ChronoMath, une chronologie des MATHÉMATIQUES
à l'usage des professeurs de mathématiques, des étudiants et des élèves des lycées & collèges

Courbes algébriques planes   (dans le plan euclidien)   
  équations algébriques , fonctions algébriques , aspect projectif

L'étude des courbes algébriques est plus compliquée qu'il n'y parait a priori. En particulier, les courbes elliptiques, de la forme y2 = P(x) où P est un polynôme du 3ème degré n'admettant pas de zéros multiples, qui se retrouvent en arithmétique dans la résolution d'équations diophantiennes, furent -et sont encore- l'objet d'études.

Dans le langage mathématique récent, vu la généralisation du concept aux espaces projectifs de dimension quelconque, une courbe algébrique est aussi appelée variété algébrique de dimension 1. Une surface algébrique, comme la sphère, est de dimension 2, alors que la boule qu'elle enferme est de dimension 3. Une courbe (ou une surface) définie paramétriquement fait implicitement appel aux calculs vectoriel et différentiel, ainsi qu'à la trigonométrie (coordonnées paramétriques, coordonnées polaires). On entre dans le domaine plus ardu de la géométrie différentielle, des variétés différentielles, voire de la topologie.

Riemann et notion de géométrie différentielle :

Depuis Descartes et Fermat, avec l'aube de la géométrie analytique, une courbe algébrique plane (le terme est de Leibniz) est un ensemble de points admettant une équation cartésienne de type polynomial f(x,y) = 0.

   Il n'est pas dit ici que l'expression (si elle existe) de y en fonction de x est polynomial !  Cela peut être mais ce n'est alors qu'un cas particulier. Par exemple la parabole y = x2. Mais l'équation d'un cercle, comme x2 + y2 = 4 ne peut se ramener à une telle expression.

L'étude des courbes algébriques et leur classification ont été initiées par Descartes et Newton. Au 19è siècle, avec Plücker en particulier, elles furent étudiées d'un point de vue projectif (variété algébrique de dimension 1) en introduisant les coordonnées homogènes par le biais d'une 3è variable z d'homogénéité permettant de considérer de façon naturelle des points rejetés à l'infini et simplifier leur classification.

Le degré ou l'ordre d'une telle courbe est le degré du monôme en x et y le plus élevé.

                   

Ci-dessus : à gauche, une famille de cubiques : x3 + y3 = m, cas particulier de courbes de Lamé. Le folium de Descartes, à droite, dont une équation est : x3 + 3kxy + y3 = 0 est également une cubique.

  Une cubique élémentaire sous forme d'exercice concret

Concernant l'ordre 3 (les cubiques), Newton dénombra 78 espèces (Enumeratio linearum lertii ordinis, Énumération des courbes du 3ème ordre, 1708). Mais Plücker en dénombra 219 en 1835 ! Les propriétés les plus importantes de ces courbes furent établies par Maclaurin (1720) et leur étude se poursuivit jusqu'à la fin du 19è siècle.

Sextique de Cayley :

Une importante catégorie de courbes algébriques concerne celles dont le terme de plus haut degré contient en facteur x2 + y2, c'est à dire le carré de la distance de l'origine O à un point de la courbe. On rencontre fréquemment ces courbes dans des lieux géométriques faisant intervenir des cercles.

Elles sont qualifiées de circulaires si x2 + y2 intervient au 1er degré, voire bicirculaires si x2 + y2 intervient au carré. Dans cette catégorie, on rencontre couramment les cubiques circulaires et les quartiques bicirculaires.

Dans l'interprétation projective des courbes algébriques, ces courbes passent par les points cycliques imaginaires du plan : points à l'infini (1,i,0) et (1,-i,0).

Courbes cycliques :

Différentes représentations d'une courbe, paramétrage :

  Une courbe algébrique admet parfois une représentation cartésienne simple de la forme y = f(x) : y est explicité de façon unique en fonction de x.

  Une équation du type f(x,y) = 0 est dite implicite et peut conduire à plusieurs déterminations de y mais on parle encore d'équation cartésienne. Un exemple simple est x2 + y2 = 1 : cercle de centre 0 de rayon 1, pour lequel on a y = ±(1 - x2).

  Une courbe algébrique peut posséder une représentation paramétrique : x = f(t) , y = g(t). On parle alors de courbe unicursale (le terme est de Cayley), du latin unus = un et cursivus, participe passé de currere = courir, pour signifier que chaque point peut être construit individuellement et rendre compte de la courbe.

Cependant, certains auteurs (mathématiciens) réservent le qualificatif d'unicursal aux représentations paramétriques rationnelles (f et g sont des fractions rationnelles de t).

x = a.cos u , y = b.sin u

On peut donner une forme rationnelle de cette représentation en utilisant le paramètre t = tan(u/2).

Les différents types de points d'une courbe plane :

Une courbe étudiée sous forme implicite f(x,y) = 0 ou paramétrée x = f(t) , y = g(t) admet un point :

En savoir plus sur les points doubles (cas implicite)  :             Cas paramétré :

à droite : y2 = x2(x - 1). Un point M(x,y) appartient à la courbe à condition d'avoir x = 0 ou x 1. C'est ainsi que O(0,0) est un point isolé de cette cubique

Coordonnées paramétriques et polaires :

Une courbe (resp. un arc de courbe) est dite régulière (resp. régulier) lorsque tous ses points sont réguliers et qu'elle n'admet aucun point double.

Cas des courbes gauches :


Vérifier que la strophoïde (illustrée ci-contre) cubique d'équation x(x2 + y2) - a(y2 - x2) = 0
admet un point double à l'origine

Plücker et l'interprétation projective des courbes algébriques :

Genre d'une courbe plane :

Le genre d'une courbe algébrique plane a été  introduit par l'allemand Clebsch afin de faciliter leur classification : il s'agit du nombre

g = ½(n  - 1)(n  - 2) - d

Si, en un point multiple d'ordre p, les tangentes à (c) sont distinctes, alors ce point multiple équivaut à ½p(p - 1) points doubles.

Plücker

 Pour en savoir plus :

Équations algébriques :

Une équation algébrique sur Q (resp. sur R) si elle est de la forme P(x) = 0 où P est un polynôme dont les coefficient sont des nombres rationnels (resp. réels ou complexes).

  On ne confondra pas les équations algébriques avec le concept de nombre algébrique, c'est à dire solution d'une équation polynomiale P(x) = 0 avec, là, des coefficients rationnels (ou entiers puisque l'on peut s'y ramener par réduction au même dénominateur).

Gauss et nombres algébriques :                Abel , Galois , Wantzel

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