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

HUYGENS Christiaan (Christian), hollandais, 1629-1695

Astronome et physicien, fils d'un diplomate amateur de sciences, Huygens fit des études de droit et de mathématiques à Leyde (Leiden : au sud de la Hollande) et à Breda. Présenté à Mersenne et à Descartes par son père, ces rencontres seront décisives : il se tourne vers les mathématiques et la recherche scientifique. A l'invitation de Colbert (1665), Huygens s'établira en France jusqu'en 1681 et sera membre de l'Académie des Sciences.

Travaux en optique où il découvre le premier la nature ondulatoire de la lumière (dès 1678, publié en 1690) expliquant ainsi les effets de réfraction et de diffraction. Au moyen d'une lunette astronomique de sa fabrication, il découvrit (1656) les anneaux de Saturne pressentis par Galilée et son premier satellite (le plus gros : Titan, 5150 km de diamètre).

Jean-dominique Cassini en découvrira 4 autres (entre 1671 et 1684). Saturne est la 6ème planète du système solaire, en moyenne à 1,5 milliards de km de la Terre, diamètre : 9 fois celui de la Terre, température au sol : -160°.

Il fallut attendre les sondes américaines Voyager (1980 à 1981) pour reconnaître une multitude d'anneaux et dénombrer 20 satellites de cette planète. Aujourd'hui (2004) on en dénombre plus de 30. Ci-dessus, image de Saturne : observatoire du Pic du Midi.  

  Saturne : http://perso.wanadoo.fr/pgj/planetes/saturne.htm

La mission Cassini-Huygens lancée en 1997 par la NASA avec la collaboration de l'Agence spatiale européenne a placé le module américain Cassini en orbite autour de Saturne en juillet 2004. La sonde européenne Huygens a continué sa route vers Titan et s'est posée avec succès sur le satellite le 14 janvier 2005 d'où elle a transmis des photos et des analyses du sol. En juillet 2006, on put affirmer, grâce à Cassini que les apparences hydrauliques ("rivières", "mers", "nuages", "pluies") sont constituées de méthane liquide !

Huygens définit les notions de force centrifuge et de moment d'inertie, énonce les lois du pendule qui seront utilisées dans la construction des horloges. Il sera l'inventeur du ressort spirale permettant la construction des montres et l'auteur de la première théorie sur les chocs élastiques (1660).

Les premiers résultats d'une nouvelle branche des mathématiques : la théorie des probabilités

Huygens contribua avec Pascal au développement du calcul des probabilités. Son traité De ratiociniis in ludo aleae que l'on peut traduire par "Raisonnement sur les jeux de dés" (1657) constitue le premier important traité sur le calcul des probabilités. Il y précise notamment les notions fondamentales que sont :

L'espérance mathématique :   

Il s'agit de la moyenne pondérée des valeurs d'une série X de données x1, x2, x3, ..., xn aléatoires ou non :

Barycentre d'un système de points pondérés :

En termes probabilistes ni/Sni correspond à la probabilité d'apparition de la valeur xi. et, en termes de variable aléatoire X prenant n valeurs xi avec la probabilité pi : Prob(X = xi) = pi, son espérance mathématique est :


a) Justifier que si une série X = (xi) est constante : xi = k pour tout i, alors E(X) = k.
b) Vérifier que l'espérance mathématique est une forme linéaire : E(X + Y) = E(X) + E(Y), E(kX) = k.E(X)
 

Pascal et espérance de gain :

La variance et l'écart-type :   

 Il s'agit de la moyenne des carrés des écarts par rapport à la moyenne m des données. En termes de variable aléatoire :

On utilise les carrés des écarts et non les écarts eux-mêmes afin d'éviter une correction fallacieuse entre des écarts positifs et négatifs. D'où la notion d'écart-type, qui sera formalisée ultérieurement par Pearson sous le nom de standard deviation, généralement noté s, racine carrée de la variance :

Les paramètres variance et écart-type d'une série sont fondamentaux car ils permettent de corriger les effets d'une dispersion autour de la moyenne pouvant faire croire à une faible dispersion des valeurs. On peut voir le lien entre ces définitions et la physique : E(X) correspond au centre de gravité de points pondérés et E(X2) n'est autre que le moment d'inertie (par rapport à l'origine), justement défini par Huygens.

V(X) apparaît en tant que le moment d'inertie des mêmes masses par rapport à leur centre de gravité :

Formule de Huygens :

Également dite de Koenig (König), cette formule s'écrit :

V(X) = E(X2) - [E(X)] 2

Preuve : Posons m = E(X). Les propriétés de linéarité de l'espérance mathématique permettent d'écrire V(X) = E(X - m)2 = E(X2) - E(2mX) + E(m2) = E(X2) - 2mE(X) + m2 =  E(X2) - 2m2 + m2 =  E(X2) - m2.

En termes de série statistique la formule :

Ou bien encore, en termes de probabilités, pi désignant la probabilité que X prenne la valeur xi :

On voit alors que cette formule dérive d'un théorème de mécanique (dit, lui aussi "de Huygens" ou de "Koenig" ) selon lequel le moment d'inertie, par rapport à un point origine O, d'un système S pondéré (xi, ni) de masse totale N est égal au moment d'inertie par rapport au centre de gravité G de S, augmenté du moment d'inertie par rapport à O d'une masse appliquée en G et égale à celle de S. Dans le cas probabiliste, N = 1 (somme des probabilités).

