est la tangente: il faut l'assujétir à contenir une droite donnée; à

cela près, l'analogie est parfaite, et les deux questions se résolvent

de la même manière. Il en est de même si le plan tangent doit être

parallèle à un plan donné, ce qui fixe la valeur des deux constantes qui

assignent sa direction, et par suite détermine les coordonnées du point

de contact, dont ces constantes sont, pour chaque surface désignée, des

fonctions connues. Enfin on peut aussi trouver comme dans les courbes,

la relation analytique qui exprime généralement le simple phénomène du

contact entre un plan et une surface, sans spécifier le lieu de ce

contact; d'où résulte pareillement la solution de plusieurs questions

relatives aux plans tangens, entr'autres celle qui consiste à déterminer

un plan qui touche à la fois trois surfaces quelconques données,

recherche analogue à celle de la tangente commune à deux courbes.

La théorie générale des contacts plus ou moins intimes qui peuvent

exister entre deux surfaces quelconques par suite des relations plus ou

moins nombreuses de leurs équations, se forme d'après une méthode

exactement semblable à celle indiquée dans la leçon précédente

relativement aux courbes, en exprimant, à l'aide de la série de Taylor

pour les fonctions de deux variables, la distance verticale des deux

surfaces en un second point voisin de leur point d'intersection, et dont

les coordonnées horizontales auraient reçu deux accroissemens h et k

entièrement indépendans l'un de l'autre. La considération de cette

distance, développée selon les puissances croissantes de h et k, et dans

l'expression de laquelle on suprimera successivement les termes du

premier degré en h et k, ensuite ceux du second, etc., déterminera les

conditions analytiques des contacts de différens ordres que peuvent

avoir les deux surfaces suivant le plus ou moins grand nombre de

constantes arbitraires contenues dans l'équation générale de celle qu'on

regarde comme variable. Mais, malgré la conformité de méthode, cette

théorie présentera avec celle des courbes une différence fondamentale

relativement au nombre de ces conditions, par suite de la nécessité où

l'on se trouve dans ce cas de considérer deux accroissemens indépendant

au lieu d'un seul. Il en résulte, en effet, que, afin que chaque contact

ait lieu dans tous les sens possibles autour du point commun, on doit

annuler séparément tous les différens termes du même degré

correspondant, et, dont le nombre augmentera d'autant plus que ce degré

ou l'ordre du contact sera plus élevé. Ainsi, après la condition de

l'égalité des deux ordonnées verticales z nécessaire pour la simple

intersection, on trouvera que le contact du premier ordre exige, en

outre, deux relations distinctes, consistant dans l'égalité respective

des deux fonctions dérivées partielles du premier ordre propres à chaque

ordonnée verticale. En passant au contact du second ordre, il faudra

ajouter encore trois nouvelles conditions, à cause des trois termes

distincts du second degré en h et k dans l'expression de la distance, et

dont la suppression complète exigera l'égalité respective des trois

fonctions dérivées partielles du second ordre relatives au z de chaque

surface. On trouvera de la même manière que le contact du troisième

ordre donne lieu en outre à quatre autres relations, et ainsi de suite,

le nombre des dérivées partielles de chaque ordre restant constamment

égal au nombre de termes en h et k du degré correspondant. Il est aisé

d'en conclure, en général, que le nombre total des conditions distinctes

nécessaires au contact de l'ordre n, a pour valeur (n+1)(n+2)/2, tandis

que dans les courbes, il était simplement égal à n+1.

Par suite de cette seule différence essentielle, la théorie des surfaces

est loin d'offrir à cet égard la même facilité et de comporter la même

perfection que celle des courbes. Quand on se borne au contact du

premier ordre, il y a parité complète, puisque ce contact n'exige que

trois conditions, auxquelles on peut toujours satisfaire à l'aide des

trois constantes arbitraires que renferme l'équation générale d'un plan;

