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Courbes et fractales · 4 affiches · formule n° 35

La courbe papillon

La courbe papillon est une courbe plane dont le tracé évoque un papillon aux ailes déployées. Publiée par Temple H. Fay en 1989, elle se referme exactement quand le paramètre t parcourt l'intervalle de 0 à 12π.

Voir les 4 affiches 1 contrôles par le calcul

Pour 0≤t≤12π0 \leq t \leq 12\pi : une courbe publiée par Temple H. Fay en 1989. Dessin : la courbe entière, colorée au fil de tt.

Quatre styles

Les affiches

La même formule, le même dessin calculé, en Papier, Nuit, Bauhaus ou Tableau noir. En affiche, toile, plexiglas ou aluminium.

Ce que disent les équations

La courbe papillon est une courbe paramétrée : à chaque valeur d'un nombre tt, le paramètre, les équations associent un point (x,y)(x, y) du plan. En faisant varier tt de 00 à 12π12\pi, le point se déplace et trace la courbe.

x=sin⁡t(ecos⁡t−2cos⁡4t−sin5⁡t12)y=cos⁡t(ecos⁡t−2cos⁡4t−sin5⁡t12)\begin{aligned} x &= \sin t \left(e^{\cos t} - 2\cos 4t - \sin^5 \tfrac{t}{12}\right) \\ y &= \cos t \left(e^{\cos t} - 2\cos 4t - \sin^5 \tfrac{t}{12}\right) \end{aligned}
  • tt : le paramètre, un nombre réel compris entre 00 et 12π12\pi ; les angles sont en radians.
  • (x,y)(x, y) : les coordonnées du point dans un repère orthonormé.
  • (sin⁡t,cos⁡t)(\sin t, \cos t) : une direction qui tourne autour de l'origine, un tour complet chaque fois que tt augmente de 2π2\pi.
  • Le facteur entre parenthèses, que l'on peut noter R(t)R(t), donne la distance du point à l'origine, avec un signe : quand R(t)R(t) est négatif, le point est placé dans la direction opposée.
  • ecos⁡te^{\cos t} : l'exponentielle de cos⁡t\cos t. Elle varie entre 1e\tfrac{1}{e} (environ 0,36780{,}3678) et ee (environ 2,71822{,}7182), ce qui rend la courbe plus grande vers le haut que vers le bas.
  • −2cos⁡4t-2\cos 4t : un terme qui oscille quatre fois par tour ; il creuse les lobes des ailes.
  • −sin5⁡t12-\sin^5 \tfrac{t}{12} : la puissance cinquième de sin⁡t12\sin\tfrac{t}{12}. Ce terme varie très lentement et reste compris entre 00 et 11 sur l'intervalle. Il déforme légèrement chacun des six tours, ce qui donne au dessin ses ailes aux contours multiples.

En coordonnées polaires, la même courbe s'écrit r=esin⁡θ−2cos⁡4θ+sin5⁡2θ−π24r = e^{\sin\theta} - 2\cos 4\theta + \sin^5\tfrac{2\theta - \pi}{24}, avec θ=π2−t\theta = \tfrac{\pi}{2} - t. Certaines présentations changent le signe du dernier terme dans les équations paramétrées ; on obtient alors une courbe voisine, mais différente.

Un exemple

Calculons quelques points.

  • Pour t=0t = 0 : sin⁡0=0\sin 0 = 0 et cos⁡0=1\cos 0 = 1, donc R(0)=e−2−0R(0) = e - 2 - 0, environ 0,71820{,}7182. Le point est (0;0,7182)(0 \; ; 0{,}7182) environ.
  • Pour t=π2t = \tfrac{\pi}{2} : sin⁡t=1\sin t = 1, cos⁡t=0\cos t = 0 et cos⁡2π=1\cos 2\pi = 1, donc R=1−2−sin5⁡π24R = 1 - 2 - \sin^5\tfrac{\pi}{24}. Le dernier terme est minuscule (environ 0,00003780{,}0000378), et RR vaut environ −1,00003-1{,}00003. Le point est donc (−1,00003;0)(-1{,}00003 \; ; 0) environ : RR étant négatif, il est à gauche de l'origine.
  • Pour t=πt = \pi : sin⁡t=0\sin t = 0 et cos⁡t=−1\cos t = -1, donc R=1e−2−sin5⁡π12R = \tfrac{1}{e} - 2 - \sin^5\tfrac{\pi}{12}, environ −1,6332-1{,}6332. Le point est (0;1,6332)(0 \; ; 1{,}6332) environ.
  • Pour t=12πt = 12\pi : sin⁡12π=0\sin 12\pi = 0, cos⁡12π=1\cos 12\pi = 1 et sin⁡π=0\sin\pi = 0. On retrouve R=e−2R = e - 2 et le point de départ.

Sur l'intervalle entier, un calcul numérique montre que la courbe s'étend horizontalement d'environ −2,906-2{,}906 à 2,9062{,}906, et verticalement d'environ −1,807-1{,}807 à 3,1293{,}129.

Pourquoi elle se referme en 12π

La courbe papillon n'est pas un théorème : c'est une courbe construite pour sa beauté. On peut cependant justifier ses deux traits principaux, la fermeture et la symétrie.

