[PDF] Géométrie Riemannienne : exercices du chapitre 1

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G´eom´etrie Riemannienne : exercices du chapitre 1 Exercice 1Soits?→(r(s),0,z(s))une courbe trac´ee dans un plan vertical. Para- m´etrer la surface de r´evolution engendr´ee par la rotation de cette courbe, baptis´ee m´eridienne, autour de l"axeOz. Solution de l"exercice 1.Param´etrisation d"une surface de r´evolution.

On applique au vecteur(

(r(u) 0 z(u)) la matrice( (cosv-sinv0 sinvcosv0

0 0 1)

de la rotation d"anglevautour de l"axeOz. Il vient (u,v)?→( (r(u)cos(v) r(u)sin(v) z(u)) Exercice 2Param´etrer la surface d"´egale penteαs"appuyant sur une courbe plane. Solution de l"exercice 2.Param´etrisation de la surface d"´egale penteαs"appuy- ant sur une courbe plane. Par hypoth`ese, la courbe plane donn´eecest contenue dans la surfaceXcherch´ee, donc on peut prendreγ=c. De plus, comme les plans dont on prend l"enveloppe sont tangents `ac,c?·ν= 0, doncσ=γ=cest solution des ´equations (??) et (??). Supposonscparam´etr´ee par son abscisse curviligne. Le vecteur normalνau plan

Π cherch´e doit satisfaire

ν·e3= cosαetν·c?= 0.

Il vient

ν= cosαe3±sinαe3?c?,

d"o`u ?=±sinαe3?c??(1) =?sinακc?(2) o`uκest la courbure decdans le plan horizontal orient´e par sa normalee3. La droite

D(s) qui engendreXest donc parall`ele au vecteur

?1κsinαν?ν?=?sinαe3+ cosαe3?c?. Elle se projette sur la normale `acdans le plan horizontal. On peut donc param´etrer la surfaceXpar (u,v)?→( (x(u)-vy?(u)cosα y(u) +vx?(u)cosα

±vsinα)

.(3) 1 Exercice 3Soitcune courbe sans point d"inflexion. En utilisant le tri`edre de Frenet, param´etrer le tube de largeur?autour dec. Solution de l"exercice 3.Param´etrisation d"un tube. Soitu?→c(u) une courbe gauche sans point d"inflexion, param´etr´ee par son abscisse curviligne. Le plan vectoriel orthogonal `a la tangenteτ:=c?`acest engendr´e

par la normale unitaireν(colin´eaire `a l"acc´el´erationc??) et la binormaleb:=τ?ν.

On choisit de param´etrer la surfaceXbalay´ee par le cercle de rayon?par (u,v)?→c(u) +?cos(v)ν(u) +?sin(v)b(u). Exercice 4On param`etre la sph`ere unit´e par la latitudeθet la longitudeφ. Ecrire cette param´etrisation. La normale orient´ee sort elle ou rentre-t-elle dans la sph`ere ? Ecrire la premi`ere forme fondamentale. Calculer la longueur d"un parall`ele. Calculer l"aire de la sph`ere unit´e. Solution de l"exercice 4.Premi`ere forme fondamentale de la sph`ere. Le point de longitudeφ= 0 et de latitudeθ?[-π/2,π/2] a pour coordonn´ees (cosθ,0,sinθ). Le point de longitudeφ?R/2πZet de latitudeθs"obtient en lui appliquant une rotation d"angleφautour de l"axe desz, i.e.

X(θ,φ) =(

(cosφ-sinφ0 sinφcosφ0

0 0 1)

(cosθ 0 sinθ) (cosθcosφ cosθsinφ sinθ)

On calcule

ds

2=dθ2+ (cosθ)2dφ2.

Un parall`ele est param´etr´e parφ?→(θ,φ),φ?[0,2π[, donc sa longueur est 2π

0?(cosθ)2dφ= 2πcosθ.

On calcule

∂X∂θ ?∂X∂φ =-X(θ,φ) donc le vecteur unitaire normal orient´e est Γ(θ,φ) =-X(θ,φ), il pointe vers

l"int´erieur de la sph`ere. L"´el´ement d"aire vaut cosθdθdφdonc l"aire de la sph`ere

vaut?2π 0?

