La théorie des géodésiques d'une surface se situe à l'intersection de plusieurs domaines : la géométrie différentielle, le calcul des variations, la théorie des équations différentielles et la mécanique. Au début du xixe siècle, la théorie locale des géodésiques est un exemple bien connu d'application des méthodes infinitésimales à la géométrie. Cependant, l'équation des géodésiques est trop difficile pour être résolue et les méthodes directes ne donnent que peu d'informations sur le comportement global des géodésiques d'une surface donnée.Avec Jacobi, Sturm et Liouville, l'apparition d'un point de vue qualitatif dans l'étude des solutions d'une équation différentielle permet une analyse globale et qualitative du comportement des géodésiques d'une surface, en particulier grâce à l'étude du lieu conjugué et du lieu de coupure ainsi que par la considération de l'influence de conditions topologiques ou géométriques globales comme le signe de la courbure.
The theory of geodesics on a surface is a subject standing at the intersection of various fields : differential geometry, the calculus of variations, the theory of differential equations, and mechanics. At the outset of the 19th century, the local theory of geodesics was well known as an instance of the application of the methods of the infinitesimal calculus to geometry. The equations for geodesics, however, were generally unamenable to easy resolution; and direct methods of treatment yielded but little of interest, as regards the global behaviour of geodesics on a given surface.With the work of Jacobi, Sturm, and Liouville, the emergence of a qualitative approach in the study of the resolution of differential equations allowed for a global, and qualitative, treatment of geodesics on a surface - most conspicuously through the study of the conjugate locus, and of the cut locus, and by the examination of the incidence of such global topological or geometrical conditions as the sign, positive or negative, of the curvature.
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Nabonnand, Philippe. Contribution à l'histoire de la théorie des géodésiques au XIXe siècle. Revue d'histoire des mathématiques, Tome 1 (1995) no. 2, pp. 159-200. http://www.numdam.org/item/RHM_1995__1_2_159_0/
[1] Revue bibliographique de “Allgemeine Theorie der geodaetischen Dreiecke” de Christoffel, Bulletin des sciences mathématiques et astronomiques, 1 (1870), p. 169-171.
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[1985][3] Revue bibliographique de “Vorlesungen über Dynamik” de Jacobi, Bull. sci. math., 5 (1873), p. 145-157.
[1873][4] Bestimmung der Axen des elliptischen Rotationssphäroids, welches den vorhandenen Messungen von Meridianbögen der Erde am meisten entspricht, Astronomische Nachrichten, 14 (1838) ; Abhandlungen 3, Leipzig, 1875, p. 41-47.
[1838][5] Dynamical systems, New York : American Mathematical Society (Colloquium Publications, vol. 9), 1927. | JFM | MR
[1927][6] Mémoire sur la théorie générale des surfaces, Journal de l'École polytechnique, tome XIX, 32e cahier (1848), p. 1-146.
[1848][7] Sur quelques propriétés des lignes géodésiques, Comptes rendus hebdomadaire des séances de l'Académie des sciences, 40 (1855), p. 1311-1313.
[1855a][8] Deuxième note sur les lignes géodésiques, Ibid., 41 (1855), p. 32-35.
[1855b][9] Ueber Enveloppen geodätischer Linien, Mathematische Annalen, 14 (1879), p. 557-566. | JFM
[1879][10] Geodätische Linien und ihre Enveloppen auf dreiaxigen Flächen zweiten Grades, Ibid., 20 (1882), p. 557-586. | JFM
[1882][11] Variationsrechnung und partielle Differentialgleichungen erster Ordnung, Berlin-Leipzig : Teubner, 1935. | JFM
[1935][12] Hadamard et les géodésiques des surfaces à courbure négative, dans Chaos et déterminisme, Paris : Seuil, 1992, p. 306-330.
[1992][13] Les idées nouvelles de Poincaré, dans Chaos et déterminisme, Paris : Seuil, 1992, p. 274-305.
et [1992][14] Sur les lignes géodésiques et les lignes de courbure des surfaces du second degré, Journal de mathématiques pures et appliquées, 11 (1846), p. 5-20. | JFM | Numdam
[1846a][15] Nouvelles démonstrations des deux équations relatives aux tangentes communes à deux surfaces du second degré homofocales - Et propriétés des lignes géodésiques et des lignes de courbure de ces surfaces, Ibid., 11 (1846), p. 105-119.
[1846b][16] Allgemeine Theorie der geodätischen Dreiecke, Abhandlungen der königlichen Akademie der Wissenschaften zu Berlin, (1868), p. 119-176 ; Gesammelte mathematische Abhandlungen 1, Leipzig-Berlin, 1910, p. 297-346. | JFM
[1868][17] Leçons sur la théorie générale des surfaces, 4 tomes, 1re éd., Paris : Gauthier-Villars, 1887-1896 ; 2e éd. des tomes 1 et 2, 1914-1915 ; cité d'après la rééd., New York : Chelsea, 1972.