de là résulte, comme cas particulier, la théorie des plans tangens,

exactement analogue à celle des tangentes aux courbes, et présentant la

même utilité pour étudier la forme d'une surface quelconque. Mais il

n'en est plus ainsi lorsqu'on considère le contact du second ordre, afin

de mesurer la courbure des surfaces. Il serait naturel alors de comparer

toutes les surfaces à la sphère, la seule qui présente une courbure

uniforme, comme on compare toutes les courbes au cercle. Or, le contact

du second ordre entre deux surfaces exigeant six conditions, tandis que

l'équation la plus générale d'une sphère contient seulement quatre

constantes arbitraires, il n'est pas possible de trouver, en chaque

point d'une surface quelconque, une sphère qui soit complétement

osculatrice en tous sens, au lieu que nous avons vu un arc de courbe

infiniment petit pouvoir toujours être assimilé à un certain arc de

cercle. D'après cette impossibilité de mesurer la courbure d'une surface

en chaque point à l'aide d'une seule sphère, les géomètres ont déterminé

les coordonnées du centre et le rayon d'une sphère qui, au lieu d'être

osculatrice en tout sens indistinctement, le serait seulement dans une

certaine direction particulière, correspondante à un rapport donné entre

les deux accroissemens h et k. Il suffit alors, en effet, pour établir

ce contact du second ordre _relatif_, d'ajouter, aux trois conditions

ordinaires du contact du premier ordre, la condition unique qui résulte

de la suppression totale des termes du second degré en h et k envisagés

collectivement, sans qu'il soit nécessaire de les annuler chacun

séparément; le nombre des relations se trouve par là seulement égal à

celui des constantes disponibles renfermées dans l'équation générale de

la sphère, qui est ainsi déterminée. Ce procédé se réduit proprement à

étudier la courbure d'une surface en chaque point par celle des

différentes courbes que tracerait sur cette surface une suite de plans

menés par la normale correspondante.

D'après la formule générale qui exprime le rayon de courbure de chacune

de ces sections normales en fonction de sa direction, Euler, auquel est

essentiellement due toute cette théorie, a découvert plusieurs théorèmes

importans relatifs à une surface quelconque. Il a d'abord aisément

établi que, parmi toutes les sections normales d'une surface en un même

point, on en pouvait distinguer deux principales, dont la courbure,

comparée à celle de toutes les autres, était un _minimum_ pour la

première, et un _maximum_ pour la seconde, et dont les plans présentent

cette circonstance remarquable d'être constamment perpendiculaires entre

eux. Il a fait voir ensuite que, quelle que pût être la surface

proposée, et sans qu'il fût même nécessaire de la définir, la courbure

de ces deux sections principales suffisait seule pour déterminer

complétement celle d'une autre section normale quelconque, à l'aide

d'une formule invariable et très-simple, d'après l'inclinaison du plan

de cette section sur celui de la section de plus grande ou de plus

petite courbure. En considérant cette formule comme l'équation polaire

d'une certaine courbe plane, il en a déduit une ingénieuse construction,

éminemment remarquable par sa généralité et par sa simplicité. Elle

consiste en ce que, si l'on construit une ellipse telle que les

distances d'un de ses foyers aux deux extrémités du grand axe soient

égales aux deux rayons de courbure _maximum_ et _minimum_, le rayon de

courbure de toute autre section normale sera égal à celui des rayons

vecteurs de l'ellipse qui fera avec l'axe un angle double de

l'inclinaison du plan de cette section sur celui d'une des sections

principales. Cette ellipse se change en une hyperbole construite de la

même manière, quand les deux sections principales ne tournent pas leur

concavité dans le même sens: enfin elle devient une parabole, lorsque la

surface est du genre de celles qui peuvent être engendrées par une ligne

droite, ou qu'elle présente une _inflexion_ au point que l'on considère.

De cette belle propriété fondamentale, on a conclu plus tard un grand

nombre de théorèmes secondaires plus ou moins intéressans, que ce n'est

pas ici le lieu d'indiquer. Je dois seulement signaler le théorème

essentiel par lequel Meunier a complété le travail d'Euler, en

rattachant la courbure de toutes les courbes quelconques qui peuvent

être tracées sur une surface en un même point, à celle des sections

normales, les seules qu'Euler eût considérées. Ce théorème consiste en

ce que le centre de courbure de toute section oblique peut être envisagé

comme la projection sur le plan de cette section, du centre de courbure

correspondant à la section normale qui passerait par la même tangente:

d'où Meunier a déduit une construction fort simple, d'après laquelle,

par l'emploi d'un cercle analogue à l'ellipse d'Euler, on détermine la

courbure des sections obliques, connaissant celle des sections normales;

en sorte que, par la combinaison des deux théorèmes, la seule courbure

des deux sections normales _principales_ suffit pour obtenir celle de

toutes les autres courbes qu'on peut tracer sur une surface d'une

manière quelconque en chaque point considéré.

