Faits :
A.
Par jugement du 19 mars 2019, le Tribunal criminel de l'arrondissement de l'Est vaudois a condamné A._ pour lésions corporelles simples qualifiées, violation du domaine secret ou du domaine privé au moyen d'un appareil de prise de vues, désistement d'actes d'ordre sexuel avec des enfants, acte d'ordre sexuel avec des enfants, tentative de contrainte sexuelle aggravée, tentative de viol aggravé, désistement de viol aggravé, viol aggravé, actes d'ordre sexuel sur une personne incapable de discernement ou de résistance, pornographie et inceste à une peine privative de liberté de douze ans, sous déduction de 715 jours en détention provisoire et 467 jours en exécution anticipée de peine. Il a constaté que A._ avait été détenu dans des conditions illicites en zone carcérale durant onze jours et ordonné que six jours soient déduits de la peine précitée à titre de réparation du tort moral. Il a ordonné que A._ soit soumis à un traitement psychothérapeutique ambulatoire et lui a interdit d'exercer toute activité professionnelle ou toute activité non professionnelle organisée impliquant des contacts réguliers avec des mineurs pour une durée de dix ans.
B.
Par jugement du 24 juillet 2019, la Cour d'appel pénale du Tribunal cantonal vaudois a admis partiellement l'appel formé par A._ et réformé le jugement attaqué en ce sens qu'elle a abandonné la circonstance aggravante de la cruauté pour les infractions de viol et de contrainte sexuelle commises à l'encontre de D._, de B._ et de E._ ainsi que pour celles commises dans le courant du printemps 2014 et entre avril et juin 2014 à l'encontre de C._ et lui a infligé une peine privative de liberté de douze ans, sous déduction de la détention préventive et de l'exécution anticipée de peine. Pour le surplus, elle a maintenu le jugement attaqué.
Elle a retenu que A._ avait commis les faits suivants à l'encontre de B._ (B.a) et de sa fille, C._, née en 2001 (B.b à B.e) :
B.a. En 2005, ou à tout le moins durant la deuxième partie de l'année 2004, à F._, en fin de soirée, A._, prétextant des raisons professionnelles, s'est rendu chez une voisine du couple, B._, sachant son mari absent. A un moment donné, A._ a mis de l'Halcion dans le verre de B._, à l'insu de celle-ci. B._ s'est assoupie pour finalement regagner son lit, où elle s'est endormie. A._ l'a suivie, s'est entièrement dévêtu et a déshabillé le bas du corps de B._. Au moyen d'un chiffon imbibé d'éther apposé sur les voies respiratoires de B._, A._ s'est assuré qu'elle reste plongée dans son sommeil, le temps d'abuser d'elle. Il lui a alors imposé une fellation, lui a caressé les seins et le sexe, s'est masturbé devant son corps inerte, avant de s'allonger à ses côtés et de la pénétrer vaginalement à plusieurs reprises pour finir par éjaculer sur son ventre.
Peu de temps après cet épisode, A._ a agi une nouvelle fois à l'encontre de B._, dans les mêmes circonstances et selon le même mode opératoire, à savoir en alternant attouchements, pénétrations et fellations, prenant soin de réimbiber régulièrement le chiffon d'éther afin de maintenir sa victime inconsciente.
A._ a filmé chaque épisode d'abus sur B._, au moyen d'un appareil photographique placé sur un meuble. Il a ainsi réalisé deux vidéos, parmi lesquelles plusieurs gros plans du sexe de sa voisine, qu'il a par la suite transférées sur une clé USB et visionnées à plusieurs reprises à des fins d'excitation sexuelle, soit en se masturbant.