La fermeture. Les fonctions sin⁡t\sin t, cos⁡t\cos t, ecos⁡te^{\cos t} et cos⁡4t\cos 4t reprennent les mêmes valeurs chaque fois que tt augmente de 2π2\pi. Le dernier terme, lui, change lentement : sin⁡t12\sin\tfrac{t}{12} ne revient à sa valeur de départ, 00, qu'en t=12πt = 12\pi. C'est pourquoi le point ne revient pas à son départ après chaque tour : en t=2π,4π,6π,8π,10πt = 2\pi, 4\pi, 6\pi, 8\pi, 10\pi, il passe sur l'axe vertical à des hauteurs d'environ 0,6870{,}687, 0,2310{,}231, −0,281-0{,}281, 0,2310{,}231 et 0,6870{,}687. En t=12πt = 12\pi, toutes les fonctions reprennent leur valeur initiale et la courbe se referme. Comme la dérivée de sin5⁡t12\sin^5\tfrac{t}{12}, égale à 512sin4⁡t12cos⁡t12\tfrac{5}{12}\sin^4\tfrac{t}{12}\cos\tfrac{t}{12}, est nulle en 00 et en 12π12\pi, la courbe se referme sans former d'angle.

La symétrie. Remplaçons tt par 12π−t12\pi - t. On a sin⁡(12π−t)=−sin⁡t\sin(12\pi - t) = -\sin t, tandis que cos⁡t\cos t, cos⁡4t\cos 4t et sin⁡t12\sin\tfrac{t}{12} ne changent pas (car sin⁡(π−t12)=sin⁡t12\sin\left(\pi - \tfrac{t}{12}\right) = \sin\tfrac{t}{12}). Le point (x,y)(x, y) devient donc (−x,y)(-x, y) : la courbe est exactement symétrique par rapport à l'axe vertical, comme les deux ailes d'un papillon.

Le rôle du dernier terme. Sans le terme sin5⁡t12\sin^5\tfrac{t}{12}, la parenthèse se réduirait à ecos⁡t−2cos⁡4te^{\cos t} - 2\cos 4t, qui reprend les mêmes valeurs tous les 2π2\pi : la courbe se refermerait dès t=2πt = 2\pi et l'on obtiendrait un papillon plus simple, tracé une seule fois, déjà symétrique par rapport à l'axe vertical. Le petit terme ajouté décale légèrement chacun des six passages, qui ne se superposent plus : c'est ce qui donne aux ailes leurs contours multiples.

Si l'on prolongeait tt au-delà de 12π12\pi, le dernier terme changerait de signe et le point tracerait un second papillon, légèrement différent du premier, au lieu de repasser sur le même trait.

Un peu d'histoire

La courbe a été publiée par Temple H. Fay, de l'University of Southern Mississippi, dans une courte note intitulée The Butterfly Curve, parue dans l'American Mathematical Monthly (volume 96, numéro 5, mai 1989, pages 442 et 443). On la rencontre souvent comme exemple pour s'exercer au tracé des courbes paramétrées et polaires, avec une calculatrice graphique ou un logiciel de géométrie.

Les ouvrages de langue anglaise la qualifient parfois de « transcendante », pour la distinguer d'une autre courbe papillon, algébrique celle-là, d'équation polynomiale. Elle n'a aucun rapport avec l'« effet papillon » de la théorie du chaos, qui désigne la sensibilité aux conditions initiales.

Ce que montre l'affiche

Le dessin est calculé par un programme écrit pour l'atelier, à partir des équations elles-mêmes. Le programme trace la courbe entière, de t=0t = 0 à t=12πt = 12\pi, en 36 tronçons successifs. La couleur de chaque tronçon glisse d'une teinte à l'autre puis revient au fil de tt, ce qui permet de suivre les six passages superposés qui forment les ailes. L'affiche existe en quatre styles : Papier, Nuit, Bauhaus et Tableau noir.

Pour aller plus loin

Vérifiée par le calcul

Les contrôles de cette formule

Avant d'imprimer l'affiche, un programme met la formule à l'épreuve. Voici ce qu'il a calculé (dernier passage le 11 octobre 2026) ; si un seul de ces contrôles échouait, l'affiche ne serait pas produite. Notre méthode

  • la courbe se referme en t = 12π

Sources

Questions fréquentes

Quelle est l'équation de la courbe papillon ?

Sous forme paramétrée : x=sin⁡t(ecos⁡t−2cos⁡4t−sin5⁡t12)x = \sin t\,(e^{\cos t} - 2\cos 4t - \sin^5\tfrac{t}{12}) et y=cos⁡t(ecos⁡t−2cos⁡4t−sin5⁡t12)y = \cos t\,(e^{\cos t} - 2\cos 4t - \sin^5\tfrac{t}{12}), pour tt allant de 00 à 12π12\pi.

Qui a découvert la courbe papillon ?

Elle a été publiée par Temple H. Fay, de l'University of Southern Mississippi, dans l'American Mathematical Monthly en 1989.

Pourquoi faire varier t de 0 à 12π ?

Parce que le terme sin5⁡t12\sin^5\tfrac{t}{12} ne revient à sa valeur de départ qu'en t=12πt = 12\pi. Sur cet intervalle, la courbe fait six tours et se referme exactement, en restant symétrique par rapport à l'axe vertical.

Comment tracer la courbe papillon avec GeoGebra ou une calculatrice ?

Passez en mode paramétrique et en radians, entrez les deux équations ci-dessus et faites varier tt de 00 à 12π12\pi (environ 37,6937{,}69). Dans GeoGebra, la commande Courbe permet de saisir x(t)x(t), y(t)y(t) et l'intervalle.

La courbe papillon a-t-elle un rapport avec l'effet papillon ?

Non. L'effet papillon désigne la sensibilité aux conditions initiales en théorie du chaos ; la courbe papillon doit seulement son nom à sa forme.