x ^x yjxds ^xds ^xds
et toutes les autres quantités y, r, N, Q,..., égales à zéro.
Premier cas. -— Or, si le Problème est de trouver en général, entre toutes les courbes possibles, celle de la plus vite descente, on aura en ce cas les équations
n — dp=:Oy — rfP = o, — dfn^=o,
savoir
ds j dx j rf>- , dz*
-j a —= — =0, — a-= — rrro, — a -= — =0:
t-xax ^xds ^xds ^xds
ces trois équations devant représenter une courbe unique, il faut qu'elles se réduisent à deux seulement : c'est de quoi il est facile de s'assurer par
le calcul, car la seconde étant multipliée par 2 ^ et ajoutée à la troi-
^ xds
sième multipliée par 2 -=: — , il vient, à cause de ds^ = djc^ -h dy^ -^ dz^ . \x ds
savoir, en différentiant et divisant le tout par -?
^xds
ds J dx
ix^x ^xds
qui est la première équation.
Présentement, si Ton intègre les deux équations
, dy , dz
d —r\ — =0, a -^z — = o, yfxds \xds
on a
dy I dz
\xds \a ^xds
d'où l'on tire d'abord
dy ib
dz ^a
ce qui fait voir que la courbe cherchée est toute dans un même plan vertical, et que par conséquent elle est a simple courbure. Pour la mieux connaître, rapportons-la à deux coordonnées prises dans son même plan. Que X soit l'une et / l'autre, on aura
LES MAXIHA ET LES HINIMA, ETC. 341
et puisque -^ = ^^ on aura en intégrant, sans ajouter de constante, parce que je suppose que l'axe des x passe par la courbe même.
et enfin
dy )/b dt i^
yj^ds ^a -¥-6 sfx sldx^-\-dO ya
ce qui se réduit, en posant a^^» ^
dt:
sjx dx
équation d'une cycloïde décrite sur une base horizontale par un cercle, dont le diamètre est égal à c.
Maintenant, si le premier et le dernier point de la brachistochrone sont donnés, il est clair que, les coordonnées x^ j, z étant invariables pour ces points, leurs différences $a?, Jv, 5z, rfîar, diy,.., seront nulles, et par conséquent aussi tous les termes de l'équation '(];; la constante c devra donc être déterminée en sorte que la cycloïde passe par les deux points donnés.
Si le premier point est donné, et que la brachistochrone doive être telle qu'un corps partant de ce point arrive dans le moindre temps à un plan horizontal donné, alors M sera nul de lui-même, et l'équation '(^; donnera M' = o, savoir
dx ^ dr y dz ^
-z= 0X-\ = O/H-— I 0Z=Of
^xds ^xds ^xdt
Uâ Sol \ LLLi: METHoHE Fol K IiETfiftHIKEft
<ri|u«iiiM. qiii ilrwii itwur iifij M'ulfUiriii Ahu> it {toini ou \k cooriie ren- .iiiiitH tr piiih i«r (X )iliiit tMjiiii riciiiiH df }»rtsit30ii. rab^tuBe x qm } i>rf«ifiii> >ru. liimiitn «u?«?%i. \uki ('itijM*qii(*ui. itii «um ùjr=ità^^ ht TcSkt dt ' ri|iHiii*ii iir^ n t*iiT *rfti qurlfct^ qut siiH*iii f t ri fïr. ito Aoni dont
1^ tz
Ur rr
— i. - - ;^ i , -r if -, r ij
#»i«jr •- •*r»"iii»i: .i-ii" a. tu |Hlfrrr!iiiiitrniit •-> :*iU>Uillie> i -M 7. -■» ' >il l'iiiii»- ï iir^»»-* lr»»if.r>.
ii»i«ir fviuK 1»- ;* iirrfi:iii.Hoi:hp»Dt-. ii ->4 'tair «jue !e> ox. -îv. 5^ le r-»^ij;«ii»iii ». Itrspfiii jvoir ♦Miln* »-ll»f> un nipfHirt • ieprf niant -kr b
••Uni sjp|iii->4r»- ;'»'f|uaUon «lillerf niiellt- lie i-eile ^uHati?. -ai aum
■ lom , -liii^uiiianl «eite valeur «ie ^z ilan> IVqualion (^ . i»ii aura
Li , '/z tir . tiz . .
i ^ I . o.f. , . L -. . — ] or ^o;
^ C lit y^ J. 9iâ y^X tU V '■ ^*
d'où Ton tire séparément
dx-\-Tdz = o ei dy-hlJdz=:o,
équations qui font connaître que la surface proposée doit toujours être coupée à angles droits par la courbe cherchée.