π/2

-π/2cosθdθdφ= 4π.Exercice 5SiPetQsont deux points de la sph`ere unit´e deR3, on d´efinit leur

distanced(P,Q)comme la borne inf´erieure des longueurs des courbes trac´ees sur la sph`ere qui relientP`aQ. Montrer qued(P,Q) = Arccos(P·Q), i.e. que la borne inf´erieure est atteinte par un des arcs du grand cercle passant parPetQ. 2 Solution de l"exercice 5.Distance intrins`eque sur la sph`ere. On noteN= (0,0,1) le pˆole nord et on utilise les coordonn´eesθ(latitude) etφ (longitude). SiP=X(θ,φ) (voir exercice 4), alors Arccos(P·N) = (π/2)-θ. Soit

t?→(θ(t),φ(t)),t?[0,1], une courbe dans le plan reliant (θ0,φ0) `a (π/2,φ1). La

longueur de son image sur la sph`ere satisfait

Long(X◦c) =?

1

0?θ

?(t)2+ cos(θ(t))2φ?(t)2dt 1 0 |θ?(t)|dt π2 -θ0|.

L"´egalit´e a lieu siφ?= 0, i.e. pour un arc de m´eridien. Par cons´equent, parmi toutes

les courbes reliantP=X(θ0,φ0) au pˆole nord et qui sont l"image d"une courbe plane par la param´etrisationX, l"arc de m´eridien a une longueur minimum. Il reste `a voir que toute courbe ´evitant les pˆoles mais convergeant vers le pˆole nord est de ce type. C"est un argument topologique. Exercice 6Calculer l"aire d"une surface de r´evolution g´en´erale, puis dans le cas particulier du tore de r´evolution dont la m´eridienne est un cercle de rayonr2dont le centre est situ´e `a distancer1> r2de l"axe. Solution de l"exercice 6.Aire d"une surface de r´evolution.

On remplace le m´eridien semi-circulaire

(cosθ 0 sinθ) par une courbe quelconque u?→( (r(u) 0 z(u)) trac´ee dans le plan{y= 0}. On obtient pour la surface de r´evolution la param´etri- sation (u,v)?→X(u,v) =( (r(u)cosv r(u)sinv z(u))

Il vient

∂X∂u (r?(u)cosv r ?(u)sinv z ?(u)) ,∂X∂v (-r(u)sinv r(u)cosv 0) ,∂X∂u ?∂X∂v =r(u)( (-z?(u)cosv -z?(u)sinv r ?(u)) d"o`u ?∂X∂u ?∂X∂v ?=r(u)?r ?(u)2+z?(u)2 3 et enfin, si on consid`ere le secteur de la surface d"angleφ,

Aire(X) =? ?

0 r(u)?r ?(u)2+z?(u)2dv du=? 0

φr(s)ds

o`usest l"abscisse curviligne le long de la m´eridienne. Si?d´esigne la longueur de la m´eridienne, la valeur moyenne -1? r(s)ds est la distance du centre de gravit´e de la m´eridienne `a l"axe. On obtient donc le th´eor`eme de Guldin : l"aire d"un secteur d"une surface de r´evolution est le produit de la longueur de la m´eridienne par la longueur du cercle parcouru par le centre de gravit´e de la m´eridienne. Dans le cas d"un tore de r´evolution, l"aire vaut donc

2πr1×2πr2.

Exercice 7Soitcune courbe sans point d"inflexion. Calculer la premi`ere forme fondamentale et l"aire du tube de largeur?autour dec, pour? >0assez petit. Solution de l"exercice 7.Premi`ere forme fondamentale et aire d"un tube. Pour d´eriver la param´etrisation obtenue dans l"exercice 3, on utilise les formules de Frenet b (0κ0 -κ0-θ

0θ0)

b) o`uκ:=?c???est la courbure etθ:=b?·νest la torsion. Il vient ∂X∂u = (1-?κcos(v))τ-?θsin(v)ν+?θcos(v)b,∂X∂v =-?sin(v)ν+?cos(v)b. On noteJ(u,v) = 1-?κ(u)cos(v) et on suppose que cette quantit´e est toujours positive. Il vient

E=?∂X∂u

?2=J2+?2θ2, F=∂X∂u

·∂X∂v

=?2θ,

G=?∂X∂v

?2=?2, EG-F2=?2J2.

Aire(X) =?

