Le texte BibNum d'Alain Juhel, professeur au lycée Faidherbe de Lille, sur Lambert et sa définition de la trigonométrie hyperbolique, m'a éclairé sur la signification géométrique du cosinus hyperbolique, dont j'avais appris les formules algébriques ½ (e^x+ e^-x) sans comprendre la signification géométrique.

Déjà pourquoi le terme trigonométrie hyperbolique ? parce que c'est la trigonométrie de l'hyperbole, comme la trigonométrie classique (cos, sin) est celle du cercle. L'une paramètre l'hyperbole, comme l'autre paramètre le cercle. Nous allons voir comment.

D'abord, pour ceux qui connaissent l'hyperbole sous la forme xy = 1 (avec pour asymptotes les axes des x et des y) , qu'ils ne soient pas dépaysés, il suffit de faire faire une rotation de -∏/4  suivie d'une homothétie de √2/2 (transformant le sommet 1,1 en le sommet 1,0), soit X = ½ (x+y) et Y = ½ (x-y), soit X² - Y² = xy = 1. La courbe X² -Y² = 1 est une hyperbole équivalente à xy = 1. On vérifie que les asymptotes de X² - Y² = 1 sont les droites Y = X et Y = - X.

La trigonométrie circulaire  (figure ci-dessus, à gauche) nous dit que, pour φ = angle ACN, N sur le cercle a pour coordonnées (cos φ, sin φ), X² + Y² = 1 , et  l'aire ACN est égale à la moitié de φ (calcul d'arcs : aire ACN = φ/2∏ × aire du cercle de rayon 1 = φ/2).

La trigonométrie hyperbolique (figure ci-dessus, à droite) va nous dire que, pour le même angle ACN, coupant l'hyperbole en M, M sur l'hyperbole a pour coordonnées non pas (ch φ, sh φ), mais (ch u, sh u), avec X² - Y² = 1 puisque ch²u - sh² u = 1 : c'est le paramétrage de l'hyperbole par la trigonométrie hyperbolique, u variant de 0 (sommet 1,0 de l'hyperbole) à ∞ (asymptote X = Y).

Mais ce qui est le plus intéressant, c'est que l'aire en rose ci-dessus, suivant la même sécante CNM, est, comme dans le cercle, donnée par le paramètre : elle vaut φ/2 pour le cercle (cf. ci-dessus), et u/2 pour l'hyperbole.

Enfin, Lambert nous donne, c'est lui qui le fait le premier, la relation, qui n'est pas simple, entre les deux paramètres φ et u de la même sécante CNM : elle est donnée par la pente de cette droite, sinφ/cosφ (pente en N) = shu/chu (pente en M), soit tgφ = thu. On mesure cette pente au points d'abscisse 1, soit A, on a donc tgφ = thu = AT.

Ce premier billet de chemin le plus court posté le vendredi précédent les vacances scolaires parisiennes a déchaîné les discussions, j’en suis heureux, et a conduit aux deux solutions, l’une cartésienne et lourde proposée par moi, l’autre euclidienne et légère proposée par les fidèles lecteurs. Je termine (provisoirement ?) ce cycle de « chemins le plus court » avec celui du maître-nageur, que nous a rappelé Benjamin en commentaire, et que j’avais en tête en entamant ce cycle.

Ce chemin n’est pas la ligne droite AB (il court trop peu longtemps et nage trop longtemps), ce n’est pas non plus la ligne ACB où on maximise la distance sur le sable (dans ce cas, la distance totale est trop grande). Ce chemin est entre les deux, c'est le chemin AMB donné par l’angle i tel que sin i = V/v  sin r (de C à la ligne droite, le rapport sin r / sin i varie de 0 à 1, donc on est assuré qu'il prend la valeur v/V, inférieure à 1).

On le démontre facilement avec la démonstration cartésienne lourde; le temps total s'écrit, en reprenant les notations du billet précédent :

T = AM / V + MB / v =  (x² + a²)^1/2/ V + [(L-x)² + b²]^1/2/ v, en dérivant par rapport à x, le minimum est atteint pour :

x / (V×AM) = (L-x) / (v×MB), ou en d’autres termes OM/ (V × AM) = MC / (v × MB) ; on retrouve une égalité de triangles semblables, à la vitesse près de part et d’autre.

Or sin i = OM / AM, et sin r =  MC / MB, on retrouve sin i  / V = sin r  / v, c'est le principe de Fermat- Descartes de la réfraction, n₁ sin i₁ = n₂ sin i₂ (dans notre cas l'inverse des vitesses dans chaque milieu est l'équivalent de l'indice de réfraction, ce qui est cohérent avec v_lumière = c / n dans un milieu d'indice n).