Dans le plan euclidien orienté canonique, on considère la parabole {\mathcal P:y^2=2x} , de foyer {F=(1/2,0)} , paramétrée par {M(t)=(t^2/2,t)} , {t\in\mathbb R} .
Première partie
On oriente {\mathcal P} dans le sens des {t} croissants et l’on prend {O} pour origine des abscisses curvilignes.
1. Calculer l’abscisse curviligne {s} de {M(t)} et préciser la base de Frenet en {M(s)} .
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2. Calculer le rayon de courbure {R} . Montrer que le centre de courbure est {\Omega(t)=(1+3t^2/2,-t^3)} .
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3. La développée {\mathcal Q} est le lieu de {\Omega(t)} . Montrer que son équation est {y^2=8(x-1)^3/27} , que toute normale à {\mathcal P} est tangente à {\mathcal Q} , puis représenter les deux courbes.
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Deuxième partie
On fixe {A=(a,b)} . L’extérieur de {\mathcal P} est {y^2\ge2x} , son extérieur strict est {y^2\gt2x} ; l’intérieur et l’intérieur strict correspondent aux inégalités opposées.
1. Écrire l’équation de la tangente {D(t)} en {M(t)} .
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2. Soit {H(t)} la projection orthogonale de {A} sur {D(t)} . Montrer que {X(t)=\frac{(2a-1)t^2+2bt}{2(t^2+1)},\quad Y(t)=\frac{t^3+2at+2b}{2(t^2+1)}} Son lieu {\Gamma_A} , ou {\Gamma_{(a,b)}} , est la podaire de {\mathcal P} relativement à {A} .
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3. Montrer que {\Gamma_A} est incluse dans l’extérieur de {\mathcal P} .
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4. Montrer que {\Gamma_{(a,b)}} et {\Gamma_{(a,-b)}} se déduisent par une symétrie. Que dire des courbes {\Gamma_{(a,0)}} ?
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5. Décrire et illustrer {\Gamma_A} quand {A=F=(1/2,0)} .
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Troisième partie
On étudie localement les podaires ; on privilégie les arguments géométriques.
1. Préciser le placement de {\Gamma_A} par rapport à sa branche infinie et illustrer les cas, en se limitant éventuellement à {b\ge0} , {A\ne F} .
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2. (a) Montrer que {A\in\Gamma_A} si et seulement si {A} est extérieur à {\mathcal P} .
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2. (b) Montrer que tout point double {B} de {\Gamma_A} est nécessairement {A} .
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2. (c) Réciproquement, montrer que {A} est double si et seulement s’il est strictement extérieur à {\mathcal P} .
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3. (a) Si {A} est strictement extérieur, montrer que les tangentes à {\Gamma_A} au point double sont orthogonales aux tangentes à {\mathcal P} issues de {A} .
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3. (b) Si {A\in\mathcal P} , montrer que la tangente en {A} à {\Gamma_A} est la normale en {A} à {\mathcal P} .
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On paramètre désormais {\mathcal P} par son abscisse curviligne {s} . Ce paramètre définit aussi {H(s)} , sans être l’abscisse curviligne de la podaire. On conserve {R,T,N} pour la parabole et l’on pose {U=\overrightarrow{MA}} .
4. (a) Justifier {H=M+\lambda T} , avec {\lambda=\langle U,T\rangle} .
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4. (b) Montrer que {H'=\frac1R\left(\langle U,N\rangle T+\langle U,T\rangle N\right)} les dérivées étant prises par rapport à {s} .
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4. (c) Si {A\notin\mathcal P} , prouver que {\Gamma_A} est sans point stationnaire.
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4. (d) Si {A\in\mathcal P} , prouver que {A} est le seul point stationnaire de {\Gamma_A} .
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5. (a) Pour {m\in\mathbb R} , soit {\Delta_m} la droite passant par {A} de pente {m} . Montrer qu’elle est normale à {\mathcal P} si et seulement si {m^3+2(1-a)m+2b=0} .
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5. (b) Discuter le nombre {n_A} de normales passant par {A} . Montrer notamment que {n_A=3} équivaut à {a\gt1} et {|b|\lt(2(a-1)/3)^{3/2}} . Représenter le cas {A=(15/2,6)} .
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5. (c) Soit {M(t_0)\ne A} le pied d’une normale issue de {A} . Montrer que {M(t_0)\in\Gamma_A} et préciser la tangente. Illustrer deux cas avec trois normales, {A} intérieur puis extérieur.
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Quatrième partie
On étudie les points d’inflexion. Pour alléger les expressions, posons {u=\langle U,T\rangle} et {v=\langle U,N\rangle} .
1. En dérivant III.4.(b), prouver {R'H'+RH''=\frac2R(vN-uT)-N}
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2. En déduire, par un calcul dans {(T,N)} , {R^3\det(H',H'')=2\|\overrightarrow{AM}\|^2+\langle\overrightarrow{AM},RN\rangle}
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3. On pose {P_A(t)=bt^3+\frac32(1-2a)t^2-3bt+2a^2+2b^2-a} Montrer que {H(t_0)} est une inflexion si {P_A} s’annule en changeant de signe en {t_0} .
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4. Pour {b=0} , discuter suivant {a} le nombre d’inflexions.
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On suppose maintenant {b\ne0} .
5. (a) Vérifier que {P_A'} s’annule en deux points distincts {t_1,t_2} .
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5. (b) Effectuer la division euclidienne de {P_A} par {P_A'} .
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5. (c) En déduire {P_A(t_1)P_A(t_2)=4AF^4(1-2a/b^2)} .
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5. (d) Discuter le nombre d’inflexions suivant la position de {A} par rapport à {\mathcal P} .
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6. (a) Pour trois paramètres distincts, on note {\sigma_1=t_1+t_2+t_3} , {\sigma_2=t_1t_2+t_1t_3+t_2t_3} , {\sigma_3=t_1t_2t_3} . Montrer que les trois points {H(t_i)} sont alignés si et seulement si {2b(\sigma_1-\sigma_3)+(2a-1)\sigma_2=4a^2+4b^2-2a}
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6. (b) On admet qu’une tangente d’inflexion correspond à une racine triple de l’équation d’intersection. Retrouver la condition d’inflexion.
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Cinquième partie
Pour chaque courbe, on précise l’asymptote, les points doubles, stationnaires et d’inflexion. Les dérivées utiles pour les variations sont {X'=\frac{b+(2a-1)t-bt^2}{(1+t^2)^2}} et {Y'=\frac{t^4+(3-2a)t^2-4bt+2a}{2(1+t^2)^2}} Les tracés ci-dessous complètent cette partie, absente du corrigé fourni.
1. Étudier et tracer la courbe pour {A=(-5/2,0)} .
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2. Étudier et tracer la courbe pour {A=(0,0)} .
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3. Étudier et tracer la courbe pour {A=(8,0)} .
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4. Étudier et tracer la courbe pour {A=(8,2)} .
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5. Étudier et tracer la courbe pour {A=(8,4)} .
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6. Étudier et tracer la courbe pour {A=(8,6)} .
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