L 0? 2π 0 ?J dv du L 0? 2π 0 (1-?κ(u)cos(v))dv du = 2π?L o`uLest la longueur de la courbec. 4 Exercice 8Calculer la seconde forme fondamentale de la sph`ere unit´e au pˆole nord. Solution de l"exercice 8.Seconde forme fondamentale de la sph`ere. Au pˆole nordP= (0,0,1), le plan tangent est le plan vectoriel horizontalH= {z= 0}, la normale orient´ee est le vecteurν= (0,0,-1). Au voisinage du pˆole nord, la sph`ere unit´e est param´etr´ee par

H?→R3, v?→P+v+f(v)Γ

o`uf(v) =-?1- ?v?2. Le d´eveloppement limit´e `a l"ordre 2 defen 0 est f(v) =12 ?v?2+o(?v?2) donc la seconde forme fondamentale est simplementv?→?v?2. En fonction des coordonn´eesxetysurH, elle s"´ecrit (x,y) =x2+y2ou bien simplementdx2+dy2. Les courbures principales valent 1. Toute direction est une direction principale, toute courbe est une ligne de courbure. Exercice 9Soitt?→c(t)une courbe trac´ee dans le plan horizontal{z= 0}deR3. SoitCle cylindre droit surc, i.e. la r´eunion des droites verticales coupant la courbe c. Calculer la seconde forme fondamentale du cylindreCen l"un de ses points. Solution de l"exercice 9.Seconde forme fondamentale d"un cylindre. Au pointP= (c(0),z), le plan tangent au cylindre est engendr´e par (0,0,1) et par le vecteur tangent `a la courbeτ(0). La normale unitaire est donc la normale ν(0) `a la courbe. On ´ecrit la courbe comme un graphe u?→P+uτ+f(u)Γ, de sorte que la courbure apparaissent dans le d´eveloppement limit´e f(u) =12

κ(0)u2+o(u2).

Le cylindre devient un graphe

(u,v)?→P+uτ+ (0,0,v) +f(u)Γ avec une fonction qui ne d´epend que deu. Le d´eveloppement limit´e ci-dessus donne pour la seconde forme fondamentale du cylindre l"expression q(u,v) =κ(0)u2.

Elle est d´eg´en´er´ee. Les courbures principales valent 1 etκ(s). Les directions prin-

cipales en un point (c(s),z) sont la droite verticale et la tangente `ac. Les liignes de courbure sont les droites verticales (directrices) et les sections par des plans hor- izontaux. 5 Exercice 10Supposons que la surfaceXcontient la droiteD. Montrer queDest une direction asymptotique deX Solution de l"exercice 10.Les droites contenues dans les surfaces sont des di- rections asymptotiques. Soitt?→Y(t) =P+suune param´etrisation affine deD. AlorsY??= 0 donc en chaque pointII(u) =II(Y?(t)) =Y??(t)·Γ(Y(t)) = 0 etDest une direction asymptotique. Exercice 11SoitXle parabolo¨ıde hyperbolique d"´equationz=xy. Calculer sa seconde forme fondamentale, ses courbures principales. Quelles sont les directions asymptotiques ? On utilisera deux syst`emes de coordonn´ees diff´erents,(u,v)?→ X(u,v) = (u,v,uv)et(u?,v?)?→X1(u?,v?) = (u?/v?,v?,u?)et on comparera les r´esultats obtenus. Solution de l"exercice 11.Seconde forme fondamentale et lignes asymptotiques d"un parabolo¨ıde hyperbolique. A partir de la param´etrisation (u,v)?→X(u,v) = (u,v,uv), on calcule ∂X∂u ?∂X∂v ?=⎷1 +u2+v2,

A=C= 0 et

B=?∂X∂u

?∂X∂v ?-1det(∂2X∂u∂v ,∂X∂u ,∂X∂v ) =1⎷1 +u2+v2. donc la seconde forme fondamentale s"´ecrit

II=2⎷1 +u2+v2dudv.

Les droites isotropes de cette forme quadratique sont les axes de coordonn´ees. On retrouve le fait que les droites contenues dans la surfaces sont des courbes asymp- totiques. Avec la param´etrisation (u?,v?)?→X1(u?,v?) = (u?/v?,v?,u?), il vient ∂X1∂u ?∂X1∂vquotesdbs_dbs15.pdfusesText_21

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