La théorie précédente permet d'étudier complétement, point par point, la

courbure d'une surface quelconque. Afin de lier plus aisément entre

elles les considérations relatives aux divers points d'une même surface,

les géomètres ont cherché à déterminer ce qu'ils appellent les _lignes

de courbure_ d'une surface, c'est-à-dire, celles qui jouissent de la

propriété que les normales consécutives à la surface peuvent y être

regardées comme comprises dans un même plan. En chaque point d'une

surface quelconque, il existe deux de ces lignes, qui se trouvent être

constamment perpendiculaires entre elles, et dont les directions

coïncident à leur origine avec celles des deux sections normales

_principales_ considérées ci-dessus, ce qui peut dispenser d'envisager

distinctement ces dernières. La détermination de ces lignes de courbure

s'effectue très-simplement sur les surfaces les plus usuelles, telles

que les surfaces cylindriques, coniques, et de révolution. Cette

nouvelle considération fondamentale est d'ailleurs devenue le point de

départ de plusieurs autres recherches générales moins importantes, comme

celle des _surfaces de courbure_, qui sont les lieux géométriques des

centres de courbure des diverses sections _principales_; celle des

surfaces développables formées par les normales à la surface menées aux

différens points de chaque ligne de courbure, etc.

Pour terminer l'examen de la théorie de la courbure, il me reste à

indiquer sommairement ce qui se rapporte aux _courbes à double

courbure_, c'est-à-dire, à celles qui ne peuvent être contenues dans un

plan.

Quant à la détermination de leurs tangentes, elle n'offre évidemment

aucune difficulté. Si la courbe est donnée analytiquement par les

équations de ses projections sur deux des plans coordonnées, les

équations de sa tangente seront simplement celles des tangentes à ces

deux projections, ce qui fait rentrer la question dans le cas des

courbes planes. Si, sous un point de vue plus général, la définition

analytique de la courbe consiste, ainsi que l'indique la douzième leçon,

dans le système des équations des deux surfaces quelconques dont elle

serait l'intersection, on regardera la tangente comme étant

l'intersection des plans tangens à ces deux surfaces, et le problème

sera ramené à celui du plan tangent, résolu ci-dessus.

La courbure des courbes de cette nature donne lieu à l'établissement

d'une notion nouvelle fort importante. En effet, dans une courbe plane,

la courbure se trouve être suffisamment appréciée en mesurant

l'inflexion plus ou moins grande des élémens consécutifs les uns sur les

autres, qui est estimée indirectement par le rayon du cercle osculateur.

Mais il n'en est nullement ainsi dans une courbe qui n'est point plane.

Les élémens consécutifs n'étant plus alors contenus dans un même plan,

on ne peut avoir une idée exacte de la courbure qu'en considérant

distinctement les angles qu'ils forment entre eux et aussi les

inclinaisons mutuelles des plans qui les comprennent. Il faut donc,

avant tout, commencer par fixer ce qu'on doit entendre à chaque instant

par _le plan_ de la courbe, c'est-à-dire, celui que déterminent trois

points infiniment voisins, et qu'on appelle, pour cette raison, le plan

_osculateur_, qui change continuellement d'un point à un autre. La

position de ce plan une fois obtenue, la mesure de la courbure

ordinaire, à l'aide du cercle osculateur, ne présente plus évidemment

aucune difficulté nouvelle. Quant à la seconde courbure, elle est

estimée par l'angle plus ou moins grand que forment entre eux deux plans

osculateurs consécutifs, et dont il est aisé de trouver généralement

l'expression analytique. Pour établir plus d'analogie entre la théorie

de cette courbure et celle de la première, on pourrait également la

regarder comme mesurée indirectement d'après le rayon de la sphère

_osculatrice_ qui passerait par quatre points infiniment voisins de la

courbe proposée, et dont l'équation se formerait de la même manière que

celle du plan osculateur. On l'apprécie ordinairement par la courbure

maximum que présente, au point considéré, la surface développable qui

est le lieu géométrique de toutes les tangentes à la courbe proposée.

Nous devons passer maintenant à l'indication des questions de géométrie

générale à trois dimensions qui dépendent du calcul intégral; elles

comprennent la quadrature des surfaces courbes, et la cubature des

volumes correspondans.

