Outils Mathématiques 4

Documents pareils
Théorème de Poincaré - Formule de Green-Riemann

Intégrales doubles et triples - M

Calcul intégral élémentaire en plusieurs variables

Fonctions de plusieurs variables. Sébastien Tordeux

Correction de l épreuve CCP 2001 PSI Maths 2 PREMIÈRE PARTIE ) (

Chapitre 2 Le problème de l unicité des solutions

Synthèse de cours (Terminale S) Calcul intégral

Tout ce qu il faut savoir en math

CHAPITRE 10. Jacobien, changement de coordonnées.

8.1 Généralités sur les fonctions de plusieurs variables réelles. f : R 2 R (x, y) 1 x 2 y 2

Fonctions de plusieurs variables, intégrales multiples, et intégrales dépendant d un paramètre

Chapitre 11 : L inductance

LICENCE DE MATHÉMATIQUES DEUXIÈME ANNÉE. Unité d enseignement LCMA 4U11 ANALYSE 3. Françoise GEANDIER

Différentiabilité ; Fonctions de plusieurs variables réelles

Calcul des intégrales multiples. Abdesselam BOUARICH Université Sultan Moulay Slimane Faculté des sciences de Beni Mellal

ANALYSE NUMERIQUE NON-LINEAIRE

Fonctions de plusieurs variables

Cours d Analyse. Fonctions de plusieurs variables

Cours d Analyse IV Suites et Séries de fonctions

Exercices - Fonctions de plusieurs variables : corrigé. Pour commencer

Repérage d un point - Vitesse et

Chapitre VI Contraintes holonomiques

OM 1 Outils mathématiques : fonction de plusieurs variables

Licence M.A.S.S. Cours d Analyse S4

semestre 3 des Licences MISM annnée universitaire

Université Paris-Dauphine DUMI2E. UFR Mathématiques de la décision. Notes de cours. Analyse 2. Filippo SANTAMBROGIO

Notes du cours MTH1101 Calcul I Partie II: fonctions de plusieurs variables

Chapitre 1 : Fonctions analytiques - introduction

F411 - Courbes Paramétrées, Polaires

ANALYSE : FONCTIONS D UNE VARIABLE RÉELLE

COURS D ANALYSE. Licence d Informatique, première. Laurent Michel

Baccalauréat S Asie 19 juin 2014 Corrigé

Michel Henry Nicolas Delorme

Equations différentielles linéaires à coefficients constants

STI2D Logique binaire SIN. L' Algèbre de BOOLE

MATHEMATIQUES APPLIQUEES Equations aux dérivées partielles Cours et exercices corrigés

Séquence 8. Probabilité : lois à densité. Sommaire

Théorèmes du Point Fixe et Applications aux Equations Diérentielles

Techniques d analyse de circuits

Notes du cours MTH1101N Calcul I Partie II: fonctions de plusieurs variables

Oscillations libres des systèmes à deux degrés de liberté

Planche n o 22. Fonctions de plusieurs variables. Corrigé

Chapitre 7 : Intégration sur un intervalle quelconque

Méthodes de quadrature. Polytech Paris-UPMC. - p. 1/48

Commun à tous les candidats

Cours Fonctions de deux variables

FONCTIONS DE PLUSIEURS VARIABLES (Outils Mathématiques 4)

Continuité d une fonction de plusieurs variables

I. Polynômes de Tchebychev

Théorème du point fixe - Théorème de l inversion locale

Développements limités, équivalents et calculs de limites

Introduction. aux équations différentielles. et aux dérivées partielles

Partie 1 - Séquence 3 Original d une fonction

ce n est pas un livre auto-suffisant (il est loin d être exhaustif )!

Fonctions de plusieurs variables et applications pour l ingénieur

Magister en : Génie Mécanique

Université Paris-Dauphine DUMI2E 1ère année, Applications

Chapitre 2 Le problème de l unicité des solutions

Calcul fonctionnel holomorphe dans les algèbres de Banach

Produits d espaces mesurés

LANGAGES - GRAMMAIRES - AUTOMATES

Cours de Mécanique du point matériel

Les travaux doivent être remis sous forme papier.

