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Théorème de Gauss Egregium

1827
  • Carl Friedrich Gauss
Carl Friedrich Gauss calculant la courbure gaussienne dans un bureau historique.

(Image générée à titre d'illustration uniquement)

Le Theorema Egregium (théorème remarquable en latin) stipule que la courbure gaussienne d'une surface est une propriété intrinsèque. Autrement dit, elle dépend uniquement de la manière dont les distances sont mesurées sur la surface elle-même, et non de la façon dont la surface est inscrite dans l'espace tridimensionnel. Une feuille de papier plate peut être enroulée en cylindre, mais pas en sphère, sans être étirée.

Le théorème d'Egregium de Gauss est une pierre angulaire de la géométrie différentielle. Avant Gauss, la courbure était généralement appréhendée de manière extrinsèque, en relation avec la façon dont une surface se courbe dans l'espace tridimensionnel environnant. Gauss a découvert une méthode pour calculer la courbure en utilisant uniquement les informations accessibles à un être bidimensionnel imaginaire vivant à la surface. Cette mesure intrinsèque est aujourd'hui appelée courbure gaussienne.

Il a démontré que la courbure gaussienne K pouvait s'exprimer entièrement en fonction des coefficients de la première forme fondamentale (E, F, G) et de leurs dérivées. La première forme fondamentale, ds² = E du² + 2F du dv + G dv², définit la métrique de la surface ; elle indique comment mesurer les longueurs des courbes. Puisque la métrique est intrinsèque, la courbure l'est également. Ce fut un changement de perspective fondamental.

L'implication pratique du théorème est que deux surfaces interchangeables sans déformation (isométrie) ont nécessairement la même courbure gaussienne en leurs points correspondants. Par exemple, un plan a une courbure nulle. Puisqu'un cylindre peut être obtenu en enroulant un plan sans le déformer, sa courbure gaussienne est également nulle. Une sphère, en revanche, possède une courbure positive constante, ce qui explique pourquoi il est impossible d'aplatir une peau d'orange sans la casser. Ce concept a ensuite été généralisé par Riemann aux dimensions supérieures, ouvrant la voie à la théorie de la relativité générale d'Einstein.

UNESCO Nomenclature: 1204
- Géométrie

Taper

Système abstrait

Perturbation

Révolutionnaire

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

  • géométrie euclidienne
  • Théorie des courbes et des surfaces
  • Développement du calcul différentiel et intégral par Newton et Leibniz
  • Première forme fondamentale

Applications

  • cartographie (explique pourquoi aucune carte plane de la Terre ne peut être parfaitement précise)
  • relativité générale (la courbure de l'espace-temps est intrinsèque)
  • génie des structures (conception de coques et de structures courbes)
  • infographie (pour le mappage de textures et la paramétrisation de surfaces)

Brevets:

NA

Idées d'innovations potentielles

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En lien avec : courbure gaussienne, géométrie intrinsèque, theorema egregium, première forme fondamentale, isométrie, surfaces, métrique, Gauss.

Contexte historique

Théorème de Gauss Egregium

1799
1812
1822
1827
1829
1850
1854
1780
1805
1822
1822
1828
1848
1850
1854

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)

Inventions, innovations et principes techniques connexes

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