Si la brachistoch'rone doit simplement être terminée par deux surfaces données de position, alors pour remplir Téquation (Cj il est nécessaire de faire séparément 'M = o et iM' = o, d'où l'on tire, pour le premier et le dernier point de la courbe, les mêmes conditions qu'on a trouvées dans le cas précédent pour le dernier point seulement; on en conclura donc que la courbe cherchée sera celle, d'entre toutes les cycloïdes possibles, qui rencontrera perpendiculairement les deux surfaces proposées.
Second cas. — Supposons maintenant que la brachistochrone doive être toute couchée sur une surface donnée, dont l'équation soit
dz ^= pdx -¥- qdy;
changeant la caractéristique ^en d, on aura donc
dz =z pdx -h qdjTy
équation qui donne le rapport qu'il doit y avoir en général entre les différences $3, oj, Hx. Substituant cette valeur de $r dans l'équation (B;, et faisant ensuite les deux coeflîcients de 5.r et de 8y chacun égal à zéro, on aura pour la courbe cherchée
. dz ds j ^^
y^xdt ^x'y.x ^xds
^xds ^x ds
Ces équations reviennent au même, étant combinées avec l'équation à
la surface dz =pdjc-\-qdy\ car, multipliant la première par 4i— et la
^xdê
seconde par y=4-» et les joignant ensemble, on trouve, après toutes les
réductions,
ji dx
On prendra donc une de ces équations à volonté, et on la combinera avec l'équation dz =pdx-\-qdx, pour avoir la brachistochrone cherchée.
A l'égard de l'équation (Cj, il est clair que tous les termes de cette équation s'évanouiront lorsqu'on supposera donnés le premier et le dernier point de la courbe; mais si l'un d'eux était arbitraire, alors ayant substitué, au lieu de ^z, sa. valeur /?5.r-f- ySy, on aurait les équations
dz dx dz dy
p 'r= 1 — ■j=^ — =zo et q -z^- 1 — =: — = o,
\xds ^xds ^xds yjxds
qu'il faudrait vérifier par rapport à ce point. Mais, si l'on avait tracé sur la surface une courbe à laquelle le mobile dût arriver dans le temps le plus court, supposant cette courbe donnée par l'équation
dy^ =1 m dx, on aurait de même
or = mox;
et, cette valeur de $y étant substituée dans l'équation 'C;, on ferait
/ dz , dy \ \ \xas yjxdsj ou bien
(p -4- qm) dz -4- dx -h m dy =^ o,
équation qui renferme les conditions nécessaires pour que la brachistochnuie rencontre a angles droits la courbe proposée.
dz dx i dz
s^xds yjxds
Remarque I. — M. Euler est le premier qui ait donné des formules
générales pour trouver les courbes dans lesquelles une fonction intégrale
donnée est la plus grande ou la plus petite {voyez l'ouvrage dont on a
fait mention plus haut, page 335); mais les formules de cet Auteur sont
moins générales que les nôtres : i^ parce qu'il ne fait varier que la seule
changeante j dans l'expression Z; 2® parce qu'il supposé que le premier
et le dernier point de la courbe sont fixes. En introduisant ces conditions
dans nos formules, ^lles deviendront entièrement conformes à celles du
Problème V du Traité cité; il faudra seulement mettre Zdx au lieu de Z,
PO et ensuite ^5 ^î -au lieu de P, Q,..., dœ étant constant.
Remarque II. — Soit supposé
dy =z A dxy d\ = B dx, . . . , dz =^ adx, d<x = Ç^dx, . . . ,
il est clair qu'en substituant ces valeurs dans l'expression Z, elle prendra cette forme \dx, où X sera une fonction quelconque algébrique des variables finies
Xy >', Zy A, B,..., a, (3,...; faisons donc
oX=:N'a:r:-4-/î'o.r-hv'ôz-hFdA -4- Q'dB -h. . . -h e'da -h x'^? -h. . .,
on aura
(5Z = à(\dx) =z d\dx -h \odx = 6\dx -h ^^ = Kdx6x -h A ^V:r
ax dx
-^n'dxèy-^v'dxoz -hl^' dxèX-hQ'dxàB -h...'hw'dxd(x-hy^ dxè^-h,.,.
