Aller au contenu

Courbes et fractales · 4 affiches · formule n° 33

La spirale logarithmique

La spirale logarithmique s'éloigne de son centre en multipliant sa distance par un même facteur à chaque tour. Elle coupe toutes les droites issues du centre sous le même angle, d'où son autre nom de spirale équiangle.

Voir les 4 affiches 1 contrôles par le calcul

La « spirale merveilleuse » de Jacques Bernoulli : elle coupe chaque rayon sous le même angle. Dessin : douze spirales de même équation (b=0,2b = 0{,}2), dans les deux sens de rotation.

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

La spirale logarithmique s'écrit en coordonnées polaires : un point est repéré par sa distance rr à un point fixe OO (le pôle, centre de la spirale) et par l'angle θ\theta de la direction O→O \to point.

r=aebθr = a\, e^{b\theta}
  • aa : un nombre strictement positif, la distance au pôle quand θ=0\theta = 0. Il règle la taille.
  • bb : un nombre réel non nul, qui règle l'ouverture de la spirale. Si b>0b > 0, la spirale s'éloigne du pôle quand θ\theta augmente ; si b<0b < 0, elle s'en rapproche. Pour b=0b = 0, on obtiendrait un simple cercle.
  • θ\theta : l'angle, en radians. Il peut prendre toutes les valeurs réelles, positives ou négatives : la spirale fait une infinité de tours.
  • ee : le nombre d'Euler, environ 2,7182{,}718, base de l'exponentielle.

Trois propriétés découlent de la formule.

  • Croissance géométrique. Quand θ\theta augmente d'un tour (2π2\pi), rr est multiplié par le même facteur e2πbe^{2\pi b}. Les tours s'écartent donc de plus en plus. C'est la grande différence avec la spirale d'Archimède, r=aθr = a\theta, dont les tours sont également espacés. Le nom s'explique par l'équation inverse, θ=1bln⁡ra\theta = \tfrac{1}{b}\ln\tfrac{r}{a} : l'angle est proportionnel au logarithme de la distance.
  • Angle constant. Pour b>0b > 0, la tangente à la spirale fait avec la droite issue du pôle un angle ψ\psi qui ne dépend pas du point : tan⁡ψ=1b\tan\psi = \tfrac{1}{b}.
  • Auto-similarité. Agrandir la spirale à partir du pôle revient à la faire tourner : multiplier toutes les distances par λ>0\lambda > 0 donne la même courbe, tournée de ln⁡λb\tfrac{\ln\lambda}{b} radians (dans le sens des aiguilles d'une montre si λ>1\lambda > 1 et b>0b > 0).

Un exemple

Prenons a=1a = 1 cm et b=0,2b = 0{,}2, la valeur utilisée sur l'affiche.

  • À chaque tour, la distance au pôle est multipliée par e2π×0,2=e0,4πe^{2\pi \times 0{,}2} = e^{0{,}4\pi}, environ 3,51353{,}5135. À chaque demi-tour, elle est multipliée par e0,2πe^{0{,}2\pi}, environ 1,87441{,}8744 : deux demi-tours redonnent bien le facteur d'un tour, car (e0,2π)2=e0,4π\left(e^{0{,}2\pi}\right)^2 = e^{0{,}4\pi}.
  • Après un tour : rr vaut environ 3,51353{,}5135 cm. Après deux tours : environ 12,34512{,}345 cm. Après trois tours : environ 43,37643{,}376 cm.
  • L'angle entre la tangente et le rayon vaut arctan⁡10,2=arctan⁡5\arctan\tfrac{1}{0{,}2} = \arctan 5, environ 78,690°78{,}690°, en tout point.

Dans l'autre sens, quand θ\theta devient très négatif, la spirale tourne une infinité de fois autour du pôle en s'en approchant. Pourtant, sa longueur reste finie : du pôle jusqu'au point θ=0\theta = 0, elle mesure 1+b2b×a=1,040,2\tfrac{\sqrt{1 + b^2}}{b} \times a = \tfrac{\sqrt{1{,}04}}{0{,}2} cm, environ 5,0995{,}099 cm.

Pourquoi c'est vrai

L'angle constant. Un point de la courbe a pour position r(θ)(cos⁡θ,sin⁡θ)r(\theta)\,(\cos\theta, \sin\theta). En dérivant par rapport à θ\theta, le vecteur tangent a deux composantes : r′(θ)r'(\theta) le long du rayon, et r(θ)r(\theta) perpendiculairement au rayon. L'angle ψ\psi entre la tangente et le rayon vérifie donc

tan⁡ψ=rr′.\tan\psi = \frac{r}{r'} .

Pour r=aebθr = a e^{b\theta}, la dérivée est r′=baebθ=brr' = b\, a e^{b\theta} = b\, r. Le quotient vaut 1b\tfrac{1}{b}, quel que soit le point. Réciproquement, si r′r\tfrac{r'}{r} est constant, rr est forcément de la forme aebθa e^{b\theta} : les spirales logarithmiques sont les seules courbes (avec les cercles et les droites issues du pôle) qui coupent tous les rayons sous un angle constant.