B.b. A une date indéterminée, dans le courant du printemps 2014, au domicile familial à F._, A._ a administré un somnifère, introduit dans leur verre, dans le courant de la soirée, à son épouse G._ et à sa fille C._. Plus tard, alors que toute la famille était couchée, A._ s'est levé, s'est rendu dans la chambre de sa fille, muni du matériel nécessaire pour la maintenir inconsciente. Une fois auprès d'elle, il a retiré le duvet. C._ était couchée sur le dos, vêtue d'un pyjama. A._ a relevé le haut du pyjama jusqu'au cou, et a descendu le bas, de même que la culotte de la fillette, jusqu'aux genoux. Après lui avoir appliqué un masque à poussière imbibé d'éther sur le visage, il s'est mis à caresser sa fille sur tout le corps, à même la peau, en particulier les seins, les fesses et le sexe. Il lui a caressé l'entrejambe, puis il lui a introduit deux doigts dans le vagin, opérant des mouvements de va-et-vient, qui ont blessé la fillette, qui s'est mise à saigner abondamment, maculant la literie. A._ a alors entrepris de nettoyer sa fille entre les jambes au moyen d'une lavette, a changé les draps, fait de l'ordre dans la chambre, avant de la rhabiller. Alors qu'il avait les mains encore pleines de sang, il a été surpris par son épouse, qui a poussé un cri d'horreur en découvrant la scène. Il a alors tenté de dissimuler la bouteille d'éther et lorsque son épouse s'est exclamée qu'il y avait du sang dans la culotte et sur le pyjama de C._, A._ lui a rétorqué que leur fille allait avoir ses règles. Celle-ci s'est réveillée, prise d'une envie de vomir. Le lendemain matin, les saignements persistaient.
B.c. A une date indéterminée, entre avril et juin 2014, au domicile familial à F._, A._, qui avait administré un somnifère à sa femme et à sa fille avant qu'elles aillent se coucher, s'est relevé nuitamment dans l'intention d'abuser sexuellement de sa fille, s'est dirigé vers sa chambre, avant de se raviser et de retourner se coucher.
B.d. Vers le milieu de l'année 2014, au domicile familial à F._, A._ a administré un somnifère à sa femme et à sa fille avant qu'elles aillent se coucher. Après avoir attendu une heure environ, il s'est relevé et s'est rendu dans la chambre de sa fille, emportant le matériel nécessaire à la maintenir inconsciente et celui destiné à filmer ses agissements. Après avoir installé sa caméra sur un trépied et l'avoir mise en marche, il s'est rendu au chevet de la fillette. Après lui avoir apposé un masque imbibé d'éther sur les voies respiratoires et s'être assuré qu'elle dorme profondément en lui administrant une dose d'éther supplémentaire, il s'est mis à caresser la poitrine de sa fille par-dessus le pyjama. Comme C._ ne réagissait pas, il a relevé son haut de pyjama, a caressé puis embrassé les seins de sa fille. Il a ensuite descendu le bas de son pyjama et sa culotte, et a caressé son sexe à même la peau, avant de le lécher. Il s'est ensuite positionné sur sa fille, qu'il a pénétrée vaginalement avec son sexe, sans préservatif. Après avoir éjaculé sur son ventre, il s'est relevé, a éteint la caméra, a nettoyé et rhabillé sa fille avant de quitter la pièce et retourner se coucher.
A une autre occasion, située quelques semaines après l'épisode qui vient d'être décrit, il a répété ses agissements à l'encontre de C._, infligeant à sa fille maintenue inconsciente les mêmes actes, à savoir des attouchements, cunnilingus et pénétration vaginale, tout en les filmant. Il n'a cette fois pas éjaculé.
Au terme du premier ou du second épisode décrit ci-dessus, C._ s'est réveillée et a été prise de vomissements.
Par la suite, A._ a transféré les deux vidéos réalisées sur une clé USB et les a visionnées à plusieurs reprises à des fins d'excitation sexuelle.