Espérance conditionnelle

AUTOUR D UN MÉMOIRE INÉDIT : LA CONTRIBUTION D HERMITE AU DÉVELOPPEMENT DE LA THÉORIE DES FONCTIONS ELLIPTIQUES. Bruno BELHOSTE (*)

NOMBRES COMPLEXES. Exercice 1 :

Développements limités. Notion de développement limité

Intégrale et primitives

PHY2723 Hiver Champs magnétiques statiques. Notes partielles accompagnant le cours.

CHAPITRE IV Oscillations libres des systèmes à plusieurs degrés de liberté

Amphi 3: Espaces complets - Applications linéaires continues

Influence du milieu d étude sur l activité (suite) Inhibition et activation

* très facile ** facile *** difficulté moyenne **** difficile ***** très difficile I : Incontournable

Chapitre 0 Introduction à la cinématique

Exercices et corrigés Mathématique générale Version β

Chapitre VI Fonctions de plusieurs variables

Mathématiques I Section Architecture, EPFL

Analyse et Commande des Systèmes Non Linéaires

Chafa Azzedine - Faculté de Physique U.S.T.H.B 1

Licence de Mathématiques 3

CNAM UE MVA 210 Ph. Durand Algèbre et analyse tensorielle Cours 4: Calcul dierentiel 2

Continuité et dérivabilité d une fonction

Simulation de variables aléatoires

Exercice autour de densité, fonction de répatition, espérance et variance de variables quelconques.

Cours d Analyse 3 Fonctions de plusieurs variables

FIG. 1 Module de stockage en position horizontale ; positionnement des jauges de déformation.

Fonctions de plusieurs variables

Quelques contrôle de Première S

Notes de révision : Automates et langages

Comparaison de fonctions Développements limités. Chapitre 10

Image d un intervalle par une fonction continue

Partie 4 : La monnaie et l'inflation

Dérivation : cours. Dérivation dans R

Turbine hydraulique Girard simplifiée pour faibles et très faibles puissances

Angles orientés et fonctions circulaires ( En première S )

* très facile ** facile *** difficulté moyenne **** difficile ***** très difficile I : Incontournable T : pour travailler et mémoriser le cours.

Fonctions de plusieurs variables et changements de variables

/HVV\VWqPHVFRPELQDWRLUHV

3 Approximation de solutions d équations

Fonctions Analytiques

Transcription:

Université de Rennes1 Année 5/6 1 Courbes prmétrées Outils Mthémtiques 4 Intégrtion résumé éfinition 1.1 Une courbe plne est un ensemble de couples (f(t), g(t)) où f et g sont des fonctions continues sur un intervlle I. Si I = [, b] est un intervlle fermé, le point M() = (f(), g()) est l origine et M(b) = (f(b), g(b)) est l extrémité de l courbe. éfinition 1. 1. On dit que l courbe est de clsse C 1, si f (t) et g (t) sont continues.. On dit que l courbe est de clsse C 1 pr morceux si on peut l écrire comme réunion finie de courbes C 1,...,C k telles que l origine de C i+1 est l extrémité de C i. 3. On dit que l courbe est fermée si ses extrémités sont confondues i.e. (f(), g()) = (f(b), g(b)). 4. On dit que l courbe est simple si elle n ps de points doubles i.e. pour tout t 1 ], b[ et t ], b[, t 1 t on (f(t 1 ), g(t 1 )) (f(t ), g(t )). courbe C 1 pr morceux courbe fermée et simple courbe non fermée et non simple éfinition 1.3 Soit une courbe constituée de tous les couples de points (f(t), g(t)) où f et g sont des fonctions continues sur un intervlle I. Les équtions { x = f(t) y = g(t) pour t I sont des équtions prmétriques de. On dit que ces formules constituent une représenttion prmétrique de courbe. éfinition 1.4 L orienttion de l courbe prmétrée, est l direction correspondnt à l croissnce du prmètre. ns l espce, une courbe peut être définie pr l donnée de trois fonctions d un même prmètre x = f(t), y = g(t), t I z = h(t), On dit dns ce cs que est une courbe guche ou non plne. 1.1 Longueur d un rc de courbe Soit une courbe de représenttion prmétrique { x = f(t) y = g(t) pour t [, b]. On suppose que f et g sont de clsse C 1. Soient M(t 1 ) et M(t ) deux points de l courbes correspondnt ux vleurs t 1 et t du prmètre ( t 1 < t b).