La longueur finie. Un petit arc mesure r2+r′2dθ=r1+b2dθ\sqrt{r^2 + r'^2}\, d\theta = r\sqrt{1 + b^2}\, d\theta. Pour b>0b > 0, on intègre de −∞-\infty jusqu'à θ\theta :

L=∫−∞θa1+b2ebtdt=1+b2br(θ).L = \int_{-\infty}^{\theta} a\sqrt{1 + b^2}\, e^{bt}\, dt = \frac{\sqrt{1 + b^2}}{b}\, r(\theta).

L'intégrale converge parce que ebte^{bt} tend très vite vers 00 quand tt tend vers −∞-\infty.

L'auto-similarité. Si l'on multiplie r=aebθr = a e^{b\theta} par λ>0\lambda > 0, on obtient λaebθ=aeb(θ+ln⁡λb)\lambda a e^{b\theta} = a e^{b(\theta + \frac{\ln\lambda}{b})} : c'est la même équation avec l'angle décalé, donc la même courbe tournée.

Un peu d'histoire

La courbe a été étudiée par René Descartes, qui l'étudie en 1638, puis par Evangelista Torricelli, qui en a calculé la longueur avant l'invention du calcul infinitésimal. Le mathématicien suisse Jacques Bernoulli (1654-1705) l'a étudiée longuement et l'a appelée spira mirabilis, la « spirale merveilleuse », fasciné par le fait qu'elle se retrouve identique à elle-même après de nombreuses transformations.

Il avait demandé qu'elle soit gravée sur sa tombe, à Bâle, avec la devise latine Eadem mutata resurgo, « changée, je renais la même ». Le graveur a pourtant tracé une spirale d'Archimède, aux tours régulièrement espacés, et non une spirale logarithmique.

On compare souvent la spirale logarithmique à des formes naturelles : coquille du nautile, bras des galaxies spirales, têtes de tournesol. Il s'agit au mieux d'approximations. Les loges du nautile suivent une spirale à peu près logarithmique, et l'angle des bras d'une galaxie varie souvent avec la distance au centre, ce qu'une vraie spirale logarithmique ne fait pas.

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 douze spirales de même équation (b=0,2b = 0{,}2), tournées les unes par rapport aux autres d'un douzième de tour, et autant de spirales symétriques qui tournent dans l'autre sens, en trait plus fin. Chacune part du bord d'un cercle de rayon 1 et s'enroule vers le centre jusqu'au rayon 0,0040{,}004, soit environ 4,394{,}39 tours. Les deux familles se croisent partout sous le même angle et forment un réseau de cases qui rapetissent vers le centre. L'affiche existe en quatre styles : Papier, Nuit, Bauhaus et Tableau noir.

Pour aller plus loin

  • Le nombre e : la base de l'exponentielle qui apparaît dans l'équation.
  • Le nombre d'or : la « spirale d'or » est la spirale logarithmique dont la distance au pôle est multipliée par φ\varphi à chaque quart de tour, c'est-à-dire b=ln⁡φπ/2b = \tfrac{\ln\varphi}{\pi/2}, environ 0,30630{,}3063.
  • La suite de Fibonacci : la spirale formée de quarts de cercle dans des carrés de Fibonacci n'est pas une spirale logarithmique, mais elle approche la spirale d'or.
  • La formule d'Euler : dans le plan complexe, la spirale s'écrit simplement z=ae(b+i)θz = a\, e^{(b + i)\theta}.

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

  • angle tangente-rayon constant = arctan(1/b) = 78.690°78.6901 ; 78.6901 ; 78.6901 ; 78.6901 ; 78.6901

Sources

Questions fréquentes

Quelle est la différence entre une spirale logarithmique et une spirale d'Archimède ?

Dans la spirale d'Archimède, r=aθr = a\theta, la distance au centre augmente de la même quantité à chaque tour : les tours sont également espacés. Dans la spirale logarithmique, r=aebθr = a e^{b\theta}, la distance est multipliée par le même facteur à chaque tour : les tours s'écartent de plus en plus.

Pourquoi parle-t-on de spirale logarithmique ?

Parce que l'angle y est proportionnel au logarithme de la distance au centre : θ=1bln⁡ra\theta = \tfrac{1}{b}\ln\tfrac{r}{a}. On l'appelle aussi spirale équiangle, car elle coupe tous les rayons sous le même angle.

La coquille du nautile est-elle une spirale logarithmique ?

Approximativement seulement. La croissance de la coquille ressemble à une spirale logarithmique, mais une forme naturelle ne suit jamais exactement une équation mathématique.

Que signifie la devise de Jacques Bernoulli, Eadem mutata resurgo ?

Elle signifie « changée, je renais la même ». Elle évoque le fait que la spirale logarithmique, agrandie ou tournée, redonne la même courbe.

Qu'est-ce que la spirale d'or ?

C'est la spirale logarithmique dont la distance au centre est multipliée par le nombre d'or, environ 1,6181{,}618, à chaque quart de tour. La spirale dessinée avec des quarts de cercle dans les carrés de Fibonacci en est une approximation.