Or,
dr=z kdxy d\r=Bdx^-h Ad^x, .••• f
Jm NOUVELLE MÉTHODE POLR DÉTER!fir«ER
orf^j — oBrfx' — oXd'X — iBtirodj: -•- Ao//^jr,
«m tn)iivt»r;i de même
odz ^= *iadx ^ zndjc,
substituant ces valeurs dans Texpresôioo de ^Z, de rArticI* I, et ttrdonnant les termes, on aura
oZ — /?o.r — ^^ -^ P V -^ îQBdx -^ ... — mac -^ ry^dr ■+-... odx -!-</-+- Q A — ... — y a H- ... 0 //'j:-
— mdx ^'/d-x -^ . . . oa — y </x- -i-. . . ) o3
Otte valeur de 5Z doit être identique avec celle qu*on a trouvée précédemment: comparant di>nc les termes affectes de fiilx, id'^x,.... ou aura les équations
-^ — p -r- P\ — iQB dx ^ . . ^ Tux ^ ^X^dx —
// -r- QA -^ . . . — y a -^ . . . = o.
La seconde étant differentiee et ensuite retranchée île la première. nn a
A — p ,A; . . . ^ PA ^ QEdx - S.dQ -.,. -xsx - y^^^dx — xdy -h . . . := o. dx '^ *
La même équation étant multipliée par d'x et ensuite ajoutée à celle-4M, multipliée par dx, il vient
Z =pdx'^ Pdr -h^dz -¥- qd'x — dqdx -i-i^d' y — dady -^/d' z — dxdz-i-..,.
Différentiant et efTaçafit ce qui se détruit, on aura, à cause de rfZ = ndx -h Nrfy-f vrfz -^ pd"^ x -hVd^y -^.,,,
{n — dp'hd^q'h...)dx-\-{^ — dP-hd*Q-h...)dr-^{v — dm-hd^y-h...)dz-o,
équation qui est d'elle-même identique, et qui montre par conséquent que les équations trouvées à la fin de l'Article I sont telles, que, si on en prend deux a volonté, la troisième s'ensuit toujours nécevssairement.
Problème IL — Rendre la/omiule j Z un maximum ou un minimum,
en supposant que Z est une fonction quelconque algébrique composée des changeantes X, y, z ai^ec leurs différences dx, dy, dz, d^x, d^y et de
la quantité II = / Z', Z' étant une autre fonction algébrique quelconque
des seules changeantes x, y, z,... et de leurs différences dx, dy, dz, d'^x, d\y
Solution. — Soit, en différentiant par 5,
az = Lôn H- nàx -h p^dx H- qàd'x -4- . . .-+- N(5r H- Pdrfr -h (iàd'y H- . . .
'\-vàz-\-màdz-\-X^d^z-^..,
aZ' =: n'èx -f- p'àdx ^ q'àd'x^., . -h N'âr -f- P'^rfr h- Q'drf'r -f-. . . -f- v'àz H- xs'^dz -\-'/dd^z -h. . .,
on aura, par hypothèse,
dn=:^ fz' = CèZ' = f{n'ôx-hp'ddx-hq'dd'x-h...);
è JZ r:i jèZ — jindx -i- pddx -h qèd'x -h, . .)
-h I L I (n'èx -hp'ddx-hq'àd'x-h.,.), La première partie se réduira, comme dans le Problème I, à
1 in — dp-^d^q—.,,)dX'h{p — dq-¥-,..)ix'h{q — ...) dix -4-
donc
«. U'«UAttlUfiÉilfî Cl U«l«Vr<' *
'. . . — f tpîi--' -^ </ •>*'*■
«..«•:«««• . ..«w.«.t. .. |.di i»''^ tuttr^niuoiiN uar acm:ir.«. r
comme aussi
Bj -f- «j' (h - Tl) = (w),
x + x'(h-Jl)=(x).
on liura, en général,
àfz =f[(n) - d(p) -h rfMtf) - . . .]*^ -hJ[(N)-rf(P)-hrf«(0)-...]dr'
(ï^) • ^/*[(v) -rf(E,)-f-dMx)-...]<î*
-^[(p)'-d{q) -^...]dx^[{q)^,..]ddx-^.,.