Relativement à la quadrature des surfaces courbes, il faut, pour établir

l'équation différentielle générale, concevoir la surface partagée en

élémens plans infinimens petits dans tous les sens, par quatre plans

perpendiculaires deux à deux aux axes des coordonnées x et y. Chacun de

ces élémens, situé dans le plan tangent correspondant, aurait évidemment

pour projection horizontale, le rectangle formé par les différentielles

des deux coordonnées horizontales, et dont l'aire serait dxdy. Cette

aire donnera celle de l'élément lui-même, d'après un théorème

élémentaire fort simple, en la divisant par le cosinus de l'angle que

fait le plan tangent avec le plan des x, y. On trouvera ainsi que

l'expression de cet élément est généralement: /[d^2S =

dxdy/sqrt{/frac{dz^2}{dx^2}+/frac{dz^2}{dy^2}+1}/] C'est donc par la

double intégration de cette formule différentielle à deux variables

qu'on connaîtra, dans chaque cas particulier, l'aire de la surface

proposée, autant que pourra le permettre l'imperfection actuelle du

calcul intégral. Les limites de chaque intégrale successive seront

déterminées par la nature des surfaces dont l'intersection avec celle

que l'on considère devra circonscrire l'étendue à mesurer, en sorte que,

dans l'application de cette méthode générale, il faudra apporter un soin

particulier à la manière de fixer les constantes arbitraires ou les

fonctions arbitraires introduites par l'intégration.

Relativement à la cubature des volumes terminés par les surfaces

courbes, le système de plans à l'aide duquel nous venons de différentier

l'aire, peut aussi servir immédiatement à décomposer le volume en

élémens polyèdres. Il est clair, en effet, que l'espace infiniment petit

du second ordre compris entre ces quatre plans, doit être envisagé,

suivant l'esprit de la méthode infinitésimale, comme égal au

parallélipipède rectangle ayant pour hauteur l'ordonnée verticale z du

point que l'on considère et pour base le rectangle dxdy, puisque leur

différence est évidemment un infiniment petit du troisième ordre,

moindre que dzdydz. D'après cela, un des plus simples théorèmes de la

géométrie élémentaire fournira directement, pour l'expression

différentielle du volume cherché, l'équation générale /[d^2V = zdxdy;/]

d'où l'on déduira, par une double intégration, dans chaque cas

particulier, la valeur effective de ce volume, en ayant le même égard

que précédemment à la détermination des limites de chaque intégrale,

conformément à la nature des surfaces qui devront circonscrire

latéralement le volume proposé.

Sans entrer ici dans aucun détail relatif à la solution définitive de

l'une ou de l'autre de ces deux questions fondamentales, il peut être

utile de remarquer, d'après les équations différentielles précédentes,

une analogie générale et singulière qui existe nécessairement entre

elles, et qui permettrait de transformer toute recherche relative à la

quadrature en une recherche correspondante relative à la cubature. On

voit, en effet, que les deux équations différentielles ne diffèrent que

par le changement de z en /sqrt{dz^2/dx^2+dz^2/dy^2+1} en passant de la

seconde à la première. Ainsi l'aire d'une surface courbe quelconque peut

être regardée comme numériquement égale au volume d'un corps terminé par

une surface dont l'ordonnée verticale aurait à chaque instant pour

valeur la sécante de l'angle que fait avec le plan horizontal le plan

tangent correspondant à la surface primitive, les limites étant

d'ailleurs supposées respectivement les mêmes.

Pour terminer l'examen philosophique de la géométrie générale à trois

dimensions, il me reste à considérer sommairement la belle conception

fondamentale établie par Monge relativement à la classification

analytique des surfaces en familles naturelles, qui doit être regardée

comme le perfectionnement le plus important qu'ait reçu la science

géométrique depuis Descartes et Leïbnitz.

