Une surface de révolution : le tore
Exercice de TD · niveau 3 (difficile) · mathématiques (PT), chapitre 10 — Courbes et Surfaces · F. Surfaces réglées, de révolution et sections planes
Énoncé
Dans le plan , on considère le cercle de centre et de rayon , paramétré par . On note la surface engendrée par la rotation de autour de l'axe .
- À l'aide de la matrice de rotation d'axe , donner un paramétrage de par . Décrire les parallèles et les méridiennes.
- Montrer que tous les points de sont réguliers, et déterminer le plan tangent au point de paramètres .
- Établir une équation cartésienne de , et retrouver le plan tangent précédent par le gradient.
Corrigé
Ce que l'on démontre. Que paramètre , que , que le plan tangent en est le plan , et que a pour équation cartésienne .
1. Le paramétrage. La rotation d'angle autour de a pour matrice, dans la base canonique, matrice orthogonale de déterminant . En appliquant au point courant de la méridienne : Les parallèles sont les courbes : ce sont les cercles horizontaux de cote et de rayon , centrés sur l'axe. Les méridiennes sont les courbes : ce sont les copies du cercle , tournées de l'angle . Les deux familles de courbes coordonnées ont donc ici une interprétation géométrique immédiate.
2. Régularité et plan tangent. On dérive : Un calcul direct donne vecteur de norme , car donc . Cette norme ne s'annule jamais : tous les points sont réguliers.
Pour : , , , et Le plan tangent est donc , soit C'est cohérent avec l'intuition : est le point le plus éloigné de l'axe, et le plan tangent y est vertical, parallèle au plan .
3. L'équation cartésienne. Pour un point de , Comme , on en tire , c'est-à-dire . L'identité donne alors On reconnaît la forme annoncée par le cours pour une surface de révolution d'axe : une relation entre — la distance à l'axe — et la cote , et rien d'autre. En développant et en élevant une seconde fois au carré, on obtient d'ailleurs une équation polynomiale : .
Le contrôle. Posons , de classe hors de l'axe. Alors En : , donc . C'est bien un vecteur colinéaire à , et le plan tangent obtenu est , soit . Les deux voies concordent.
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