éfinition 1.5 L longueur de l rc d extrémités M(t 1 ) et M(t ) est le réel positif t ( ) ( ) t + dt = (f(t) ) t t + (g(t) ) dt t 1 t 1 L longueur de l courbe est le réel positif L défini pr ( ) ( ) b L = + dt = (f(t) ) t t + (g(t) ) dt ns le cs d une courbe guche de représenttion prmétrique x = f(t), y = g(t), t [, b] z = h(t), l longueur de l courbe est le réel positif L défini pr ( ) ( ) ( ) z L = + + dt = t t t Intégrles curvilignes.1 Intégrles curvilignes d une forme différentielle (f(t) ) + (g(t) ) + (h(t) ) dt éfinition.1 l intégrle { curviligne d une forme différentielle ω = P(x, y)dx + Q(x, y)dy le long de l courbe de représenttion prmétrique t [, b], est : x = x(t) y = y(t) ω = (P(x(t), y(t))x (t) + Q(x(t), y(t))y (t))dt Proposition. L intégrle curviligne d une forme différentielle le long d une courbe ne dépend que de l orienttion, ps du choix de l prmétristion. Proposition.3 L intégrle curviligne d une forme différentielle excte ( ou totle) ω = df ne dépend que des extrémités A = (x(), y()) et B = (x(b), y(b)) de l courbe : ω = df = En prticulier, si est une courbe fermée lors, éfinition.4 (Propriétés des intégrles curvilignes). ( f (x(t), y(t))x (t) + f ) (x(t), y(t))y (t) dt = f(b) f(a) ω = df =. 1. Si on note pr l courbe prcourue dns le sens inverse, lors : ω = ω. Soient ω 1 et ω deux formes différentielles, lors ω 1 + ω = ω 1 + ω 3. Soit P un point de l courbe, à prtir de P on décompose en deux courbes d extrémités P, notons les 1 et, lors : = 1 et ω = 1 ω = 1 ω + ω. A = 1 B 1 P

Théorème.5 Soit un disque du pln. Les conditions suivntes sont équivlentes : 1. l forme différentielle ω = P(x, y)dx + Q(x, y)dy est excte.. ω = df = pour toute courbe fermée 3. L forme différentielle ω = P(x, y)dx + Q(x, y)dy est fermée i.e. P = Q.. Circultion (ou trvil) d un chmp de vecteurs { x = x(t) éfinition.6 Soit une courbe représenttion prmétrique t [, b]. y = y(t) On note pr r(t) = x(t) i + y(t) j le vecteur position M(t) du point M(t) = (x(t), y(t)). On ppelle vecteur vitesse le vecteur r (t) = x (t) i + y (t) j. éfinition.7 Soit F(x, y) = P(x, y) i + Q(x, y) j un chmp de vecteurs continu. L circultion (ou trvil) de F(x, y) le long de l courbe est égle à : ici. est le produit sclire usuel. F(x(t), y(t)).r (t)dt A chque chmp de vecteurs F(x, y) = P(x, y) i + Q(x, y) j correspond une forme différentielle (de degré 1) ω = P(x, y)dx + Q(x, y)dy, de sorte que l intégrle curviligne de ω correspond à l circultion de F et différentielle excte à grdient. Corollire.8 L circultion d un chmp de vecteurs le long d une courbe ne dépend que de l orienttion ps du prmétrge. Corollire.9 L circultion d un chmp de grdients F = f ne dépend que des extrémités A = (x(), y()) et B = (x(b), y(b)) de l courbe : l circultion de F le long de = f(b) f(a) En prticulier, si est une courbe fermée, l circultion de F = f le long de est nulle. Remrque.1 Autrement dit, l circultion d un chmp qui dérive d un potentiel (i.e. un chmp grdient) ne dépend que de l étt initil et de l étt finl et ps du chemin choisi. Lorsqu un point mtériel se déplce dns un potentiel, le trvil fourni pr l force est égl à l vrition de l énergie potentiel entre l étt finl et l étt initil. Théorème.11 Soit un disque du pln. Les conditions suivntes sont équivlentes : 1. le chmp de vecteurs F(x, y) = P(x, y) i + Q(x, y) j est un chmp de grdient.. L circultion de F = f le long de toute courbe fermée, est nulle. 3. rotf = P i.e. = Q 3 Intégrles doubles éfinition 3.1 Un compct élémentire est un domine du pln de l une des formes suivntes : 1. x = (x, y) R x b ; où ϕ 1 et ϕ sont des fonctions continues. ϕ 1 (x) y ϕ (x). y = (x, y) R c y d ; où ψ 1 et ψ sont des fonctions continues. ψ 1 (y) x ψ (y) 3. P = [, b] [c, d], dns ce cs on dit ussi que c est un pvé de R Propriétés des intégrles doubles : 1. cf(x, y)dxdy = c f(x, y)dxdy pour tout réel c.. [f(x, y) + g(x, y)] dxdy = f(x, y)dxdy + g(x, y)dxdy 3. Si = 1 et l ire de 1 est nulle, lors f(x, y)dxdy = 1 f(x, y)dxdy + f(x, y)dxdy 4. Si f(x, y) pour tout (x, y) lors f(x, y)dxdy.

