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Courbes et fractales · 4 affiches · formule n° 34

La lemniscate de Bernoulli

La lemniscate de Bernoulli est un huit couché formé des points dont le produit des distances à deux points fixes vaut a²/2. Son équation est simple, mais sa longueur fait apparaître une constante nouvelle, la constante de la lemniscate.

Voir les 4 affiches 2 contrôles par le calcul

Le huit couché de Jacques Bernoulli (1694) : les points dont le produit des distances à deux foyers vaut a2/2a^2/2. Dessin : la lemniscate parmi les ovales de Cassini voisins.

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 dit la formule

(x2+y2)2=a2(x2−y2)(x^2 + y^2)^2 = a^2\,(x^2 - y^2)
  • xx et yy : les coordonnées d'un point du plan, dans un repère orthonormé.
  • aa : une longueur strictement positive. La courbe s'étend de −a-a à aa sur l'axe horizontal : aa est sa demi-largeur.
  • x2+y2x^2 + y^2 : le carré de la distance du point à l'origine OO.

Les points qui vérifient cette équation forment un huit couché, symétrique par rapport aux deux axes, qui se croise lui-même à l'origine. La courbe a une définition géométrique élégante. Notons FF et F′F' les points (a2,0)\left(\tfrac{a}{\sqrt{2}}, 0\right) et (−a2,0)\left(-\tfrac{a}{\sqrt{2}}, 0\right), appelés foyers. La lemniscate est exactement l'ensemble des points MM tels que

MF×MF′=a22,MF \times MF' = \frac{a^2}{2},

c'est-à-dire tels que le produit des distances aux deux foyers soit égal au carré de la demi-distance entre les foyers. Pour une ellipse, c'est la somme des distances qui est constante ; ici, c'est le produit.

En coordonnées polaires (distance rr à l'origine, angle θ\theta), l'équation devient r2=a2cos⁡2θr^2 = a^2\cos 2\theta, qui n'a de solution que lorsque cos⁡2θ≥0\cos 2\theta \geq 0. La courbe passe donc par l'origine dans les directions θ=±π4\theta = \pm\tfrac{\pi}{4} : elle s'y croise elle-même à angle droit, avec pour tangentes les droites y=xy = x et y=−xy = -x. On peut aussi la parcourir d'un seul trait avec le paramétrage x=acos⁡t1+sin2⁡tx = \tfrac{a\cos t}{1 + \sin^2 t}, y=asin⁡tcos⁡t1+sin2⁡ty = \tfrac{a\sin t\cos t}{1 + \sin^2 t}, pour tt allant de 00 à 2π2\pi ; c'est celui qu'utilise le programme de l'affiche. Chaque boucle a une aire de a22\tfrac{a^2}{2}, donc la lemniscate entière enferme une aire de a2a^2. Sa longueur totale vaut 2ϖa2\varpi a, environ 5,2441a5{,}2441\,a, où ϖ\varpi est la constante de la lemniscate :

ϖ=2∫01dt1−t4≈2,622057554292119.\varpi = 2\int_0^1 \frac{dt}{\sqrt{1 - t^4}} \approx 2{,}622057554292119 .

Un exemple

Prenons a=1a = 1 et cherchons le point de la boucle de droite dans la direction θ=π6\theta = \tfrac{\pi}{6} (30°). On a r2=cos⁡π3=12r^2 = \cos\tfrac{\pi}{3} = \tfrac{1}{2}, donc r=22r = \tfrac{\sqrt{2}}{2}, environ 0,70710{,}7071. Le point a pour coordonnées x=rcos⁡π6=64x = r\cos\tfrac{\pi}{6} = \tfrac{\sqrt{6}}{4}, environ 0,61230{,}6123, et y=rsin⁡π6=24y = r\sin\tfrac{\pi}{6} = \tfrac{\sqrt{2}}{4}, environ 0,35350{,}3535.