B.e. Le 18 octobre 2015, au domicile familial à F._, A._ s'est rendu nuitamment dans la chambre de sa fille, muni d'une bouteille d'éther qu'il était allé chercher à la cave. Il en a imbibé une chaussette qu'il a agitée à plusieurs reprises sur le visage de la fillette, jusqu'à être certain qu'elle était plongée dans un sommeil profond. Il lui a alors relevé le haut du pyjama et lui a partiellement baissé le bas. Après avoir retiré son propre slip, il s'est mis à se masturber devant sa fille. Alors qu'il commençait à être en érection, la fillette s'est mise à bouger, faisant mine de vouloir vomir. A._ a alors cessé de se masturber et a mis la tête de sa fille sur le côté pour lui permettre de vomir. Il s'est ensuite affairé à nettoyer les vomissures. Pour ce faire, il s'est entièrement dévêtu. Alors qu'il se trouvait dans le plus simple appareil dans la chambre de sa fille, et avant d'avoir eu le temps de la rhabiller, il a été surpris par son épouse. C._ s'est alors remise à vomir et pendant que sa mère s'occupait d'elle, A._ est allé chercher la bouteille d'éther qu'il avait laissée dans la salle de bains et s'est rendu au fond du jardin pour la cacher. Plus tard dans la nuit, il s'est relevé et est allé récupérer la bouteille de solvant qu'il a fait disparaître en la jetant dans un molok du quartier, avant de retourner se coucher.
C.
Contre ce dernier jugement, A._ dépose un recours en matière pénale devant le Tribunal fédéral. Il conclut à l'annulation du jugement attaqué et au renvoi de la cause à la cour cantonale pour nouvelle décision dans le sens des considérants. En outre, il sollicite l'assistance judiciaire.
Par ordonnance du 22 novembre 2019, le Président de la Cour de droit pénal du Tribunal fédéral a rejeté la demande de suspension de la procédure formée par A._.
Considérant en droit :
1.
Le recourant reproche à la cour cantonale d'avoir versé dans l'arbitraire en retenant que les faits commis sur B._ s'étaient déroulés en 2005. Selon lui, ces faits se seraient produits à la fin 2003 ou au début 2004.
1.1. Le Tribunal fédéral est lié par les constatations de fait de la décision entreprise (art. 105 al. 1 LTF), à moins que celles-ci n'aient été établies en violation du droit ou de manière manifestement inexacte au sens des art. 97 al. 1 et 105 al. 2 LTF, à savoir pour l'essentiel de façon arbitraire au sens de l'art. 9 Cst. Une décision n'est pas arbitraire du seul fait qu'elle apparaît discutable ou même critiquable; il faut qu'elle soit manifestement insoutenable, et cela non seulement dans sa motivation mais aussi dans son résultat (ATF 143 IV 241 consid. 2.3.1 p. 244; 142 II 369 consid. 4.3 p. 380; 141 IV 305 consid. 1.2 p. 308 s.). Le Tribunal fédéral n'entre en matière sur les moyens tirés de la prohibition de l'arbitraire que s'ils ont été invoqués et motivés de manière précise (art. 106 al. 2 LTF; ATF 142 III 364 consid. 2.4 p. 368). Les critiques de nature appellatoire sont irrecevables (ATF 142 III 364 consid. 2.4 p. 368).
1.2. La cour cantonale a retenu l'année 2005 pour quatre raisons. Elle s'est d'abord fondée sur les déclarations de la victime qui a indiqué cette date à deux reprises. En outre, elle a relevé que l'année 2005 correspondait à un repère temporel dans la mémoire de la victime, à savoir environ à la moitié de la durée de son habitation dans l'immeuble et après le changement d'appartement au sein de celui-ci. En troisième lieu, elle a noté que le prétexte de la traduction de documents en tchèque invoqué par le recourant était lié à la perspective de confier à la victime la gestion de l'éventuelle antenne tchèque et que cette éventualité devait se présenter au moment du rapatriement de la famille de la victime en Tchéquie, à savoir vers la fin de son séjour en Suisse, situé en 2007-2008. En quatrième lieu, elle a rejeté l'argument du recourant, selon lequel les faits devaient se situer en 2003 ou en 2004 parce qu'il n'avait à l'époque pas encore engagé un chauffeur pour effectuer la maintenance des containers dans le cadre de l'activité de sa société; elle a en effet exposé que le recourant avait lui-même déclaré qu'il avait engagé cet employé durant l'année 2005.