3.1 Clcul d intégrles doubles à l ide d intégrles simples Théorème 3. (Théorème de FUBINI) Soit un compct élémentire du pln et f(x, y) une fonction continue sur. 1. si est du type x lors f(x, y)dxdy = ϕ 1(x) ( ) ϕ(x) f(x, y)dy dx. si est du type y lors f(x, y)dxdy = d c ψ 1(y) ( ) ψ(y) f(x, y)dx dy 3. si = [, b] [c, d] lors f(x, y)dxdy = ( ) d f(x, y)dy dx = Remrque 3.3 Clcul d ire L ire de est l intégrle double sur de l fonction constnte 1 : c d c ( ) b f(x, y)dx dy Aire de = dxdy (1) 3. Clcul d intégrles doubles à l ide d un chngement de vribles Supposons que x, et y soient des fonctions des deux vribles u et v telles que les formules : x = x(u, v) y = y(u, v) définissent un chngement de vribles c est à dire une trnsformtion qui à un point m de coordonnées u et v ssocie le point M de coordonnées x et y. Nous ppellerons Jcobien du chngement de vribles le déterminnt : (x, y) (u, v) = = Alors, si le domine est trnsformé pr ce chngement de vribles en on obtient l formule suivnte : f(x, y)dxdy = f(x(u, v), y(u, v)) (x, y) (u, v) dudv 3.3 Applictions : 1. Msse d une plque L msse d une plque homogène, de msse surfcique ρ et d ire A est M = Aρ. ns le cs non homogène, ρ est une fonction de x et y définie sur le domine qui correspond à l plque. lors l msse est : M = ρ(x, y)dxdy. Centre de grvité d une plque le centre de grvité G de l plque à le point de coordonnées x G = 1 M xρ(x, y)dxdy et y G = 1 M yρ(x, y)dxdy 3. Le moment d inertie d une plque pr rpport à un point le moment d inertie I de l plque pr rpport à l origine est l intégrle : I = (x + y )ρ(x, y)dxdy 4 Formule de Green-Riemnn On vu que si ω est une forme différentielle excte lors, pour toute courbe fermée, ω =. En générl, l intégrle d une forme différentielle le long d une courbe fermée qui borde un domine s écrit comme une intégrle double sur le domine. éfinition 4.1 Si est un domine du pln, dont le bord est formé d un nombre k de courbes fermées C 1,...,C k, on oriente son bord suivnt l convention de l mtière à guche : lorsque l on prcourt n importe qu elle courbe C i du bord on doit voir le domine sur s guche. On dit que le bord est orienté dns le sens direct.