-^[(r^)-d(x)-^...]àz-^[(x)-.-.]àdz^... = o,
équation réduite à la forme de Téquation (A) du Problème précédent; donc, etc.
Corollaire. — Ce serait la même méthode qu'il faudrait suivre si la quantité Z' renfermait une autre fonction intégrale indéfinie
n'= / Z'\ en sorte que
oZ' =:L'(în' -hn'dx-\-p'6dx-\-.,.,
6Z" = n^èx -^ p"èdx -h q'^id'x -h . . . -^ ^"i^y H- V^f^dy -\- iyàd'y -^ . . . ~hy''oz -hm^odz -hy^od^z H-
Alors l'expression de 5 1 Z serait augmentée de la formule
, ^^' I ri f i. L /»^ -, r — r :#0: — r : '/ - r —
/' fl - / F, L
vf|*»»ir 1^' /> >!*• ^ iii:fntitH>
/»^l H' I H IL L'
M ^wi ^m^' fU' voïp m^intpni«nr !•* pro<***dp *\n\{ faïuirriit suivre si I» f#*rritiik Z' 'onf^nnit ^ru'ip*' un»* ^«iirrf formiil** intejjnle | Z. et ^linsi de
ycont.P.yiv. ni. Trouver l'ét/fuaiion du marimum ou du minimum de la forrntél/' j Z, /on/fu^ Z ^Mi donne, simplement par une équation diffèrenfielh' (fin ///' rrnfrrmj' d'aulren diffère. nce% de Z que la première,
S/M.r rio^. Qijfllf qijf Moit Tf^ju^tion proposée, pourvu qu'elle soit /l/'livrée <le fout Hi((ne d'intéK>^tiori, il est elair qu'en la différentiant p>tr ^ on prMjrr» frMijrMjrs \'a mettre sons la l'orme suivante :
LES MAXiMA ET LES HINIMA, ETC. 361
d'oii Ton tirera, à cause de JrfZ =ï rfJZ, la valeur de JZ exprimée par
a~J^ j eJ^'^ {nàx -hpddx-h.. .), et de là
S Cz = fe-f^ Ç ef^ [nàx -¥- pàdx ^ . . .],
En suivant les principes établis dans le Problème précédent, on supposera que G soit la valeur totale de / e'^ ^, et faisant ensuite
on trouvera pour Texpression de d / Z une formule tout à fait semblable à la formule fDj ci-dessus.
ScoLiE. — Les formules qui font l'objet des deux Problèmes précédents sont analogues à celles que M. Euler a traitées dans le Cbapitre III de son ouvrage sur cejtte matière.
Le lecteur qursera curieux de comparer nos solutions avec celles que ce savant Auteur a trouvées par une métbode diflerente verra qu'elles s'accordent dans les résultats, en ayant égard à ce qu'on a dit dans l'Article VII ci-dessus. Au reste, M. Euler n'est pas allé plus loin et n'a point examiné les cas où la formule Z dépendrait d'une équation ditférentielle d'un ordre plus élevé. Le Corollaire suivant ne laissera plus rien à désirer sur ce sujet.
(>>ROLLAiRE. — Supposons que dans Téquation- différentielle proposée il se trouve des différences de Z du second ordre, de sorte qu'en différenfiant par 5 il vienne
0 </> Z H- la rfZ -f- L oZ = nox -hpddx-*-
Je commence par mettre la caractéristique d avant la caractéristique o: ensuite, je multiplie toute l'équation par une variable indéterminée «, et
j'en prends la somme, en affectant les deux membres du signe j *. après, je transforme le premier membre
Clad'd:
$Z-^-aTrf6Z^-aL(5Z)
en
arfôZ-h(aT-^a)3Z -^- ^[aL -rfi>T - rfa)]oZ,
et supposant a tel que
aU — rf(aT-c/a)=:o, j'ai l'équation
,^„ «T — da ^r, ^ r , - > -i
dàl H 61 = - j {nox -¥- podx -^. , .)a;
d'où l'on tire aisément
r/"T' '• i (nox -h podx -h . . ,)(x,
T étant mi;s pour \ et entin
o' Çl= Ç e-^'^' I' I {ndx-¥-podx'h...)(x,
formule qui est dans le cas de celle qu'on a traitée dans l'Article X. Par des procédés semblables, on trouvera l'expression de ô / Z lorsque
LES MAXIMA ET LES MlNiMA, ETC. 353
JZ sera donnée par une équation différentielle du troisième ordre et au delà, et cette expression sera toujours susceptible de la méthode expliquée dans le Problème IL
Remarque. — L'équation de condition
aU-r/(aT-c/a)=rro
est du second ordre, et ne peut être intégrée que dans certains cas particuliers; mais notre solution n'en est pas moins générale, car, pour délivrer l'équation du maximum ou du minimum de l'inconnue âr, il ne faudra que la combiner avec la précédente par le moyen de plusieurs différentiations réitérées; il n'y aura de diiliculté que la longueur du calcul.