[Leçons][18] Développements de géométrie, Paris, 1813.
[1813][19] Opera omnia, série I : Opera mathematica, 29 vol., 1911-1956. | JFM
[Opera I][20] Opera omnia, série II : Opera mechanica et astronomica, 31 vol. prévus, (1912- ). | JFM
[Opera II][21] De linea brevissima in superficie quacunque duo quaelibet puncta iungente, Commentarii Academiae scientiarum imperialis Petropolitanae, 3 (1728), 1732, p. 110-124 ; Opera (I) 25, p. 1-12.
[1732][22] Mechanica sive motus scientia analytice, t. 2, St-Pétersbourg, 1736 ; Opera (II) 2.
[1736][23] Calculus of variations, dans Companion Encyclopedia of the History and Philosophy of the Mathematical Sciences, I. Grattan-Guinness éd., London et New York : Routledge, 1994, vol. 1, p. 342-350. | Zbl
[1994][24] Werke, 12 vol., Leipzig-Berlin, 1863-1933. | JFM
[Werke][25] Disquitiones generales circa superficies curvas, Commentationes Societatis regiae Göttingensis recentiores, 6 (1828), p. 99-146 ; Werke 4, p. 217-258. Cité d'après la trad. fr. “Recherches générales sur les surfaces courbes", par E. Roger, Grenoble, 1855 ; rééd. Blanchard 1967. Autre trad. fr. par T. Abadie, Nouvelles annales de mathématiques, 11 (1852), p. 195-252. Trad. angl. 1902, rééd. dans Astérisque, 62 (1979), p. 1-81. | Numdam | MR | Zbl
[1828][26] Ordinary differential equations, dans Companion Encyclopedia of the History and Philosophy of the Mathematical Sciences, I. Grattan-Guinness éd., London and New York : Routledge, 1994, vol. 1, p. 440-451.
[1994][27] Œuvres de Jacques Hadamard, 4 vol., Paris : Éditions du Centre national de la recherche scientifique, 1968. | MR | Zbl
[Œuvres][28] Sur les lignes géodésiques des surfaces spirales et les équations différentielles qui s'y rapportent, Procès-verbaux des séances de la Société des sciences physiques et naturelles de Bordeaux (1896), p. 55-58. | JFM
[1896][29] Sur certaines propriétés des trajectoires en dynamique, J. math. pures appl., (V) 3 (1897), p. 331-387 ; Œuvres 4, p. 1749-1805. | JFM | Numdam
[1897a][30] Sur les lignes géodésiques des surfaces à courbures opposées, C. R. Acad. sci. Paris, 124 (1897), p. 1503-1505. | JFM
[1897b][31] Sur les lignes géodésiques des surfaces à courbures opposées, P.-V. Soc. sci. phys. nat. Bordeaux (1897), p. 60-62. | JFM
[1897c][32] Sur les lignes géodésiques, Ibid. (1897), p. 115-117. | JFM
[1897d][33] Les surfaces à courbures opposées et leurs lignes géodésiques, J. math. pures appl. (V) 4 (1898), p. 27-73 ; Œuvres 2, p. 729-775. | JFM
[1898][34] Leçons sur le calcul des variations, Paris : Hermann, 1910. | JFM
[1910][35] Zur Variationsrechnung, Math. Ann., 62 (1906), p. 351-370 ; Gesammelte Abhandlungen, 3, Berlin : Springer, 1935, p. 38-55. | JFM | MR
[1906][36] Gesammelte Werke, vol. 1-7 et Suppl. (8), Berlin 1881-1891 ; rééd. New York : Chelsea, 1969.
[Werke][37] Zur Theorie der Variationsrechnung und der Differentialgleichungen, Journal für die reine und angewandte Mathematik, 17 (1837), p. 68-82 ; Werke 4, p. 37-55. Cité d'après la trad. fr. “Sur le Calcul des variations et sur la théorie des équations différentielles", J. math. pures appl., 3 (1838), p. 44-57. | Zbl
[1837][38] Note von der geodätischen Linie auf einem Ellipsoid und den verschiedenen Anwendungen einer merkwürdigen analytischen Substitution, J. reine angew. Math., 19 (1839), p. 309-313 ; Werke 2, p. 59-63. Cité d'après la trad. fr. “De la ligne géodésique sur un ellipsoïde", J. math. pures appl., 6 (1841), p. 267-272. | Zbl
[1839][39] Vorlesungen über Dynamik, 1re éd. [posthume], Berlin, 1866 ; Werke 8. | JFM
[1843][40] Observationes de lineis brevissimis et curvis curvaturae in superficiebus secundi gradus, J. reine angew. Math., 26 (1843), p. 155-171. | Zbl
[1843][41] Traité de mécanique céleste, t. 2, Paris, 1799 ; Œuvres complètes, t. 2, Paris : Gauthier-Villars, 1878.
