Arcs paramétrés et arcs géométriques

Homo Topi
Modifié (November 2024) dans Géométrie différentielle
J'ai un petit souci avec ces deux notions. Une version courte des définitions que je connais est trouvable ici.

Dans un espace euclidien $E$, un "arc paramétré de classe $\mathcal{C}^k$" est une application $\gamma : I \longrightarrow E$ de classe $\mathcal{C}^k$ définie sur un intervalle $I$ de $\R$. Entre autres, un "arc" peut être un truc hyper irrégulier, il suffit que $k=0$ : on n'a plus que la continuité, et les fonctions continues nulle part dérivables ça existe, et elles ont des graphes très irréguliers.

Deux arcs $\gamma_1 : I \longrightarrow E$ et $\gamma_2 : J \longrightarrow E$ sont dits $\mathcal{C}^p$-équivalents s'il existe un difféomorphisme $\varphi : I \longrightarrow J$ de classe $\mathcal{C}^p$ tel que $\gamma_1 = \gamma_2 \circ \varphi$. Un "arc géométrique de classe $\mathcal{C}^p$" est une classe d'équivalence d'arcs paramétrés dans le quotient par la relation "être $\mathcal{C}^p$-équivalent".

Imaginons maintenant que je prenne justement pour $\gamma_1$ un de ces graphes d'une fonction $f$ continue nulle part dérivable : $E=\R^2$ et $\gamma_1(t) = (t,f(t))$, disons avec le paramètre $t$ dans $[0;1]$ (ou $]0;1[$... ce n'est pas très important je crois). Si maintenant je prends $\gamma_2(t) := (t/2,f(t/2))$ paramétré sur $[0;2]$, alors $\gamma_1(t) = \gamma_2(2t) = \gamma_2 \circ \varphi(t)$ avec $\varphi(t)=2t$. 

$\varphi$ est un gentil difféomorphisme de classe $\mathcal{C}^{\infty}$ si je ne m'abuse. Donc mes deux arcs $\gamma_1$ et $\gamma_2$ sont $\mathcal{C}^{\infty}$-équivalents. Est-ce que l'arc géométrique correspondant (mon graphe hyper irrégulier) est un arc de classe $\mathcal{C}^{\infty}$ pour autant ? Ça sous-entent quand même une certaine régularité, de dire ça, et pourtant, j'ai appliqué les définitions que j'ai sous la main.

Donc en fait j'ai plein de questions.

S'il existe un difféomorphisme $\varphi$ de classe $\mathcal{C}^k$ tel que $\gamma_1 = \gamma_2 \circ \varphi$, est-il unique ? Et s'il ne l'est pas : s'il existe $\theta \neq \varphi$ tel que $\gamma_1 = \gamma_2 \circ \theta$, $\theta$ est-il forcément aussi de classe $\mathcal{C}^k$ (dans le sens, PAS de classe $\mathcal{C}^l$ avec $l \neq k$) ? Parce que sinon, la définition d'un "arc géométrique de classe $\mathcal{C}^p$" telle quelle n'aurait pas de sens (à moins qu'il faut prendre pour $p$ le min de toutes les classes de régularité de difféomorphismes qui existent, ce qui n'est précisé nulle part).

Et même si le difféomorphisme (ou seulement sa classe de régularité) est unique. Si je reprends mon exemple, avec ma fonction $f$ continue et nulle part dérivable, j'ai donc deux arcs paramétrés de classe $\mathcal{C}^0$ qui seraient $\mathcal{C}^{\infty}$-équivalents. Ça ne me parait pas particulièrement cohérent. Mais dans la définition d'arcs $\mathcal{C}^p$-équivalents, il n'est pas précisé non plus que $p$ doit être majoré par les classes de régularité des arcs $\gamma_1$ et $\gamma_2$...

Il y a soit des raccourcis dans les définitions, soit je suis un peu bête. À voir. Comment est-ce que je dépatouille tout ça ? Merci de votre aide <3

Réponses

  • JLapin
    Modifié (November 2024)
    Pour moi, dans la page wikipedia, lorsqu'est définie la notion d'arcs $C^p$-équivalents, il est implicite que les arcs sont déjà de classe $C^p$.
    Sinon, difficile de définir la longueur comme c'est fait un peu plus loin.

    La définition de bibmaths d'un arc géométrique de classe $C^p$ me semble plus précise.

  • Sinon, difficile de définir la longueur comme c'est fait un peu plus loin.

    Absolument pas, justement ! C'est littéralement pour ça que je potasse ça. On peut (avec la définition de Jordan) définir la longueur de n'importe quel arc continu dans un espace métrique. La définition usuelle "simple" (intégrale de la norme de la dérivée) devrait découler de ça comme un théorème (alors que d'habitude c'est balancé comme une définition), c'est ce à quoi j'essaie d'aboutir. Je suis en plein délire sur les arcs, longeurs, aires, intégrales de Stieltjes, abscisse curviligne, intégrales curvilignes etc :)

    Effectivement dans la définition Bibmath ils rajoutent ce détail, qui mine de rien résout pas mal de choses !
  • JLapin
    Modifié (November 2024)
    Homo Topi a dit :
    Sinon, difficile de définir la longueur comme c'est fait un peu plus loin.

