$$\newcommand{\mtn}{\mathbb{N}}\newcommand{\mtns}{\mathbb{N}^*}\newcommand{\mtz}{\mathbb{Z}}\newcommand{\mtr}{\mathbb{R}}\newcommand{\mtk}{\mathbb{K}}\newcommand{\mtq}{\mathbb{Q}}\newcommand{\mtc}{\mathbb{C}}\newcommand{\mch}{\mathcal{H}}\newcommand{\mcp}{\mathcal{P}}\newcommand{\mcb}{\mathcal{B}}\newcommand{\mcl}{\mathcal{L}} \newcommand{\mcm}{\mathcal{M}}\newcommand{\mcc}{\mathcal{C}} \newcommand{\mcmn}{\mathcal{M}}\newcommand{\mcmnr}{\mathcal{M}_n(\mtr)} \newcommand{\mcmnk}{\mathcal{M}_n(\mtk)}\newcommand{\mcsn}{\mathcal{S}_n} \newcommand{\mcs}{\mathcal{S}}\newcommand{\mcd}{\mathcal{D}} \newcommand{\mcsns}{\mathcal{S}_n^{++}}\newcommand{\glnk}{GL_n(\mtk)} \newcommand{\mnr}{\mathcal{M}_n(\mtr)}\DeclareMathOperator{\ch}{ch} \DeclareMathOperator{\sh}{sh}\DeclareMathOperator{\th}{th} \DeclareMathOperator{\vect}{vect}\DeclareMathOperator{\card}{card} \DeclareMathOperator{\comat}{comat}\DeclareMathOperator{\imv}{Im} \DeclareMathOperator{\rang}{rg}\DeclareMathOperator{\Fr}{Fr} \DeclareMathOperator{\diam}{diam}\DeclareMathOperator{\supp}{supp} \newcommand{\veps}{\varepsilon}\newcommand{\mcu}{\mathcal{U}} \newcommand{\mcun}{\mcu_n}\newcommand{\dis}{\displaystyle} \newcommand{\croouv}{[\![}\newcommand{\crofer}{]\!]} \newcommand{\rab}{\mathcal{R}(a,b)}\newcommand{\pss}[2]{\langle #1,#2\rangle} $$
Bibm@th

Formulaire - Propriétés métriques des courbes

On étudie un arc paramétré $(I,f)$.
Longueur d'une courbe
Dans la suite, on suppose que les fonctions sont $C^1$.
  • Pour un arc en coordonnées cartésiennes $t\mapsto (x(t),y(t)$ sur l'intervalle $[a,b]$, la longueur du support vaut $$\int_a^b\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2}dt.$$ En particulier, la longueur de la courbe représentative d'une fonction $y=f(x)$ définie sur $[a,b]$ est donnée par $$\int_a^b\sqrt{1+f'(t)^2}dt.$$
  • Pour un arc en coordonnées polaires $\theta\mapsto \rho(\theta)$, pour $\theta\in[\theta_1,\theta_2]$, la longueur du support est donnée par $$\int_{\theta_1}^{\theta_2}\sqrt{\rho(\theta)^2+\rho'(\theta)^2}d\theta.$$
Abscisse curviligne
  Si $(I,f)$ est un arc paramétré de classe $C^1$, la dérivée de l'abscisse curviligne vérifie $$\frac{ds}{dt}=\|f'(t)\|=\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2}.$$

Repère de Frénet
  En un point $M(t)$ de la courbe, le vecteur tangent unitaire est noté $$\vec T(t)=\frac{f'(t)}{\|f'(t)\|}.$$ Son image par rotation d'angle $\pi/2$ est noté $\vec N(t)$. Le repère de Serret-Frénet au point $M(t)$ est le repère orthonormé direct $(M(t),\vec T(t),\vec N(t))$.

Détermination angulaire
  Si l'arc $(I,f)$ est de classe $C^n$, $n\geq 1$, alors il existe une application $\alpha$ de classe $C^{n-1}$ sur $I$ telle que, pour tout $t\in I$, $$\vec T(t)=\cos(\alpha(t))\vec i+\sin(\alpha(t))\vec j.$$ La fonction $\alpha$ s'appelle la détermination angulaire de l'arc au point $M(t)$.

Courbure
  Elle est définie, si on a un paramétrage par abscisse curviligne de l'arc, par la formule : $$\frac{d\vec T}{ds}(s)=c(s)\vec N(s).$$ On la calcule de la façon suivante :
  • Formule générale : $$c(t)=\frac{\det(f'(t),f''(t))}{\left(\frac{ds}{dt}\right)^3}.$$
  • Cas où on connait une détermination angulaire : $$c(t)=\frac{\frac{d\alpha}{dt}}{\frac{ds}{dt}}.$$
  • Cas des courbes en coordonnées cartésiennes : $$c=\frac{x'y''-x''y'}{(x'^2+y'^2)^{3/2}}.$$
  • Cas des courbes en coordonnées polaires : $$c=\frac{\rho^2+2\rho'^2-\rho\rho''}{(\rho^2+\rho'^2)^{3/2}}.$$