Vérifions l'équation :

  • x2+y2=616+216=12x^2 + y^2 = \tfrac{6}{16} + \tfrac{2}{16} = \tfrac{1}{2}, donc (x2+y2)2=14(x^2 + y^2)^2 = \tfrac{1}{4} ;
  • x2−y2=616−216=14x^2 - y^2 = \tfrac{6}{16} - \tfrac{2}{16} = \tfrac{1}{4}.

Les deux membres sont égaux. Vérifions aussi la propriété des foyers, situés en (±22,0)\left(\pm\tfrac{\sqrt{2}}{2}, 0\right). Le calcul donne MF=3−12MF = \tfrac{\sqrt{3} - 1}{2}, environ 0,36600{,}3660, et MF′=3+12MF' = \tfrac{\sqrt{3} + 1}{2}, environ 1,36601{,}3660. Leur produit vaut 3−14=12\tfrac{3 - 1}{4} = \tfrac{1}{2}, comme annoncé.

Pourquoi c'est vrai

De la définition par les foyers à l'équation. Posons c=a2c = \tfrac{a}{\sqrt{2}}, de sorte que 2c2=a22c^2 = a^2. Pour un point M(x,y)M(x, y), on a MF2=(x−c)2+y2MF^2 = (x - c)^2 + y^2 et MF′2=(x+c)2+y2MF'^2 = (x + c)^2 + y^2. En écrivant s=x2+y2+c2s = x^2 + y^2 + c^2, ces deux carrés valent s−2cxs - 2cx et s+2cxs + 2cx, donc

MF2×MF′2=s2−4c2x2.MF^2 \times MF'^2 = s^2 - 4c^2x^2 .

La condition MF×MF′=c2MF \times MF' = c^2 équivaut à s2−4c2x2=c4s^2 - 4c^2x^2 = c^4, car les deux membres sont positifs. En développant s2=(x2+y2)2+2c2(x2+y2)+c4s^2 = (x^2 + y^2)^2 + 2c^2(x^2 + y^2) + c^4, il reste (x2+y2)2=2c2(x2−y2)(x^2 + y^2)^2 = 2c^2(x^2 - y^2), c'est-à-dire l'équation de la lemniscate. Chaque étape est une équivalence : les deux définitions décrivent la même courbe.

Les ovales de Cassini. Si l'on remplace c2c^2 par une autre constante k2k^2 dans la condition MF×MF′=k2MF \times MF' = k^2, on obtient les ovales de Cassini. Pour k<ck < c, la courbe se compose de deux ovales séparés, un autour de chaque foyer ; pour k>ck > c, d'un seul ovale. La lemniscate est le cas de transition k=ck = c, où les deux ovales se touchent en OO.

L'aire. La boucle de droite correspond aux angles θ\theta compris entre −π4-\tfrac{\pi}{4} et π4\tfrac{\pi}{4}. En coordonnées polaires, l'aire se calcule en additionnant de fines parts de tarte d'aire 12r2dθ\tfrac{1}{2}r^2\, d\theta :

12∫−π/4π/4a2cos⁡2θdθ=a22[sin⁡2θ2]−π/4π/4=a22.\frac{1}{2}\int_{-\pi/4}^{\pi/4} a^2\cos 2\theta\, d\theta = \frac{a^2}{2}\left[\frac{\sin 2\theta}{2}\right]_{-\pi/4}^{\pi/4} = \frac{a^2}{2} .

Les deux boucles réunies enferment donc une aire de a2a^2, celle d'un carré de côté aa.

La longueur. En prenant rr comme paramètre sur un quart de la courbe, de OO jusqu'au point (a,0)(a, 0), un calcul à partir de r2=a2cos⁡2θr^2 = a^2\cos 2\theta montre que le petit arc vaut a2dra4−r4\tfrac{a^2\, dr}{\sqrt{a^4 - r^4}}. Avec r=atr = at, le quart de courbe mesure a∫01dt1−t4=ϖa2a\int_0^1 \tfrac{dt}{\sqrt{1 - t^4}} = \tfrac{\varpi a}{2}, et la courbe entière 2ϖa2\varpi a. Cette intégrale ne s'exprime pas avec les fonctions usuelles : c'est une intégrale elliptique.