    Absolument pas, justement !
    Ben si... Tu m'as mis le doute mais il me semblait bien avoir vu un enchaînement de définition de ce type sur la page Wikipedia que j'ai examinée avant de te répondre.
    Je copie-colle donc pour éclaircir :
    "

    Il devient possible de définir rigoureusement la longueur d'un arc géométrique12 :

    Définition de la longueur d'un arc géométrique de classe Cp — La longueur d'un arc géométrique ayant pour représentant (I, f) est la valeur L de l'intégrale suivante, égale à un nombre positif ou à l'infini :

      displaystyle Lint _Iftmathrm d t
    "

    Je pense pour ma part que cette page wikipedia est peu rigoureuse, contrairement à ce qui y est annoncé...
  • Mais bon ça j'en fais mon affaire.

    En tout cas, si on ne définit la relation "être $\mathcal{C}^k$-équivalent" seulement sur des arcs eux-mêmes déjà de classe $\mathcal{C}^k$, ça rend les choses cohérentes. Et du coup mon exemple de deux paramétrisations différentes d'une courbe fractale donne bien un arc géométrique $\mathcal{C}^0$. Ça me rassure :)
  • JLapin
    Modifié (November 2024)
    Homo Topi a dit :
    Je lis ce que je veux lire et que j'estime suffisant pour répondre à ta question initiale.
    Tu poses une question sur la partie arc géométrique $C^p$, je te donne la réponse que j'estime la plus vraisemblable en tenant compte du contexte de cette partie et, dans cette partie, la définition donnée de la longueur laisse penser que les arcs sont $C^p$.
    Je suis évidemment informé qu'il existe une définition plus générale de la longueur, mais cette information ne m'est d'aucune utilité pour répondre à ta question et j'avoue que je ne comprends pas très bien pourquoi je me fais réprimander...
    Mais passons : l'essentiel, c'est que tu aies la réponse à ta question.
  • Je ne vois pas où je t'ai réprimandé. L'intonation ne passe pas par texte, mais à aucun moment je n'ai voulu sonner critique. Désolé si c'est l'impression que je t'ai donné !
  • Pas de soucis : j'ai mal interprété.
  • Homo Topi
    Modifié (November 2024)
    Il y a un micro-détail qui manque, justement dans le cas spécifique des arcs qui sont vraiment uniquement continus. Je veux pouvoir définir que deux arcs soient $\mathcal{C}^0$-équivalents. Soit il faut que je définisse la notion de $\mathcal{C}^k$ équivalence comme "il existe un $\mathcal{C}^m$-difféo avec $m \geqslant k$", ou bien je dois définir qu'un $\mathcal{C}^0$-"difféo" c'est juste un homéomorphisme. Dans les deux cas c'est un peu moche, à voir si c'est vraiment si utile que ça...
  • Bonjour,
    Deux arcs continus $f:I\to \mathbb R^n$ et $g:J\to \mathbb R^n$ sont $C^0$-équivalents si et seulement s'il existe un homéomorphisme $h:I\to J$ tel que $f=g\circ h$. Qu'est-ce que ça a de moche ?
    La $C^k$ équivalence entre arcs de classe $C^k$, c'est toujours avec une bijection $C^k$ d'inverse $C^k$.  ($k=0,\ldots,p,\ldots,\infty,\omega$).

  • C'est le mot "difféomorphisme" de la définition qui me posait problème. Un homéomorphisme par définition n'est pas forcément différentiable. Je suis trop rigide avec les définitions, il suffit d'adapter, mais je n'ai peut-être pas assez confiance en mes maths pour faire ça sans que quelqu'un me confirme que c'est cohérent. Effectivement "bijection" ça résout tout.
  • Il n'est pas raisonnable d'étudier des courbes paramétrées de classe $C^0$ . On peut penser aux courbes de Hilbert, courbes continues de $[0,1]$ dans $[0,1]^2$ pour s'en convaincre .
    Les courbes paramétrées servent dans plusieurs champs des mathématiques , citons 1) la géométrie, comme variétés de dimension 1 , 2) le calcul diff et l'analyse, pour différencier des objets de dimension plus grande dans une direction précise, et 3) la mécanique où elles représentent la trajectoire d'un point mobile. Pour toutes ces applicaitons, il est raisonnable d'exiger $C^1$ ou $C^1$ par morceaux à la rigueur.
  • Il est tout à fait raisonnable de considérer les chemin continus (courbes paramétrées de classe $C^0$) quand on parle de connexité par arcs, d'homotopie etc.
  • Disons qu'il est raisonnable de les étudier, mais on ne le fait pas dans le cadre de la géométrie différentielle.
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