Le recourant fait valoir que les déclarations de la victime ne sont pas claires, ni détaillées, celle-ci situant les faits de manière très approximative. Il critique le repère temporel indiqué par cette dernière, au motif que ses déclarations étaient truffées d'approximations, d'incertitudes et de manque de souvenirs. Il fait valoir, en revanche, que sa version des faits, selon laquelle les agressions auraient eu lieu en 2003 ou 2004, serait constante et qu'il se souvenait de cette situation parce que la société qu'il dirigeait venait, à cette époque, de conclure d'importants contrats avec deux stations de ski françaises. Il note qu'il a indiqué que les faits incriminés se seraient produits juste avant son départ en France, indication qui aurait été corroborée par la victime.
1.3. La cour cantonale n'a pas méconnu que la victime avait utilisé les termes " aux alentours " et " approximativement ". Elle a expliqué qu'elle retenait néanmoins les déclarations de la victime comme crédibles, dès lors qu'elles correspondaient à certains repères temporels (durée du séjour dans l'immeuble; départ en Tchéquie). Elle a écarté les déclarations du recourant, réfutant les repères temporels qu'il invoquait. Elle a également relevé que celui-ci avait intérêt à situer les faits en 2003 ou 2004 (puisque les faits seraient alors prescrits) et qu'il pouvait aussi se tromper; elle a ainsi noté qu'il avait assorti sa première déclaration d'un " sauf erreur " et que, selon la police, il avait fourni des indications temporelles erronées sur certains des actes bien plus récents infligés à sa fille. Le raisonnement de la cour cantonale est soutenable, de sorte qu'il faut admettre qu'elle n'est pas tombée dans l'arbitraire en retenant que les faits commis à l'encontre de B._ s'étaient déroulés en 2005.
2.
Le recourant reproche à la cour cantonale d'avoir retenu la circonstance aggravante de la cruauté des art. 189 al. 3 et 190 al. 3 CP pour les deux dernières agressions sexuelles à l'encontre de C._ (consid. B.d et B.e), alors qu'elle a abandonné cette qualification pour les faits commis dans le courant du printemps 2014 (consid. B.b) et entre avril et juin 2014 (consid. B.c) et pour ceux commis à l'encontre des autres victimes.
2.1. Selon la jurisprudence, la cruauté suppose que l'auteur inflige volontairement, avant ou pendant l'acte, des souffrances physiques ou psychiques particulières qui vont au-delà de ce qui appartient déjà à la réalisation de l'infraction de base ou l'accompagne nécessairement (ATF 119 IV 49 consid. 3c p. 52; 119 IV 224 consid. 3 p. 228). Pour dire si l'auteur a agi avec cruauté, il faut porter une appréciation sur le comportement qu'il a voulu, et non pas sur ce que la victime a ressenti en fonction de ses circonstances personnelles particulières (cf. ATF 119 IV 49 consid. 3d p. 52; arrêt 6P.197/2006 du 23 mars 2007 consid. 8).
La disposition réprimant le cas qualifié doit être interprétée de manière restrictive compte tenu notamment de l'importante augmentation du minimum légal de la peine pour l'infraction aggravée par rapport à celui prévu pour l'infraction simple. Cette interprétation restrictive implique que le cas qualifié ne soit retenu que si l'atteinte subie par la victime est nettement plus lourde que celle qui résulte de l'infraction simple. La menace, la violence et la contrainte font déjà partie des éléments constitutifs de l'infraction simple. La cruauté qu'implique l'infraction aggravée suppose que l'auteur ait excédé ce qui était nécessaire pour briser la résistance de la victime et donc pour parvenir à la réalisation de l'infraction simple, lui infligeant ainsi des souffrances physiques ou psychiques particulières. Le cas grave implique des souffrances qui ne sont pas la conséquence inévitable de la commission de l'infraction de base, mais que l'auteur a fait subir à sa victime par sadisme ou à tout le moins dans le dessein d'infliger des souffrances particulières ou encore par brutalité ou insensibilité à la douleur d'autrui. L'infraction qualifiée n'est pas seulement réalisée si l'auteur est un pervers ou un sadique, mais dès que celui-ci fait preuve d'une cruauté qui ne s'impose pas pour parvenir à consommer l'infraction de base (ATF 119 IV 49 consid. 3c et d, 224 consid. 3 p. 228 s. et les arrêts cités; arrêt 6P.197/2006 du 23 mars 2007 consid. 8).
