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Courbes et fractales · 4 affiches · formule n° 36

Les rosaces de Grandi

Les rosaces de Grandi sont les courbes d'équation polaire r = cos(kθ). Selon la valeur de k, elles dessinent une fleur à 3, 4, 5, 8 pétales ou davantage, et elles se referment toujours quand k est une fraction.

Voir les 4 affiches 6 contrôles par le calcul

Étudiées par Guido Grandi au XVIIIe siècle. Dessin : neuf rosaces, de k=12k = \frac{1}{2} à k=74k = \frac{7}{4} ; pour kk entier, kk pétales si kk est impair, 2k2k s’il est pair.

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

Les rosaces s'écrivent en coordonnées polaires : un point est repéré par sa distance rr à un point fixe OO (le centre) et par l'angle θ\theta de la direction O→O \to point.

r=cos⁡(kθ),k=pqr = \cos(k\,\theta), \qquad k = \frac{p}{q}
  • θ\theta : l'angle, en radians, qui augmente à partir de 00.
  • rr : la distance au centre. Elle peut être négative : par convention, le point (r,θ)(r, \theta) avec r<0r < 0 est placé à la distance |r||r| dans la direction opposée, θ+π\theta + \pi.
  • kk : un nombre strictement positif qui fixe la forme de la fleur. On l'écrit sous forme de fraction irréductible pq\tfrac{p}{q}, avec pp et qq entiers strictement positifs sans diviseur commun.
  • On peut multiplier par une longueur aa pour changer la taille, r=acos⁡(kθ)r = a\cos(k\theta), sans changer la forme.

Le nombre de pétales dépend de kk :

  • kk entier impair : la rosace a kk pétales, et elle est entièrement tracée quand θ\theta va de 00 à π\pi ;
  • kk entier pair : la rosace a 2k2k pétales, et il faut faire varier θ\theta de 00 à 2π2\pi ;
  • k=pqk = \tfrac{p}{q} fractionnaire : la courbe se referme toujours. Elle est complète quand θ\theta a parcouru qπq\pi si pp et qq sont tous deux impairs, et 2qπ2q\pi sinon. Elle forme alors pp boucles dans le premier cas, 2p2p dans le second, qui peuvent se chevaucher.
  • kk irrationnel : la courbe ne se referme jamais et finit par passer aussi près que l'on veut de n'importe quel point du disque de rayon 1.

Pour kk entier, l'aire totale des pétales vaut π4\tfrac{\pi}{4} si kk est impair et π2\tfrac{\pi}{2} si kk est pair (à multiplier par a2a^2 si l'on a changé la taille).

Un exemple

Suivons la rosace k=3k = 3, r=cos⁡3θr = \cos 3\theta.

  • θ=0\theta = 0 : r=cos⁡0=1r = \cos 0 = 1. C'est la pointe d'un pétale, dans la direction 0°.
  • θ=π9\theta = \tfrac{\pi}{9} (20°) : r=cos⁡π3=12r = \cos\tfrac{\pi}{3} = \tfrac{1}{2}.
  • θ=π6\theta = \tfrac{\pi}{6} (30°) : r=cos⁡π2=0r = \cos\tfrac{\pi}{2} = 0. Le point est revenu au centre : le premier pétale est fini.
  • θ=π3\theta = \tfrac{\pi}{3} (60°) : r=cos⁡π=−1r = \cos\pi = -1. Comme rr est négatif, le point est placé dans la direction opposée, à 240° : c'est la pointe d'un deuxième pétale.
  • θ=2π3\theta = \tfrac{2\pi}{3} (120°) : r=cos⁡2π=1r = \cos 2\pi = 1. Pointe d'un troisième pétale, à 120°.
  • θ=π\theta = \pi : r=cos⁡3π=−1r = \cos 3\pi = -1, placé dans la direction π+π\pi + \pi, c'est-à-dire 0° : on est revenu à la première pointe.

La rosace a donc trois pétales, pointés à 0°, 120° et 240°. Son aire totale vaut π4\tfrac{\pi}{4}, environ 0,78530{,}7853, soit π12\tfrac{\pi}{12}, environ 0,26170{,}2617, par pétale.

Pourquoi c'est vrai

Le raisonnement tient en trois remarques, pour kk entier.

Un pétale entre deux zéros. r=cos⁡(kθ)r = \cos(k\theta) s'annule chaque fois que kθ=π2+mπk\theta = \tfrac{\pi}{2} + m\pi (mm entier), c'est-à-dire tous les πk\tfrac{\pi}{k}. Entre deux zéros consécutifs, rr garde le même signe : le point part du centre, s'en éloigne jusqu'à la distance 11, puis y revient. Chaque intervalle de longueur πk\tfrac{\pi}{k} dessine donc un pétale.

Si kk est impair. On a cos⁡(kθ+kπ)=−cos⁡(kθ)\cos(k\theta + k\pi) = -\cos(k\theta), car kπk\pi est un multiple impair de π\pi. Le point (r,θ+π)(r, \theta + \pi) devient donc (−r,θ+π)(-r, \theta + \pi), qui est le même point que (r,θ)(r, \theta). Après θ=π\theta = \pi, la courbe repasse sur elle-même. Sur [0,π[[0, \pi[, il y a π÷πk=k\pi \div \tfrac{\pi}{k} = k intervalles : kk pétales.

