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Courbes et fractales · 4 affiches · formule n° 31

Le ruban de Möbius

Le ruban de Möbius est une bande refermée sur elle-même après un demi-tour de torsion. Il n'a qu'une seule face et un seul bord, et ces trois équations le décrivent point par point.

Voir les 4 affiches 2 contrôles par le calcul

Pour 0≤u<2π0 \leq u < 2\pi et −1≤v≤1-1 \leq v \leq 1 : une surface à un seul côté et un seul bord (Möbius et Listing, 1858). Dessin : le ruban tracé à partir de ces équations.

Quatre styles

Les affiches

La même formule, le même dessin calculé, en Papier, Nuit, Bauhaus ou Tableau noir. En affiche, toile, plexiglas ou aluminium.

Ce que disent les équations

Prenez une bande de papier, faites-lui faire un demi-tour, puis collez ses deux extrémités : vous obtenez un ruban de Möbius. Les équations ci-dessous décrivent un tel ruban dans l'espace, pour 0≤u<2π0 \leq u < 2\pi et −1≤v≤1-1 \leq v \leq 1 :

x=(1+v2cos⁡u2)cos⁡uy=(1+v2cos⁡u2)sin⁡uz=v2sin⁡u2\begin{aligned} x &= \left(1 + \tfrac{v}{2}\cos\tfrac{u}{2}\right)\cos u \\ y &= \left(1 + \tfrac{v}{2}\cos\tfrac{u}{2}\right)\sin u \\ z &= \tfrac{v}{2}\sin\tfrac{u}{2} \end{aligned}
  • (x,y,z)(x, y, z) : les coordonnées d'un point du ruban dans l'espace.
  • uu : la position le long du ruban. Quand uu va de 00 à 2π2\pi, on fait un tour complet autour de l'axe vertical.
  • vv : la position en travers du ruban, d'un bord apparent (v=−1v = -1) à l'autre (v=1v = 1). La valeur v=0v = 0 donne la ligne médiane, un cercle de rayon 11.
  • cos⁡u\cos u et sin⁡u\sin u : ils font tourner le point autour de l'axe vertical.
  • u2\tfrac{u}{2} : le petit segment tracé en travers du ruban tourne deux fois moins vite que l'on avance. Après un tour complet, il n'a tourné que d'un demi-tour : c'est la torsion du ruban.
  • v2\tfrac{v}{2} : il varie de −12-\tfrac{1}{2} à 12\tfrac{1}{2}, donc le ruban a une largeur de 11.

Ce ruban a deux propriétés surprenantes. Il n'a qu'une seule face : un insecte qui marche sur la ligne médiane revient, après un tour, à son point de départ mais « de l'autre côté » du papier, sans avoir franchi de bord. Et il n'a qu'un seul bord : ce qui ressemble à deux bords est en réalité une seule boucle. Les mathématiciens disent que le ruban est une surface non orientable.

Un exemple

Calculons quelques points du ruban.

Pour u=π2u = \tfrac{\pi}{2} et v=1v = 1 : cos⁡π4=sin⁡π4=22\cos\tfrac{\pi}{4} = \sin\tfrac{\pi}{4} = \tfrac{\sqrt{2}}{2}, environ 0,70710{,}7071. On obtient x=0x = 0 (car cos⁡π2=0\cos\tfrac{\pi}{2} = 0), y=1+24y = 1 + \tfrac{\sqrt{2}}{4}, environ 1,35351{,}3535, et z=24z = \tfrac{\sqrt{2}}{4}, environ 0,35350{,}3535.

Suivons maintenant le bord v=1v = 1 depuis u=0u = 0 :

  • en u=0u = 0 : cos⁡0=1\cos 0 = 1 et sin⁡0=0\sin 0 = 0, donc le point est (1,5;0;0)(1{,}5 \; ; 0 \; ; 0) ;
  • en u=2πu = 2\pi, après un tour : cos⁡π=−1\cos\pi = -1 et sin⁡π=0\sin\pi = 0, donc le point est (0,5;0;0)(0{,}5 \; ; 0 \; ; 0).

Or (0,5;0;0)(0{,}5 \; ; 0 \; ; 0) est exactement le point u=0u = 0, v=−1v = -1, c'est-à-dire le départ de l'autre bord apparent. Après un tour, le bord v=1v = 1 s'est raccordé au bord v=−1v = -1 : il n'y a qu'un seul bord, qu'il faut parcourir deux fois autour de l'axe pour revenir au départ. Un calcul numérique de sa longueur donne environ 13,00613{,}006, soit à peu près le double de la ligne médiane (2π2\pi, environ 6,2836{,}283).

Pourquoi il n'a qu'une face et un seul bord

Tout repose sur une remarque. Quand on remplace uu par u+2πu + 2\pi, on a cos⁡u+2π2=−cos⁡u2\cos\tfrac{u + 2\pi}{2} = -\cos\tfrac{u}{2} et sin⁡u+2π2=−sin⁡u2\sin\tfrac{u + 2\pi}{2} = -\sin\tfrac{u}{2}, alors que cos⁡u\cos u et sin⁡u\sin u ne changent pas. En reportant dans les trois équations, on trouve que le point (u+2π,v)(u + 2\pi, v) est le même que le point (u,−v)(u, -v).

Un seul bord. Le bord v=1v = 1, prolongé au-delà d'un tour, devient donc le bord v=−1v = -1. Les deux bords apparents forment une seule courbe fermée, obtenue pour v=1v = 1 et uu allant de 00 à 4π4\pi.