ScoLiE. — Il est clair que la méthode du (lorollaire précédent sudit pour déterminer les maxima et les minima de toutes les formules intégrales imaginables; car dénotant par T1 la formule proposée, il sera toujours possible d'exprimer n par une équation différentielle qui ne renferme aucun signe d'intégration; ainsi l'on aura, en différentiant par ô,
une nouvelle équation qui contiendra $n avec ses différences r/ôn
et l'on en tirera l'expression intégrah» de c?ll, et par conséquent l'équation (lu maximum ou minimum par les règles enseignées.
Appendice I.
Par la méthode qui vient d'être expli(|uée on peut aussi chercher les maxima et les minima des surfaces courbes, d'une manière |)lus générale qu'on ne l'a fait jusqu'ici.
Pour ne donner là-dessus qu'un exemple très-simple, supposons qu'il faille trouver la surface qui est la moindre de toutes celles qui ont un même périmètre» donné.
Ayant pris trois coordonnées rectangles x, j, jb, et la surface étant supposée représentée par l'équation
dz = pdx -h q dy,
on trouvera, pour l'élément de la quadrature, da:dy\i -h/>^ -hq^; par conséquent, la surface entière sera égale à
. - I I dxdx^/i-^p'-^g',
où les deux signes i i marquent deux intégrations successives. Tune
par rapport k x et l'autre par rapport *Ay, ou réciproquement. On aura donc, suivant notre méthode,
dl i dxdyyji -\-p^ '^q'^ — o,
ce qui se réduit d'abord à
ff6{dxdx>j7^J^~-^^) = ffdxdrJ'È^^ '
en différentiant et en supposant dx, dy constantes. Or,
■ '"-m^i^)' ^'=(^)=if )■■
donc
JJ "^ ^^ ^fT-i^y^' \d^) ^ J J "^ -^ '^7Tp'~^' [WJ ~'^'
Maintenant, comme dans l'expression \—j—) rf^^ exprime la différence
de 8z, X seul étant variable, il est clair que pour faire disparaître cette diflérenc(s il ne faudra considérer dans la formule
J J "^ '^ Ji-^p'-^q' \d^ )
que l'intégration relative k x; soit donc prise l'intégrale
J i/i-+- p^^q^ \dx I
où X seul varie, il est facile de la transformer par des intégrations par parties en
..^-^iz
^1 -!-/>* -4- g* J \/i-hp^-^q^
ce qui se réduit, en supposant les premiers et les derniers z donnés, à
la difl'érentielle de — , - -^ — - étant prise en variant seulement a\ Soit, pour abréger,
on aura, en multipliant par dy et intégrant de nouveau,
J ^J ^ yj'V-^p^^q^ W^/' ou, ce qui est la même chose,
J J ' y/VTp^-h q^\fl^l
On trouvera de même, en n'ayant égard qu'à la variabilité de y et
posant Q pour , 1 »
et
356 NOUVELLE MÉTHODE POUB DÉTERMINEK
Substituant ces valeurs dans l'équation ci-dessus, elle deviendra
laquelle devra être vraie indépendamment de 8z; on aura donc en général, pour tous les points de la surface cherchée,
ce qui montre que cette quantité
nj r\j pdr — qdx
Prfj — Qdx, savoir ^ -^ . ^ —>
doit être une différentielle complète. Le problème se réduit donc à chercher/? et q par ces conditions que
pdx -h qdr m " J P
soient l'une et l'autre des différentielles exactes.