Cas d'une loi continue :   Pearson

 
Un cas très simple : on a relevé les notes, sur 20, d'un groupe de 10 élèves : 8, 10, 11, 13, 7, 9, 13, 15, 19, 5.
La moyenne est m = 11 laissant penser que le groupe a un niveau acceptable.

notes
écarts à la moyenne
carrés des écarts
8
-3
9
10
-1
1
11
0
0
13
2
4
7
-4
16
9
-2
4
13
2
4
15
4
16
19
8
64
5
-6
36

La variance, moyenne des carrés des écarts est de 15,4 et l'écart-type, sa racine carrée, est s = 3,92... @ 4. L'écart-type est assez grand : le groupe n'est pas homogène. Ainsi, on peut considérer que l'éventail significatif des notes est l'intervalle [m - s, m + s] = [7;15]. Les autres notes sont marginales (élèves faibles ou brillants...).

 
Étude d'un tableau statistique #1
 

Médiane statistique :

La médiane d'une série statistique triée correspondant à la valeur M du caractère étudié tel que 50% des observations lui soit supérieur, elle apparut chez Rujer-Josip Bochkovitch au milieu du 18è siècle.

Si x1 ≤ x2 ≤ ... ≤ xn sont les valeurs observées classées : il y a autant de xi ≤ M que de xi ≥ M

Rujer-Josip Bochkovitch (1711-1787), ou encore Ruggero-Giuseppe Boscovich, mathématicien et astronome dalmate (Croatie). Il fonda l'Observatoire de Milan où il diffusa les théories newtoniennes (mécanique héliocentrique, théorie de la gravitation). Il sera chargé par le pape Benoît XIV de mesurer l'ellipticité de la Terre. Afin de corriger les erreurs d'observations, cet astronome utilisera une méthode d'ajustement annonçant la célèbre méthode des moindres carrés.

Il ne faut pas s'arracher les cheveux avec la parité de n et l'existence ou non de classes. S'il y a N valeurs connues du caractère étudié triées par ordre croissant :

  N impair : avec m = (N+1)/2, la médiane est xm . Par exemple, pour 7 valeurs, x4 est la valeur médiane :

x1 - x2 - x3 - x4 - x5 - x6 - x7.

  N pair : avec m = N/2, la médiane est la moyenne (xm + xm+1)/2. Par exemple, pour 8 valeurs, x4 est la valeur médiane :

  En cas de série connue par classes et effectifs des classes, la colonne des effectifs cumulés permettra de déterminer rapidement la médiane :

 
tableau statistique #1 ,  tableau statistique #2 et calcul d'une médiane par méthode graphique

 Pour en savoir plus :

La théorie des enveloppes, des développées et des développantes de courbes :

Étudiant la courbure des courbes liée aux problèmes d'élasticité, Huygens développe... des notions nouvelles :

Enveloppe d'une famille de droites :            Enveloppe d'une famille de cercles :

Rappelons que la normale en un point Mo(xo, yo) d'une courbe est la perpendiculaire à la tangente en ce point (lorsque cette dernière existe) :

  Tangente & normale à une courbe (généralités)

A droite, la développée d'une l'ellipse, en tant qu'enveloppe de ses normales. On démontre que c'est l'image d'un astroïde par une affinité orthogonale : affine d'astroïde. C'est aussi une courbe de Lamé.

Concernant la première affirmation, il suffit de rechercher l'équation générale des normales à une ellipse d'équation x2/a2 + y2/b2 = 1 et d'utiliser la méthode générale de la recherche d'une enveloppe de droites. Lorsque a > b, comme dans le cas présent, l'équation pourra se mettre sous la forme : x = (c2/a)cos3t , y = (c2/b)sin3t , avec c2 = a2 - b2.

Développée (cas général) et cas de l'ellipse :
 

 Caustique , enveloppe & astroïde , pendule de Huygens

 De par sa définition, la développée d'une courbe est aussi l'ensemble de ses centres de courbure. Notons ici que la développée du cercle est réduite à son centre. Huygens constata que la développée d'une cycloïde est une cycloïde isométrique.

Développante d'une courbe (cas général) :

Ces travaux le mènent ainsi à reconnaître (1691), avec Leibniz et les frères Jean et Jacques Bernoulli, suite à un défi de ce dernier, la véritable nature d'une courbe observée depuis des millénaires et étudiée sans succès par Galilée, qui la tenait pour parabole, à savoir la chaînette (le terme catenary fut utilisé par Huygens) dont la développée de la tractrice. La chaînette n'est autre qu'un cosinus hyperbolique subissant une affinité et une homothétie : y = a.cosh(x/a).

Développante de chaînette :           Développante de cercle :

Applications : 

Les développantes de cercle trouvent une utilité importante dans la fabrication des engrenages : leurs dents épousent cette forme pour assurer des contacts tangentiels minimisant les frictions.
 

Pour en savoir plus, on pourra consulter les œuvres complètes de Huygens :

Cassini  Barrow
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