Un peu d'histoire

Jacques Bernoulli décrit la courbe en 1694 dans un article des Acta Eruditorum. Il la nomme lemniscus, mot latin qui désigne un ruban. Il ne savait apparemment pas qu'elle était un cas particulier des ovales décrits par l'astronome Jean-Dominique Cassini en 1680.

La longueur de ses arcs a ensuite occupé plusieurs grands mathématiciens. Giulio Carlo Fagnano en étudie les propriétés (ses résultats sont publiés en 1750), puis Leonhard Euler et Carl Friedrich Gauss s'y intéressent ; ces recherches ont conduit à la théorie des fonctions elliptiques. En 1799, Gauss relie la constante de la lemniscate à la moyenne arithmético-géométrique : πϖ\tfrac{\pi}{\varpi} est la moyenne arithmético-géométrique de 11 et 2\sqrt{2}, environ 1,19811{,}1981. La constante s'écrit aussi ϖ=Γ(1/4)222π\varpi = \tfrac{\Gamma(1/4)^2}{2\sqrt{2\pi}}, où Γ\Gamma est la fonction gamma.

Le symbole de l'infini, ∞\infty, ressemble à une lemniscate, mais il est plus ancien : on attribue son introduction à John Wallis, en 1655.

Ce que montre l'affiche

Le dessin est calculé par un programme écrit pour l'atelier, à partir de la formule elle-même. Il trace, pour a=1a = 1, onze ovales de Cassini voisins, de produit k2k^2 avec kk allant de 0,50{,}5 à 0,960{,}96 : ceux pour lesquels kk est inférieur à 12\tfrac{1}{\sqrt{2}}, environ 0,70710{,}7071, se séparent en deux ovales, les autres n'en forment qu'un. Au milieu, la lemniscate est tracée en trait épais, et les deux foyers sont marqués par des points. 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

  • les points du paramétrage vérifient l’équation4.44e-16
  • produit des distances aux foyers (±a/√2, 0) = a²/24.44e-16

Sources

À lire aussi

Questions fréquentes

Quelle est l'équation de la lemniscate de Bernoulli ?

En coordonnées cartésiennes, (x2+y2)2=a2(x2−y2)(x^2 + y^2)^2 = a^2(x^2 - y^2), et en coordonnées polaires, r2=a2cos⁡2θr^2 = a^2\cos 2\theta. C'est l'ensemble des points dont le produit des distances aux foyers (±a2,0)\left(\pm\tfrac{a}{\sqrt{2}}, 0\right) vaut a22\tfrac{a^2}{2}.

Le symbole de l'infini est-il une lemniscate ?

Il en a la forme, et on l'appelle parfois ainsi, mais il est plus ancien que la courbe de Bernoulli : son introduction est attribuée à John Wallis en 1655, soit près de quarante ans avant l'article de 1694.

Quelle est la longueur d'une lemniscate ?

Elle vaut 2ϖa2\varpi a, environ 5,2441a5{,}2441\,a, où ϖ\varpi, environ 2,62202{,}6220, est la constante de la lemniscate. Ce calcul conduit à une intégrale elliptique, qui ne s'exprime pas avec les fonctions usuelles.

Quelle est l'aire d'une lemniscate ?

L'aire totale vaut exactement a2a^2, soit a22\tfrac{a^2}{2} par boucle. On l'obtient en intégrant 12r2=12a2cos⁡2θ\tfrac{1}{2}r^2 = \tfrac{1}{2}a^2\cos 2\theta entre −π4-\tfrac{\pi}{4} et π4\tfrac{\pi}{4}, puis en doublant.

Quel est le lien entre la lemniscate et les ovales de Cassini ?

Les ovales de Cassini sont les courbes où le produit des distances à deux foyers est constant. La lemniscate est l'ovale de Cassini particulier qui passe par le milieu des deux foyers, là où la courbe passe d'un ovale à deux.