[1799][42] De la ligne géodésique sur un ellipsoïde quelconque, J. math. pures appl., 9 (1844), p. 401-408.
[1844][43] Démonstration géométrique relative à l'équation des lignes géodésiques sur les surfaces du second degré, Ibid., 11 (1846), p. 21-24.
[1846a][44] Sur quelques cas particuliers où les équations du mouvement d'un point matériel peuvent s'intégrer, Ibid., 11 (1846), p. 345-380.
[1846b][45] Notes, dans G. Monge, Application de l'analyse à la géométrie, 5e éd. revue, corrigée et annotée par M. Liouville, Paris, 1850, p. 547-638.
[1850][46] Sur la théorie générale des surfaces, J. math. pures appl., 16 (1851), p. 130-132.
[1851][47] Joseph Liouville 1809-1882 : master of pure and applied mathematics, New York etc. : Springer, 1990. | MR | Zbl
[1990][48] Interactions between mechanics and differential geometry in the 19th century, Preprint Series, no 25 (1993), Matematisk Institut, Københavns Universitet. | MR
[1993][49] Ueber diejenigen Punkte auf positiv gekrümmten Flächen, welche die Eigenschaft haben, dass die von ihnen ausgehenden geodätischen Linien nie aufhören, kürzeste Linien zu sein, J. reine angew. Math., 91 (1881), p. 23-53. | JFM
[1881][50] Bemerkung über die Abwickelung krummer Linien von Flächen, J. reine angew. Math., 6 (1830), p. 159-161. | Zbl
[1830][51] The calculus of variations in the large, New York : Amer. Math. Soc. (Colloquium Publications, vol. 18), 1934. | MR | Zbl
[1934][52] Connections between differential geometry and topology (I), Duke Mathematical Journal, 1 (1935), p. 376-391. | JFM | MR | Zbl
[1935][53] Connections between differential geometry and topology (II), Ibid., 2 (1936), p. 95-102. | JFM | MR | Zbl
[1936][54] Œuvres de Henri Poincaré, 11 vol., Paris : Gauthier-Villars, 1916-1956. | Zbl
[Œuvres][55] Mémoire sur les courbes définies par une équation différentielle (1re et 2e parties), J. math. pures appl., (III) 7 (1881), p. 375-422, et 8 (1882), p. 251-296 ; Œuvres 1, p. 3-84. | JFM | Numdam
[1881][56] Les méthodes nouvelles de la mécanique céleste, 3 vol., Paris : Gauthier-Villars, 1892-1899 ; rééd. Blanchard 1987. | JFM
[Méthodes nouvelles][57] Rapport sur un mémoire de M. Hadamard intitulé : “Sur les lignes géodésiques des surfaces à courbures opposées", C. R. Acad. sci. Paris, 125 (1897), p. 589-591. | JFM
[1897][58] Sur les lignes géodésiques des surfaces convexes, Transactions of the American Mathematical Society, 6 (1905), p. 237-274 ; Œuvres 6, p. 38-84. | JFM | MR
[1905][59] Die Geschichte der Differentialgeometrie von Gauss bis Riemann (1828-1868), Archive for History of Exact Sciences, 11 (1973), p. 273-382. | MR | Zbl
[1973][60] Sur quelques propriétés des lignes géodésiques et des lignes de courbure de l'ellipsoïde, J. math. pures appl., 11 (1846), p. 1-4. | JFM | Numdam
[1846][61] Mémoire sur les équations différentielles linéaires du second ordre, J. math. pures appl., 1 (1836), p. 106-186.
[1836][62] Differential geometry, Brandeis University, 1970 ; 2e éd., Publish or Perish, 1979.
[1970][63] Treatise on natural philosophy, 1re éd. Oxford, 1867 ; 2e éd. Cambridge, 1879-1883. Trad. all., Handbuch der theorischen Physik, par Helmholtz et Wetheim, Braunschweig, 1874. | JFM
et [1867][64] Über die geodätischen Linien auf dem dreiaxigen Ellipsoid, Monatsberichte der königlich preussischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin, séance du 31 octobre 1861 (1862), p. 986-997 ; Mathematische Werke 1, Berlin, 1894, p. 257-266.
[1861]