Quand on se propose d'étudier, sous un point de vue général, les

propriétés spéciales des diverses surfaces, la première difficulté qui

se présente consiste dans l'absence d'une bonne classification,

déterminée par les caractères géométriques les plus essentiels, et

d'ailleurs suffisamment simple. Dès la fondation de la géométrie

analytique, les géomètres ont été involontairement conduits à classer

les surfaces, comme les courbes, par la forme et le degré de leurs

équations, seule considération qui s'offrît d'elle-même à l'esprit pour

servir de base à une distinction dont l'importance n'avait d'abord été

nullement sentie. Mais il est aisé de voir que ce principe de

classification, convenablement applicable aux équations du premier et du

second degré, ne remplit aucune des conditions principales auxquels doit

satisfaire un tel travail. En effet, on sait que Newton, en discutant

l'équation générale du troisième degré à deux variables, pour se borner

à la simple énumération des diverses courbes planes qu'elle peut

représenter, a reconnu que, bien qu'elles fussent toutes nécessairement

indéfinies en tout sens, on devait en distinguer 74 espèces

particulières, aussi différentes les unes des autres que le sont entre

elles les trois courbes du second degré. Quoique personne n'ait analysé

sous le même point de vue l'équation générale du quatrième degré à deux

variables, il n'est pas douteux qu'elle ne dût faire naître un nombre

beaucoup plus considérable encore de courbes distinctes; et ce nombre

devrait évidemment augmenter avec une prodigieuse rapidité d'après le

degré de l'équation. Si maintenant l'on passe aux équations à trois

variables, qui, vu leur plus grande complication, présentent

nécessairement bien plus de variété, il est incontestable que le nombre

des surfaces vraiment distinctes qu'elles peuvent exprimer doit être

encore plus multiplié, et croître beaucoup plus rapidement d'après le

degré. Cette multiplicité devient telle, qu'on s'est toujours borné à

analyser ainsi les équations des deux premiers degrés, aucun géomètre

n'ayant tenté pour les surfaces du troisième degré ce qu'a exécuté

Newton pour les courbes correspondantes. Il suit donc de cette

considération évidente que, quand même l'imperfection de l'algèbre ne

s'opposerait pas à l'emploi indéfini d'un procédé semblable, la

classification générale des surfaces par le degré et la forme de leurs

équations serait entièrement impraticable. Mais ce motif n'est pas le

seul qui doive faire rejeter une telle classification; il n'est point

même le plus important. En effet, cette manière de disposer les

surfaces, outre l'impossibilité de la suivre, se trouve directement

contraire à la principale destination de toute bonne classification

quelconque, consistant à rapprocher le plus les uns des autres les

objets qui offrent les relations les plus importantes, et à éloigner

ceux dont les analogies ont peu de valeur. L'identité du degré de leurs

équations est, pour les surfaces, un caractère d'une valeur géométrique

très-médiocre, qui n'indique pas même exactement le nombre des points

nécessaires à l'entière détermination de chacune. La propriété commune

la plus importante à considérer entre des surfaces consiste évidemment

dans leur mode de génération; toutes celles qui sont engendrées de la

même manière devant offrir nécessairement une grande analogie

géométrique, tandis qu'elles ne sauraient avoir que de très-faibles

ressemblances si elles sont engendrées d'après des modes essentiellement

différens. Ainsi, par exemple, toutes les surfaces cylindriques, quelle

que soit la forme de leur base, constituent une même famille naturelle,

dont les diverses espèces présentent un grand nombre de propriétés

communes de première importance: il en est de même pour toutes les

surfaces coniques, et aussi pour toutes les surfaces de révolution, etc.

Or, cet ordre naturel se trouve complétement détruit par la

classification fondée sur le degré des équations. Car des surfaces

assujéties à un même mode de génération, les surfaces cylindriques, par

exemple, peuvent fournir des équations de tous les degrés imaginables,

à raison de la seule différence secondaire de leurs bases; tandis, que

d'un autre côté, des équations d'un même degré quelconque expriment

souvent des surfaces de nature géométrique opposée, les unes

cylindriques, les autres coniques, ou de révolution, etc. Une telle

classification analytique est donc radicalement vicieuse, comme séparant

ce qui doit être réuni, et rapprochant ce qui doit être distingué.

Cependant, la géométrie générale étant entièrement fondée sur l'emploi

des considérations et des méthodes analytiques, il est indispensable que

la classification puisse prendre aussi un caractère analytique.

Tel était donc l'état précis de la difficulté fondamentale, si

heureusement vaincue par Monge: les familles naturelles entre les

surfaces étant clairement établies sous le point de vue géométrique

d'après le mode de génération, il fallait découvrir un genre de

relations analytiques destiné à présenter constamment une interprétation

abstraite de ce caractère concret. Cette découverte capitale était

rigoureusement indispensable pour achever de constituer la théorie

générale des surfaces.