Si kk est pair. Cette fois cos⁡(kθ+kπ)=cos⁡(kθ)\cos(k\theta + k\pi) = \cos(k\theta) : le point obtenu pour θ+π\theta + \pi est le symétrique du point obtenu pour θ\theta par rapport au centre. Ce sont de nouveaux pétales, et il faut un tour complet, [0,2π[[0, 2\pi[, pour refermer la courbe. On compte 2π÷πk=2k2\pi \div \tfrac{\pi}{k} = 2k intervalles : 2k2k pétales.

Dans les deux cas, les pointes des pétales sont dans des directions toutes différentes (les multiples de 2πk\tfrac{2\pi}{k} si kk est impair, de πk\tfrac{\pi}{k} si kk est pair) : aucun pétale n'est compté deux fois.

Le même raisonnement s'étend à k=pqk = \tfrac{p}{q} : en remplaçant θ\theta par θ+qπ\theta + q\pi, rr est multiplié par (−1)p(-1)^p et la direction tourne de qπq\pi. Si pp et qq sont impairs, les deux changements de signe se compensent et la courbe se referme après qπq\pi ; sinon, il faut aller jusqu'à 2qπ2q\pi. Le nombre de boucles s'obtient en divisant cette durée par l'écart qπp\tfrac{q\pi}{p} entre deux zéros.

L'aire se calcule avec la formule des aires polaires, 12∫r2dθ\tfrac{1}{2}\int r^2\, d\theta. Comme la moyenne de cos2\cos^2 vaut 12\tfrac{1}{2}, on trouve 12×12×π=π4\tfrac{1}{2} \times \tfrac{1}{2} \times \pi = \tfrac{\pi}{4} sur [0,π][0, \pi] pour kk impair, et 12×12×2π=π2\tfrac{1}{2} \times \tfrac{1}{2} \times 2\pi = \tfrac{\pi}{2} sur [0,2π][0, 2\pi] pour kk pair.

Un peu d'histoire

Les rosaces portent le nom de Guido Grandi (1671-1742), moine camaldule et professeur de mathématiques à l'université de Pise. Selon ses biographes, il décrit ces courbes dès décembre 1713, dans une lettre à Leibniz. Il les publie une dizaine d'années plus tard dans les Philosophical Transactions de la Royal Society, puis les développe dans un livre paru en 1728, Flores geometrici. Il les appelait rhodonea, d'après le mot grec qui signifie « rose ». On dit encore parfois « rhodonées ».

Ce que montre l'affiche

Le dessin est calculé par un programme écrit pour l'atelier, à partir de la formule elle-même. Il présente neuf rosaces disposées en trois rangées de trois, pour k=12k = \tfrac{1}{2}, 22, 33, 23\tfrac{2}{3}, 55, 43\tfrac{4}{3}, 32\tfrac{3}{2}, 73\tfrac{7}{3} et 74\tfrac{7}{4}, chacune avec sa valeur de kk écrite dessous. Pour chaque rosace, le programme fait varier θ\theta sur toute la durée nécessaire pour la refermer (qπq\pi ou 2qπ2q\pi). On y compte respectivement 2, 4, 3, 4, 5, 8, 6, 7 et 14 boucles. L'affiche existe en quatre styles : Papier, Nuit, Bauhaus et Tableau noir.

Pour aller plus loin

  • La cardioïde : une autre courbe polaire, en forme de cœur.
  • La courbe papillon : une courbe polaire plus complexe, qui mêle cosinus et exponentielle.
  • La série de Fourier : les fonctions cos⁡(kθ)\cos(k\theta) y servent de briques pour construire des fonctions périodiques.

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

  • k = 2 : 4 pétalescompté : 4
  • k = 3 : 3 pétalescompté : 3
  • k = 4 : 8 pétalescompté : 8
  • k = 5 : 5 pétalescompté : 5
  • k = 6 : 12 pétalescompté : 12
  • k = 7 : 7 pétalescompté : 7

Sources

Questions fréquentes

Combien de pétales a la rosace r = cos(kθ) ?

Pour kk entier, elle a kk pétales si kk est impair et 2k2k pétales si kk est pair. Par exemple, r=cos⁡3θr = \cos 3\theta a 3 pétales et r=cos⁡2θr = \cos 2\theta en a 4.

Pourquoi une rosace a-t-elle 2k pétales quand k est pair ?

Quand kk est pair, le tracé obtenu pour θ\theta entre π\pi et 2π2\pi est le symétrique, par rapport au centre, de celui obtenu entre 00 et π\pi : il ajoute kk nouveaux pétales. Quand kk est impair, il repasse au contraire sur les pétales déjà tracés.

Que se passe-t-il si k est une fraction ?

La courbe se referme toujours. Pour k=pqk = \tfrac{p}{q} irréductible, il faut faire varier θ\theta sur qπq\pi si pp et qq sont impairs, sur 2qπ2q\pi sinon, et l'on obtient pp ou 2p2p boucles, qui peuvent se chevaucher.

Et si k est irrationnel ?

La courbe ne se referme jamais. En la prolongeant indéfiniment, elle passe aussi près que l'on veut de n'importe quel point du disque de rayon 1.

Quelle est l'aire d'une rosace ?

Pour r=acos⁡(kθ)r = a\cos(k\theta) avec kk entier, l'aire totale vaut πa24\tfrac{\pi a^2}{4} si kk est impair et πa22\tfrac{\pi a^2}{2} si kk est pair, quel que soit le nombre de pétales.