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Première image d’une sphère réduite en 3D : faire entrer la surface de la Terre à l’intérieur d’une balle de ping-pong

Dans les années 1950, Nicolas Kuiper et le prix Nobel John Nash ont démontré l’existence d’une vaste classe d’objets mathématiques paradoxaux tels que des tores plats en 3D ou de sphères réduites, sans pouvoir toutefois les visualiser. Une équipe de mathématiciens et d’informaticiens du CNRS, de l’Université Grenoble Alpes et de l’Université Claude Bernard Lyon 1, a réussi à construire et représenter visuellement une sphère réduite, cinq ans après avoir obtenu la première image d’un tore plat en 3D.

Les sphères, connues pour être rigides, ne peuvent pas être déformées isométriquement, c’est à dire en préservant les longueurs des courbes, avec une régularité de classe C2. En se basant sur la théorie mathématique de l’intégration convexe [1], les chercheurs sont parvenus à déformer isométriquement une sphère à l’intérieur d’une boule de rayon arbitrairement petit, avec une régularité de classe C1. Si l’on assimile la surface de la Terre à une sphère ronde, cette théorie permet de réduire son diamètre à celui d’un modèle réduit de globe terrestre ou d’une balle ping-pong tout en préservant les distances géodésiques [2]. La surface obtenue, que les chercheurs ont qualifiée de fractale lisse, se compose de deux calottes sphériques, parfaitement lisses, connectées par une bande équatoriale fortement déformée. Les chercheurs montrent que ce changement de structure géométrique est similaire à celui observé lorsqu’on relie une courbe de von Koch à un segment de droite (voir figure 3). Ces résultats ouvrent des perspectives inédites en mathématiques appliquées, notamment pour la résolution de certaines équations aux dérivées partielles. Les étonnantes propriétés des fractales lisses pourraient également jouer un rôle central dans l’analyse de la géométrie des formes. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Foundations of Computational Mathematics, le 6 juillet 2017.

Sphère corruguée et sphère unité © Projet Hévéa Un globe terrestre isométrique © Projet Hévéa Une surface de Von Koch © Projet Hévéa

Pour aller plus loin :

Référence : An Explicit Isometric Reduction of the Unit Sphere into an Arbitrarily Small Ball Evangelis Bartzos, Vincent Borrelli, Roland Denis, Francis Lazarus, Damien Rohmer, Boris Thibert, Foundations of Computational Mathematics, 6 juillet 2017.
Les laboratoires impliqués sont l’Institut Camille Jordan (CNRS/Universités Claude Bernard Lyon 1 et Jean Monnet/Ecole Centrale de Lyon/INSA de Lyon), le GIPSA-lab (CNRS/Grenoble-INP/ Université Grenoble Alpes), le laboratoire Jean Kuntzmann (CNRS/Université Grenoble Alpes/Grenoble-INP) et INRIA/CPE Lyon.

Contacts :

  • Francis Lazarus l T. 04 76 82 64 67 l francis.lazarus gipsa-lab.grenoble-inp.fr
  • Vincent Borrelli l T. 04 72.44.79.38 l borrelli math.univ-lyon1.fr
  • Boris Thibert l T. 04 57 42 17 84 l boris.thibert univ-grenoble-alpes.fr

Presse CNRS :

  • Anne-Sophie Boutaud l T. 01 44 96 46 06 l anne-sophie.boutaud cnrs.fr

[1] John F. Nash (1954) et Nicolaas Kuiper (1955) sont les premiers à avoir montré l’existence de déformation isométrique de classe C1. Par la suite Mikhail Gromov (1986) a étendu leurs résultats en développant la théorie de l’intégration convexe.

[2] Sur la sphère, la distance géodésique entre deux points est la longueur d’un arc de grand cercle joignant ces points.