D'un point M de la lemniscate de Bernoulli partent quatre tangentes à la courbe ; leurs points de contact sont alignés sur une droite D(M), et cette droite enveloppe une hyperbole équilatère. Cinq planches pour le voir et le démontrer.
Soit Γ la lemniscate de Bernoulli définie, dans un repère orthonormé, par x = a·t/(1 + t⁴), y = a·t³/(1 + t⁴).
De chaque point M de Γ on peut mener à la courbe quatre tangentes autres que la tangente en M (avec des restrictions concernant la réalité).
Montrer que les points de contact de ces tangentes sont situés sur une droite D(M). Trouver l'enveloppe de D(M) quand M décrit Γ.
Deux mots à définir. Une tangente menée de M est une droite qui passe par M et touche Γ en un autre point, appelé point de contact. L'enveloppe d'une famille de droites est la courbe à laquelle chacune de ces droites est tangente : on ne la trace jamais, elle apparaît d'elle-même quand on dessine beaucoup de droites de la famille.
La stratégie, en une phrase : une droite αx + βy + γ = 0 coupe Γ aux paramètres racines de γt⁴ + aβt³ + aαt + γ = 0, un polynôme sans terme en t² et dont les coefficients extrêmes sont égaux. Quatre paramètres sont donc ceux de quatre points alignés exactement quand leur produit vaut 1 et que la somme de leurs produits deux à deux est nulle. Toute la géométrie de l'exercice se ramène à ces deux égalités.
La courbe est un huit couché le long de la première bissectrice. En élevant au carré, x² + y² = a²t²/(1+t⁴) et xy = a²t⁴/(1+t⁴)², d'où son équation (x² + y²)² = a²·xy. Le paramétrage révèle ses symétries : changer t en −t donne le point symétrique par rapport à O, changer t en 1/t échange x et y (symétrie par rapport à la droite y = x). Le point O est atteint deux fois, pour t = 0 et pour t infini ; les deux branches y passent tangentes aux axes. Enfin, c'est le lieu des points dont le produit des distances aux deux foyers F(a/(2√2) ; a/(2√2)) et F′ (symétrique de F par rapport à O) vaut a²/4.
Remplaçons x et y par le paramétrage dans αx + βy + γ = 0 et multiplions par 1 + t⁴ :
γ·t⁴ + aβ·t³ + 0·t² + aα·t + γ = 0.
Les relations entre coefficients et racines donnent aussitôt, pour les quatre paramètres t₁, t₂, t₃, t₄ des points d'intersection (réels ou complexes) : t₁t₂t₃t₄ = 1 (coefficients extrêmes égaux) et σ₂ = Σ tᵢtⱼ = 0 (pas de terme en t²). Réciproquement, si quatre nombres vérifient ces deux relations, le polynôme qui les a pour racines a la forme ci-dessus, et c'est celui d'une droite : les quatre points sont alignés. Faites tourner et glisser la droite pour le vérifier.
Une droite est tangente en M(u) quand u est racine double de son polynôme. Ses racines sont alors u, u, v, w, et le critère de la planche 2 s'écrit u²vw = 1 et u² + 2u(v + w) + vw = 0, d'où
v·w = 1/u², v + w = −(1 + u⁴)/(2u³).
v et w sont réels quand (v + w)² ≥ 4vw, c'est-à-dire u⁴ − 4u² + 1 ≥ 0 : u² ≤ 2 − √3 = tan 15° ou u² ≥ 2 + √3 = tan 75°. Comme y/x = u², cela veut dire que l'angle polaire de M(u) est au plus 15° ou au moins 75° (à 180° près). Aux deux bornes v = w = −1/u : la tangente touche aussi l'autre boucle, c'est une tangente commune aux deux boucles, parallèle à la bissectrice.
Fixons M = M(m) et cherchons les points de contact u des tangentes passant par M. La tangente en u a pour racines u, u, m, w ; le critère donne u²mw = 1, donc w = 1/(u²m), puis u² + 2um + 2uw + mw = 0. En remplaçant w et en multipliant par u²m :
m·u⁴ + 2m²·u³ + 0·u² + 2·u + m = 0.
C'est exactement le polynôme d'une droite (coefficients extrêmes égaux, pas de terme en u²) : avec γ = am, β = 2m², α = 2, ses quatre racines sont les points de Γ sur la droite D(M) : 2x + 2m²y + am = 0. Réalité : pour m > 0, tous les coefficients sont positifs, donc aucune racine positive ; le polynôme en −u n'a que deux changements de signe (règle de Descartes), donc au plus deux racines négatives ; et f(−1) = −2(m² − m + 1) < 0 < f(0) = m en garantit deux, de part et d'autre de −1. On peut donc toujours mener exactement deux tangentes réelles, qui touchent la boucle opposée ; les deux autres sont imaginaires (même conclusion pour m < 0 par symétrie).
La famille D(m) : 2x + 2m²y + am = 0 dépend d'un paramètre. Le point où D(m) touche son enveloppe s'obtient en annulant aussi la dérivée par rapport à m : 4my + a = 0. On trouve E(m) = (−am/4 ; −a/(4m)), d'où xy = a²/16 : l'enveloppe est une hyperbole équilatère, d'asymptotes les axes. Ces axes sont d'ailleurs les deux droites D(O) obtenues pour m = 0 et m infini.
Comparons E à M. En écriture complexe, M = z et E = −i·a²/(4z) : OE est la symétrique de la droite OM par rapport à la seconde bissectrice y = −x, et OM·OE = a²/4. E se déduit donc de M par une inversion de centre O et de rayon a/2 suivie d'une symétrie. L'enveloppe de D(M) est, à cette symétrie près, l'inverse de la lemniscate elle-même : on retrouve le résultat classique selon lequel l'inverse d'une lemniscate par rapport à son centre est une hyperbole équilatère.
Le paramétrage transforme l'alignement de quatre points en deux relations symétriques sur les paramètres : produit égal à 1, somme des produits deux à deux nulle.
L'équation des points de contact n'est jamais résolue : on reconnaît qu'elle a la forme d'une équation de droite, et la droite D(M) se lit sur ses coefficients.
Les droites D(M) dessinent l'hyperbole xy = a²/16, image de la lemniscate par une inversion de centre O : deux courbes classiques réunies par un seul exercice.
Le point O. Pour m = 0 ou m infini, M est en O et le raisonnement dégénère : D(O) devient l'axe des y (m = 0) ou l'axe des x (m infini). Ce sont les asymptotes de l'hyperbole, ce qui est cohérent avec E qui part à l'infini.
Les tangentes communes. Les deux tangentes communes aux boucles, touchant Γ aux points d'angle polaire 15° et 75° (paramètres u et −1/u avec u² = tan 15°), sont parallèles à y = x ; leurs points de contact (a/(4u) ; au/4) sont d'ailleurs sur l'hyperbole xy = a²/16 de la planche 5. Elles marquent la frontière entre les tangentes qui recoupent la courbe et celles qui ne la recoupent pas.
La lemniscate comme ovale de Cassini. Le produit MF·MF′ = a²/4 fait de Γ l'ovale de Cassini limite, celui qui passe par le milieu des foyers. La constante a²/4 est aussi la puissance de l'inversion qui envoie M sur E.
La règle de Descartes. Le nombre de racines positives d'un polynôme réel est au plus égal au nombre de changements de signe de la suite de ses coefficients (et de même parité). Appliquée à f(u) puis à f(−u), elle borne à zéro les racines positives et à deux les négatives.