Polyèdres : de la formule d'Euler à la caractérisation de Poincaré


Jean-Jacques Dupas

Qu'est-ce qu'un polyèdre ? Au cours de l'histoire, plusieurs caractérisations sont données, régulièrement mises en défaut par la présentation de « monstres », comme autant de contre-exemples. Retour sur cette épopée qui trouve son épilogue dans les travaux de Poincaré.

Dans un polyèdre, le nombre de sommets S, de faces F, et d’arêtes A vérifient (en général) la relation S + F = A + 2, dite formule d’Euler (voir Tangente 174, 2017). Ce joyau des mathématiques transforme des problèmes de géométrie en problèmes d’arithmétique, jetant un pont merveilleux entre deux mondes, sans se préoccuper des dimensions des objets ; la relation préfigure donc la topologie.

 

À l’origine, Descartes

Dans son texte Progymnasmata de solidorum elementis (« Exercices pour les éléments des solides »), René Descartes (1596−1650) énonce un théorème : la somme des déficits des sommets vaut huit angles droits. Par déficit d’un sommet, il faut comprendre le complément à 360° de la somme des angles des faces qui concourent à ce sommet.

Par exemple, pour un tétraèdre régulier, trois triangles équilatéraux se joignent en un sommet. Or, 3 × 60° = 180° ; on a donc un déficit de 360° − 180°, soit 180°, en chacun des quatre sommets. Pour un cube, trois carrés se joignent à chaque sommet. Or, 3 × 90° = 270° ; on a donc un déficit de 360° − 270°, soit 90°, en chacun des huit sommets.

Le théorème de Descartes traduit un fait que chaque amateur de polyèdres a remarqué : moins ... Lire la suite


références

 Le site de référence sur l'analysis situs : analysis-situs.math.cnrs.fr
 Ce qui est faux peut être utile. Jean-Paul Delahaye, Pour la science 280, février 2001.
 Les Comptes rendus des séances de l'Académie des sciences, volume 110, 1890, avec les articles d'Ernest de Jonquières : Note sur un mémoire de Descartes longtemps inédit, et sur les titres de son auteur à la priorité d'une découverte dans la théorie des polyèdres, Sur un point fondamental de la théorie des polyèdres et Note sur le théorème d'Euler dans la théorie des polyèdres.