La considération, que Monge a employée pour y parvenir, consiste dans

cette observation générale, aussi simple que directe: les surfaces

assujéties à un même mode de génération sont nécessairement

caractérisées par une certaine propriété commune de leur plan tangent en

un point quelconque; en sorte qu'en exprimant analytiquement cette

propriété d'après l'équation générale du plan tangent à une surface

quelconque, on formera une équation différentielle représentant à la

fois toutes les surfaces de cette famille.

Ainsi, par exemple, toute surface cylindrique présente ce caractère

exclusif: que le plan tangent en un point quelconque de la surface est

constamment parallèle à la droite fixe qui indique la direction des

génératrices. D'après cela, il est aisé de voir que les équations de

cette droite étant supposées être /[x=az,/;y=bz,/] l'équation générale

du plan tangent établie ci-dessus donnera, pour l'équation

différentielle commune à toutes les surfaces cylindriques,

/[a/frac{dz}{dx} + b/frac{dz}{dy} =1./]

De même, relativement aux surfaces coniques, elles sont toutes

caractérisées sous ce point de vue par la propriété nécessaire que leur

plan tangent en un point quelconque passe constamment par le sommet du

cône. Si donc /alpha, /beta, /gamma, désignent les coordonnées de ce

sommet, on trouvera immédiatement /[(x-/alpha)/frac{dz}{dx} +

(y-/beta)/frac{dz}{dy} = z-/gamma,/] pour l'équation différentielle

représentant la famille entière des surfaces coniques.

Dans les surfaces de révolution, le plan tangent en un point quelconque

est toujours perpendiculaire au plan _méridien_, c'est-à-dire à celui

qui passe par ce point et par l'axe de la surface. Afin d'exprimer

analytiquement cette propriété d'une manière plus simple, supposons que

l'axe de révolution soit pris pour celui des z: l'équation

différentielle commune à toute cette famille de surfaces, sera

/[y/frac{dz}{dx}-x/frac{dz}{dy} = 0./]

Il serait superflu de citer ici un plus grand nombre d'exemples pour

établir clairement, en général, que, quel que soit le mode de

génération, toutes les surfaces d'une même famille naturelle sont

susceptibles d'être représentées analytiquement par une même équation

_aux différences partielles_ contenant des constantes arbitraires,

d'après une propriété commune de leur plan tangent.

Afin de compléter cette correspondance fondamentale et nécessaire entre

le point de vue géométrique et le point de vue analytique, Monge a

considéré en outre les équations finies qui sont les intégrales de ces

équations différentielles, et qu'on peut d'ailleurs presque toujours

facilement obtenir aussi par des recherches directes. Chacune de ces

équations finies doit, comme on le sait par la théorie générale de

l'intégration, contenir une fonction arbitraire, si l'équation

différentielle est seulement du premier ordre; ce qui n'empêche pas que

de telles équations, quoique beaucoup plus générales que celles dont on

s'occupe ordinairement, ne présentent un sens nettement déterminé, soit

sous le rapport géométrique, soit sous le simple rapport analytique.

Cette fonction arbitraire correspond à ce qu'il y a d'indéterminé dans

la génération des surfaces proposées, à la base, par exemple, si les

surfaces sont cylindriques ou coniques, à la courbe méridienne, si elles

sont de révolution, etc.[27]. Dans certains cas même, l'équation finie

d'une famille de surfaces contient à la fois deux fonctions arbitraires,

affectées à des combinaisons distinctes des coordonnées variables; c'est

ce qui a lieu lorsque l'équation différentielle correspondante doit être

du second ordre; sous le point de vue géométrique, cette indétermination

plus grande indique une famille plus générale, et néanmoins

caractérisée. Telle est, par exemple, la famille des surfaces

développables, qui comprend, comme subdivisions, toutes les surfaces

cylindriques, toutes les surfaces coniques, et une infinité d'autres

familles analogues, et qui peut cependant être nettement définie, dans

sa plus grande généralité, comme étant l'_enveloppe_ de l'espace

parcouru par un plan qui se meut en restant toujours tangent à deux

surfaces fixes quelconques, ou comme le lieu géométrique de toutes les

tangentes à une même courbe quelconque à double courbure. Ce groupe

naturel de surfaces a, pour équation différentielle invariable, cette

équation très-simple, découverte par Euler, entre les trois dérivées

partielles du second ordre, /[/left(/frac{d^2z}{dxdy}/right)^2 =

/frac{d^2z}{dx^2}/frac{d^2z}{dy^2}/].