Dans un arrêt non publié du 23 mars 2007, le Tribunal fédéral a retenu la circonstance aggravante de la cruauté dans un cas où un père avait façonné sa fille de manière à ce qu'elle devienne son objet sexuel et que la cruauté était donnée essentiellement parce qu'il avait brisé sa personnalité; l'auteur avait complètement sacrifié la jeunesse de sa fille et ses perspectives de développement personnel pour faire d'elle un objet lui permettant d'assouvir ses pulsions sexuelles; pendant de nombreuses années, il s'était servi d'elle à cette fin en lui faisant subir un nombre incalculable d'actes abjects (arrêt 6P.197/2006 du 23 mars 2007 consid. 8.2). Dans un arrêt plus ancien, datant du 5 avril 2001 (arrêt 6S.198/2001 consid. 2), le Tribunal fédéral a également admis qu'agissait avec cruauté celui qui imposait à sa fille de seize ans des relations sexuelles quotidiennes de diverses natures, jusqu'à trois fois par jour durant treize ans.
2.2.
2.2.1. La cour cantonale a retenu la circonstance aggravante dans les cas résumés sous considérants B.d et B.e, au motif que la répétition d'actes de contrainte sexuelle à l'encontre d'une enfant, victime objectivement particulièrement vulnérable, et la brutalité induite par le surdosage d'éther provoquant de forts vomissements et un état de mal-être persistant plusieurs heures relevaient de la cruauté (jugement attaqué p. 33 s.). En revanche, elle a abandonné cette circonstance aggravante dans les cas figurant aux considérants B.b et B.c. Le recourant fait valoir qu'il a toujours agi selon le même mode opératoire et que rien ne justifie de traiter différemment les deux derniers cas commis à l'encontre de sa fille d'avec les autres cas retenus contre lui. En raison de l'interdiction de la reformatio in pejus, la cour de céans se limitera à examiner si la circonstance aggravante de la cruauté est réalisée dans les cas résumés aux considérants B.d et B.e.
2.2.2. S'agissant des faits commis à deux reprises vers le milieu de l'année 2014 (consid. B.d), le recourant a administré à sa fille un somnifère et lui a appliqué de l'éther sur les voies respiratoires, sans en maîtriser le dosage, avant de la pénétrer vaginalement et d'éjaculer sur son ventre. Au terme de l'un des épisodes, l'enfant s'est réveillée et a été prise de vomissements. Ayant déjà commis de tels actes sur sa fille avec le même mode opératoire, il connaissait les effets néfastes que l'éther pouvait avoir sur elle. Il savait aussi que celle-ci avait abondamment saigné du vagin lors d'un précédent acte d'ordre sexuel. Malgré cela, il lui a fait subir de nouveaux actes sexuels et lui a administré une quantité d'éther encore plus importante que lors des fois précédentes, se montrant totalement insensible aux souffrances de sa fille (cf. jugement attaqué p. 32). Le 18 octobre 2015, le recourant a à nouveau administré à sa fille une quantité indéterminée d'éther, ce qui a entraîné des crises de vomissement (consid. B.e; cf. jugement attaqué, p. 33). Par son comportement, le recourant n'a pas hésité à mettre en danger la santé physique et psychologique de sa fille pour faire d'elle un objet lui permettant s'assouvir ses pulsions sexuelles. En admettant qu'un tel comportement relevait de la cruauté, la cour cantonale n'a pas violé le droit fédéral. Les griefs soulevés sont donc infondés.
3.