Théorème 4. Soit ω = P(x, y)dx + Q(x, y)dy une forme différentielle de clsse C 1 définie sur un domine fermé. Soit C une courbe fermée simple qui entoure le domine. On suppose que C est orientée dns le sens direct. Alors ( Q ω = P ) dxdy (Formule de Green-Riemnn) C Appliction u clcul d ires : On peut ppliquer l formule de Green-Riemnn dns le cs où ω = ydx + xdy on obtient lors C ydx + xdy = dxdy d où Aire() = 1 ydx + xdy () Exemple 4.3 L ellipse d éqution x + y b = 1 pour éqution prmétrique x = cos(t), y = b sin(t) vec t [, π] Alors, l ire A de l ellipse est égle à : A = 1 5 Intégrles triples C ydx + xdy = 1 π C ( b cos (t) + b sin (t) ) dt = b π dt = bπ. éfinition 5.1 Un compct élémentire est un sous ensemble de l espce de l une des formes suivntes : 1. (x,y) = (x, y, z) R 3 ; (x, y) ϕ 1 (x, y) z ϕ (x, y) où ψ 1 et ψ sont des fonctions continues.. z = (x, y, z) R 3 ; (x, y) (z) z b où (z ) est l intersection de vec le pln {z = z. 3. P = [, b] [c, d] [e, f], dns ce cs on dit ussi que c est un pvé de R 3 5.1 Clcul d intégrles triples à l ide d intégrles doubles et simples Théorème 5. (Théorème de FUBINI) Soit un compct élémentire de l espce et f(x, y, z) une fonction continue sur. 1. si est du type (x,y) lors (est ppelé intégrtion pr piles ). si est du type z lors (est ppelé intégrtion pr trnches ) f(x, y, z)dxdydz = f(x, y, z)dxdydz = ( ) ϕ(x,y) f(x, y, z)dz dydx ϕ 1(x,y) ( ) f(x, y, z)dydx dz (z)

3. si = [, b] [c, d] [e, f] lors f(x, y, z)dxdy = ( b ( d ) f c e )dy f(x, y, z)dz = ( f ( b ) d e c )dx f(x, y, z)dy dz =... dx = d c Remrque 5.3 Clcul de volume Le volume de est l intégrle triple sur de l fonction constnte 1 : ( ( b ) f e )dx f(x, y, z)dz dy Volume de = dxdydz (3) 5. Clcul d intégrles triples à l ide d un chngement de vribles Supposons que x, y et z soient des fonctions des vribles u v et w telles que les formules : x = x(u, v, w) y = y(u, v, w) z = z(u, v, w) définissent un chngement de vribles c est à dire une trnsformtion qui à un point m de coordonnées u v et w ssocie le point M de coordonnées x y et z. Nous ppellerons Jcobien du chngement de vribles le déterminnt : (u, v, w) = Alors, si le domine est trnsformé pr ce chngement de vribles en on obtient l formule suivnte : f(x, y, z)dxdydz = f(x(u, v, w), y(u, v, w), z(u, v, w)) (u, v, w) dudvdw Coordonnées cylindriques z z w w z w x = r cos(θ) y = r sin(θ) z = z vec r = x + y, θ π. Alors, (r, θ, z) = cos(θ) r sin(θ) sin(θ) r cos(θ) 1 = r Exemple 5.4 : Le volume V de l prtie du cylindre d éqution x + y x, ( > ) comprise entre le pln xy et le pln d éqution z = 1, s obtient grâce à l formule de chngement de vribles : est trnsformée pr les coordonnées cylindriques en = {(r, θ, z); θ π; r cosθ, z 1, lors V = dxdydz = r dθdrdz = π Coordonnées sphériques cos θ r drdθ 1 dz = π (cos θ) dθ = x = r cos(θ)cos(ϕ) y = r sin(θ)cos(ϕ) z = r sin(ϕ) vec r = x + y + z, θ π et π ϕ π. Alors, (r, θ, ϕ) = cos(θ) cos(ϕ) r sin(θ) cos(ϕ) r cos(θ) sin(ϕ) sin(θ) cos(ϕ) r cos(θ) cos(ϕ) r sin(θ) sin(ϕ) sin(ϕ) r cos(ϕ) = r cos(ϕ) π 1+cos(θ) dθ = π. Exemple 5.5 Le volume V de l boule B de centre (,, ) et de ryon R s obtient grâce à l formule de chngement de vribles : V = B dxdydz = π π R π r cos(ϕ) dθdϕdr = π π R π r cos(ϕ)dθdϕdr = π dθ π dϕ R π r dr = 4πR3 3.