Une seule face. On peut calculer, le long de la ligne médiane (v=0v = 0), le vecteur de longueur 11 perpendiculaire au ruban (le « vecteur normal ») :

n→(u)=(cos⁡usin⁡u2, sin⁡usin⁡u2, −cos⁡u2)\vec{n}(u) = \left(\cos u \sin\tfrac{u}{2},\ \sin u \sin\tfrac{u}{2},\ -\cos\tfrac{u}{2}\right)

En u=0u = 0, il vaut (0,0,−1)(0, 0, -1) : il pointe vers le bas. En u=2πu = 2\pi, au même endroit du ruban, il vaut (0,0,1)(0, 0, 1) : il pointe vers le haut. En faisant un tour, la flèche perpendiculaire est revenue retournée, sans jamais traverser le ruban. Il est donc impossible de colorier « un côté » en rouge et « l'autre » en bleu : les deux côtés n'en font qu'un.

Ce qui arrive quand on le coupe. Coupons le ruban le long de sa ligne médiane, c'est-à-dire retirons les points v=0v = 0. Il reste les points où v>0v > 0 et ceux où v<0v < 0. Mais, d'après la remarque, le point (u,v)(u, v) avec v<0v < 0 est aussi le point (u+2π,−v)(u + 2\pi, -v), avec −v>0-v > 0. Les deux moitiés se recollent donc en un seul ruban, décrit par 0<v≤10 < v \leq 1 et uu allant de 00 à 4π4\pi : il est deux fois plus long, et il a deux faces et deux bords. Ce nouveau ruban fait deux tours complets de torsion (quatre demi-tours). Si l'on coupe au tiers de la largeur au lieu du milieu, on obtient deux rubans enlacés : un ruban de Möbius plus étroit (le tiers central) et un ruban à deux faces, deux fois plus long. L'expérience se fait en quelques minutes avec du papier, des ciseaux et du ruban adhésif.

Un peu d'histoire

Le ruban a été découvert indépendamment, en 1858, par deux mathématiciens allemands : Johann Benedict Listing et August Ferdinand Möbius. Selon les historiens, Listing l'a rencontré en juillet 1858 et Möbius en septembre de la même année, d'après ses carnets. Listing a publié le premier, dans un mémoire consacré à des généralisations de la formule d'Euler pour les polyèdres (paru en 1861 ou 1862 selon les sources). Möbius a publié sa découverte en 1865. Il avait aussi rédigé un mémoire sur les surfaces à un seul côté pour un concours de l'Académie des sciences de Paris sur la théorie des polyèdres ; ce texte n'a été retrouvé qu'après sa mort.

C'est pourtant le nom de Möbius qui est resté. Listing est connu pour une autre raison : son livre Vorstudien zur Topologie (1847) est considéré comme le premier texte publié employant le mot « topologie », la branche des mathématiques qui étudie les formes à déformation près.

Des rubans tressés qui ressemblent à un ruban de Möbius apparaissent déjà sur des mosaïques romaines du IIIe siècle. On ne sait pas si l'effet était voulu : sur certaines mosaïques de ce type, le nombre de torsions ne donne d'ailleurs pas un ruban de Möbius.

Ce que montre l'affiche

Le dessin est calculé par un programme écrit pour l'atelier, à partir des équations elles-mêmes. Il trace 140 segments en travers du ruban, de v=−1v = -1 à v=1v = 1, pour des valeurs de uu régulièrement espacées, vus en perspective : les segments les plus éloignés sont plus pâles. Par-dessus, un seul trait continu suit le bord v=1v = 1 pour uu allant de 00 à 4π4\pi : on voit qu'il fait le tour des deux bords apparents. L'affiche existe en quatre styles : Papier, Nuit, Bauhaus et Tableau noir.

Pour aller plus loin

Vérifiée par le calcul

Les contrôles de cette formule

Avant d'imprimer l'affiche, un programme met la formule à l'épreuve. Voici ce qu'il a calculé (dernier passage le 11 octobre 2026) ; si un seul de ces contrôles échouait, l'affiche ne serait pas produite. Notre méthode

  • après un tour, la normale est retournée : une seule facen(0) = [0.000,0.000,-1.000], n(2π) = [0.000,0.000,1.000]
  • le point (u = 2π, v) rejoint (u = 0, −v) : le bord est une seule boucle

Sources

Questions fréquentes

Pourquoi le ruban de Möbius n'a-t-il qu'une seule face ?

Parce qu'en faisant un tour le long du ruban, on revient au point de départ de l'autre côté du papier sans avoir franchi de bord. Le vecteur perpendiculaire au ruban revient retourné après un tour, ce qui empêche de distinguer deux côtés.

Que se passe-t-il quand on coupe un ruban de Möbius en deux dans le sens de la longueur ?

On n'obtient pas deux rubans mais un seul, deux fois plus long, qui a deux faces et deux bords et fait deux tours complets de torsion. Coupé au tiers de sa largeur, il donne deux rubans enlacés : un ruban de Möbius étroit et un ruban deux fois plus long.

Comment fabriquer un ruban de Möbius ?

Découpez une bande de papier, faites faire un demi-tour à l'une des extrémités, puis collez les deux extrémités ensemble. Tracez ensuite un trait au milieu de la bande sans lever le crayon : vous reviendrez au départ après avoir parcouru les deux « côtés ».

Qui a découvert le ruban de Möbius ?

Johann Benedict Listing et August Ferdinand Möbius, indépendamment l'un de l'autre, en 1858. Listing a publié le premier, au début des années 1860, mais c'est le nom de Möbius qui est resté.

Combien de bords a un ruban de Möbius ?

Un seul. Ce qui ressemble à deux bords forme en réalité une seule courbe fermée, qu'il faut parcourir sur deux tours autour du ruban pour revenir au point de départ.