Cercles de Villarceau

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Animation permettant de voir comment une section de tore donne les cercles de Villarceau

En mathématiques, en géométrie, les cercles de Villarceau sont deux cercles obtenus en sectionnant un tore selon un plan diagonal qui passe par le centre du tore. Ils tiennent leur nom de l'astronome et mathématicien français Yvon Villarceau (1813–1883).

Étant donné un point du tore, on peut construire quatre cercles. Un dans le plan du tore, un autre perpendiculairement à ce plan - les deux autres sont les cercles de Villarceau.

[modifier] Exemple

Prenons un tore de dimensions R = 5 et r = 3 dans le plan xy :

$0 = (x^2+y^2+z^2 + 16)^2 - 100(x^2+y^2). \,\!$

En sectionnant par le plan d'équation z = 0, on obtient deux cercles concentriques, d'équation x²+y² = 2² et x²+y² = 8².

En sectionnant par le plan d'équation x = 0, on obtient deux cercles tangents, d'équation (y−5)²+z² = 3² et (y+5)²+z² = 3².

Deux cercles de Villarceau peuvent être obtenus en sectionnant par le plan d'équation x = 4z. Le premier est centré en (0, +3, 0), le second en (0, −3, 0) - les deux ont 5 pour rayon. On peut les réécrire sous la forme d'une paire d'équations paramétriques :

$(x,y,z) = (4 \cos \theta, +3+5 \sin \theta, 3 \cos \theta) \,\!$

$(x,y,z) = (4 \cos \theta, -3+5 \sin \theta, 3 \cos \theta) . \,\!$

Le plan est choisi pour être tangent au tore tout en passant par son centre. Ici, il est tangent en (¹⁶⁄₅, 0, ¹²⁄₅) et en (−¹⁶⁄₅, 0, −¹²⁄₅). L'angle de découpe est unique, déterminée par les dimensions du tore.

[modifier] Occupation de l'espace

Le tore joue un rôle important dans la fibration de Hopf sur la sphère S³, la sphère traditionnelle S², qui a les cercles usuels S¹ pour fibrés. Quand S³ est projetée sur un espace euclidien de dimension 3, l'image inversée d'un cercle de latitude sur S² est un tore, et les fibrés eux-mêmes sont des cercles de Villarceau.

Thomas Banchoff (1990) a pu analyser un tel tore à l'aide d'imagerie informatique.

[modifier] Voir aussi

[modifier] Références

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu d’une traduction de l’article en anglais : « Villarceau circles. »
Thomas F. Banchoff, « Beyond the Third Dimension », Scientific American Library, 1990. ISBN 978-0-7167-5025-3 ;
Marcel Berger, « Geometry II » Chapitre §18.9: Villarceau circles and parataxy, pages 304-305, Springer, 1987. ISBN 978-3-540-17015-0 ;
HMS. Coxeter, « Introduction to Geometry », Wiley, 1969. ISBN 978-0-471-50458-0 ;
Anton Hirsch, « Extension of the ‘Villarceau-Section’ to Surfaces of Revolution with a Generating Conic », Journal for Geometry and Graphics vol. 6, Heldermann Verlag, Lemgo (Allemagne), 2002. ISSN 1433-8157. [1]
Hellmuth Stachel, « Remarks on A. Hirsch's Paper concerning Villarceau Sections », Journal for Geometry and Graphics vol.6, Heldermann Verlag, 2002. ISSN 1433-8157 ;
Yvon Villarceau, Antoine Joseph François (1848). "Théorème sur le tore". Nouvelles Annales de Mathématiques 7: 345–347. OCLC: 2449182.