[Note 27: On trouve, par exemple, soit d'après les

considérations directes de géométrie analytique, soit en

résultat des méthodes d'intégration, que les surfaces

cylindriques et les surfaces coniques ont pour équations

finies /x-az = /varphi(y-bz),/; /frac{x-/alpha}{z-/gamma} =

/varphi/left(/frac{y-/beta}{z-/gamma}/right)/ /varphi,

désignant une fonction entièrement arbitraire.]

L'équation finie contient donc nécessairement deux fonctions arbitraires

distinctes, qui correspondent géométriquement aux deux surfaces

indéterminées sur lesquelles doit glisser le plan générateur, ou aux

deux équations quelconques de la courbe directrice.

Quoiqu'il soit utile de considérer les équations finies des familles

naturelles de surfaces, on conçoit néanmoins que l'indétermination des

fonctions arbitraires qu'elles renferment inévitablement, doit les

rendre peu propres à des travaux analytiques soutenus, pour lesquels il

est bien préférable d'employer les équations différentielles, où il

n'entre que de simples constantes arbitraires, malgré leur nature

indirecte. C'est par là que l'étude générale et régulière des propriétés

des diverses surfaces est réellement devenue possible, le point de vue

commun ayant pu ainsi être saisi et séparé par l'analyse. On conçoit

qu'une telle conception ait permis de découvrir des résultats d'un degré

de généralité et d'intérêt infiniment supérieurs à ceux qu'on pouvait

obtenir auparavant. Pour ne citer qu'un seul exemple très-simple, qui

est fort loin d'être le plus remarquable, c'est par une semblable

méthode de géométrie analytique qu'on a pu reconnaître cette singulière

propriété de toute équation _homogène_ à trois variables, de représenter

nécessairement une surface conique dont le sommet est situé à l'origine

des coordonnées; de même, parmi les recherches plus difficiles, il a

été possible de déterminer, à l'aide du calcul des variations, le plus

court chemin d'un point à un autre sur une surface développable

quelconque, sans qu'il fût nécessaire de la particulariser, etc.

J'ai cru devoir ici accorder quelque développement à l'exposition

philosophique de cette belle conception de Monge, qui constitue, sans

contredit, son premier titre à la gloire, et dont la haute importance ne

me semble point avoir encore été dignement sentie, excepté par Lagrange,

si juste appréciateur de tous ses émules. Je regrette même d'être

réduit, par les limites naturelles de cet ouvrage, à une indication

aussi imparfaite, où je n'ai pu seulement signaler l'heureuse réaction

nécessaire de cette nouvelle géométrie sur le perfectionnement de

l'analyse, quant à la théorie générale des équations différentielles à

plusieurs variables.

En méditant sur cette classification philosophique des surfaces,

essentiellement analogue aux méthodes naturelles que les physiologistes

ont tenté d'établir en zoologie et en botanique, on est conduit à se

demander si les courbes elles-mêmes ne comportent pas une opération

semblable. Vu la variété infiniment moindre qui existe entre elles, un

tel travail est à la fois moins important et plus difficile, les

caractères qui pourraient servir de base n'étant point alors à beaucoup

près aussi tranchés. Il a donc été naturel que l'esprit humain s'occupât

d'abord de classer les surfaces. Mais on doit sans doute espérer que cet

ordre de considérations s'étendra plus tard jusqu'aux courbes. On peut

même apercevoir déjà entre elles quelques familles vraiment naturelles,

comme celle des paraboles quelconques, et celle des hyperboles

quelconques, etc. Néanmoins, il n'a été encore produit aucune conception

générale directement propre à déterminer une telle classification.

Ayant ainsi exposé aussi nettement qu'il m'a été possible, dans cette

leçon et dans l'ensemble des quatre précédentes, le véritable caractère

philosophique de la section la plus générale et la plus simple de la

mathématique concrète, je dois maintenant entreprendre le même travail

relativement à la science immense et plus compliquée de la mécanique

rationnelle. Ce sera l'objet des quatre leçons suivantes.

Cours de philosophie positive. (1/6) · 第 19 / 39 题