Le recourant critique la peine de douze ans qui lui a été infligée. Il fait valoir que l'abandon de la circonstance aggravante du viol et de la contrainte sexuelle pour les faits commis à l'encontre de C._ dans le courant du printemps 2014 (consid. B.b) et entre avril et juin 2014 (consid. B.c) et pour ceux commis à l'encontre des autres victimes aurait dû entrainer une réduction de la peine.
3.1. L'art. 47 CP prévoit que le juge fixe la peine d'après la culpabilité de l'auteur. Il prend en considération les antécédents et la situation personnelle de ce dernier ainsi que l'effet de la peine sur son avenir (al. 1). L'alinéa 2 de cette disposition énumère une série de critères à prendre en considération pour déterminer la culpabilité de l'auteur (ATF 136 IV 55 consid. 5.4 p. 59; 134 IV 17 consid. 2.1 p. 19 s. et les références citées).
Lorsque le prévenu est condamné pour plusieurs infractions en première instance, puis qu'il est acquitté de certains chefs de prévention en appel, sa faute est diminuée, ce qui doit entraîner en principe une réduction de la peine. La juridiction d'appel est toutefois libre de maintenir la peine infligée en première instance, mais elle doit motiver sa décision, par exemple en expliquant que les premiers juges auraient mal apprécié les faits en fixant une peine trop basse qu'il n'y aurait pas lieu de réduire encore (cf. art. 50 CP; ATF 117 IV 395 consid. 4 p. 397; 118 IV 18 consid. 1c/bb p. 21; arrêts 6B_1175/2017 du 11 avril 2018 consid. 2.3; 6B_976/2016 du 12 octobre 2017 consid. 3.3.2; 6B_335/2016 du 24 janvier 2017 consid. 3.3.1).
3.2. Usant de son plein pouvoir dévolutif (cf. art. 398 al. 2 CPP), la cour cantonale a procédé à sa propre évaluation de la culpabilité du recourant et des circonstances devant influencer la mesure de la sanction. Elle a qualifié la culpabilité du recourant d'une gravité extrême. A décharge, elle a pris en considération différents éléments (excuses et regrets, ainsi que, dans une certaine mesure, reconnaissance des actes; collaboration à l'enquête et aveux; bon comportement en détention; écoulement du temps). Compte tenu des différentes infractions entrant en concours, elle est parvenue à une peine théorique de 17 ans. Elle s'en est néanmoins tenue à une peine privative de liberté de douze ans en raison de la prohibition de la reformatio in pejus. C'est à tort que la cour cantonale a évoqué une peine maximale de quinze ans en raison de l'art. 49 al. 1 CP. En effet, la qualification de contrainte sexuelle et de viol avec cruauté (art. 189 al. 3 et 190 al. 3 CP) peut justifier à elle seule une peine de vingt ans (art. 40 CP; BERNARD CORBOZ, Les infractions en droit suisse, vol. I, 3e éd., 2010, n° 30 ad art. 189 CP). Cela étant, la motivation de la cour cantonale suffit à justifier que la peine prononcée en première instance demeure inchangée malgré l'abandon de la circonstance aggravante de la cruauté pour certains chefs d'accusation. Le grief soulevé doit ainsi être rejeté.
4.
Le recours doit ainsi être rejeté.
Comme ses conclusions étaient vouées à l'échec, l'assistance judiciaire ne peut être accordée (art. 64 al. 1 LTF). Le recourant devra donc supporter les frais judiciaires (art. 66 al. 1 LTF), dont le montant sera toutefois fixé en tenant compte de sa situation financière.
Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce :
1.
Le recours est rejeté.
2.
La demande d'assistance judiciaire est rejetée.
3.
Les frais judiciaires, arrêtés à 1'200 fr., sont mis à la charge du recourant.
4.
Le présent arrêt est communiqué aux parties et à la Cour d'appel pénale du Tribunal cantonal du canton de Vaud.
Lausanne, le 20 janvier 2020
Au nom de la Cour de droit pénal
du Tribunal fédéral suisse
Le Président : Denys
La Greffière : Kistler Vianin