Il est d'abord clair qu'on satisfera à ces conditions en faisant/? et q constantes, ce qui donnera un plan quelconque pour la surface cherchée; mais ce ne sera là qu'un cas très-particulier, car la solution générale doit être telle, que le périmètre de la surface puisse être déterminé à volonté.
Si la surface» cherchée ne devait être un minimum qu'entre toutes c(»lles qui forment des solides égaux, alors, zdxdy étant l'élément du
solide, il faudrait que la formule / / zdxdy denn^uràt la même pendant
que l'autre, la formule / / dxdysji -hp^ -hq'^, varie; on aurait donc à la fois les deux équations
savoir
( / / zdxdr) =o et â( / / dxdyy.U-hp'-hqA =0,
f\dxdrèz.--o et J/rfx^r[(^) + (^)Jôz = o. Qu'on multiplie la première par un coefficient quelconque k, et qu'on
LES MAXIMA ET LES MlNiMA, ETC. 357
l'ajoute à la seconde, on aura
d'où Ton tire l'équation générale
qui aura lieu toutes les fois que
sera une différentielle complète. Donc la question sera réduite à chercher/? et q par cette condition que, pdœ-hqdy étant une différentielle exacte,
P±^,^± + Axrfr
en soit une aussi.
L'équation de la sphère est en général
{z — ay -f- {y — hf -h(x — c)' -^ r\ .
ce qui donne
, (y— b) dy- -h {x — c)dx
"~ v^r^ — ~(r — T)' ~ Tx — cy'
V r' — lr—hy—'ix — ëy' \'r^ — {r— by'^ (ï — cy'
donc
i—^.:z=~=^ -h kxdy 1= f - -I- Ar \ xdy— - yd:*
bdx — cdy
qui est une différentielle complète si
Appendice: 11.
S<iit proposé de trouver celui d'entre tous les polygones qui ont un nombre donné de côtés donnés, dont l'aire est la plus grande.
La méthode de ce Mémoire est aussi applicable à ces sortes de questions, car soient jk une ordonnée quelconque du polygone, et x Tabs<*isse correspondante, on aura pour Télément fini de Taire
comme il est aise de s'en assurer par Tinspection d'une figure fort simple; par conséquent Taire entière sera
Donc, suivant notre méthode, ^ r Hy H- irfv) dx] = n{6x)dx -h ^{ddx)dx -h (r -h ^dr\ ddjc] =o.
Or, chaque côté du polygone est en général \da:^ -hdv*; donc on aura
^ -,-— — j— dxodx -h drodr
o V dx^ H" ay^ =: ■==== — = o,
c'est-à-dire
dxodx H" dyody =: o
et
drodr
jrfx = —
dx
substituant cette valeur de ida: dans Téquation précédente, elle deviendra celle-ci :
Qu'on mette au lieu de idy son égale rfôy, et qu'on fasse, pour abréger,
1 , rdr I rfr'
- dx— -p -y- — z,
2 dx 1 dx
on aura la formule srfjj qu'il faudra intégrer par parties, afin de faire disparaître la différence de 5 y. Pour cela, je remarque que dans le cas des différences finies on a
d {ziy) = dzdr-^zdèx'^ dz ddr = zdiy-hdz (dy -4- dèy).
et, en dénotant par J y' le terme qui suit Jv,
d(z dx) = zdox-^ ihor'i
zèr= j zdèx-h I dz6r\
donc
/ zdSy — zdy — j dzèy\
ou, ce qui est la même chose.
/ zdàx = zàr — j d'zàx.
d"z étant le ternie qui précède dz et qui par conséquent est multiplié par Jv; substituant ces valeurs dans l'équation ci-dessus, elle deviendra
z^X ^- \ (dx-^d 'z)àx — o.
Supposons que le polygone coupe Taxe en deux points, en sorte (|ue le premier et le dernier /.soient nuls, aussi bien que leurs dilTérences îv;
le terme s Jv qui est hors du signe / disparaîtra, et Tcm aura simplement
I {dx — d 'z)ox = o>
ce qui donnera en général
dx — d 'z =: o,
c'est-à-dire, en intégrant,
. J • y ydy I dy'
rt = jr — 2-— jr — z :=^ X -h dx — z =^ x -^ dx dx -h — r — »- — i— :