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Couranalyse

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COURS 3
1 Analyse vectorielle
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
Gradient
Divergence
Rotationnel
Laplacien
Quelques propriétés
2 Calcul indiciel
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
Convention d’Einstein
Symbole de Kronecker
Symbole d’antisymétrie
Propriétés
Notations
Exercices
1
Analyse vectorielle
Rappel: Soit un point M en (x, y, z) et (rθ, ϕ). Soit un point M 0 proche du point M de
coordonnées cartésiennes [x + dx, y + dy, z + dz] et sphériques [r + dr, θ + dθ, ϕ + dϕ]. Alors
−−−→
que la projection de M M 0 sur ~ex , ~ey , ~ez sera respectivement [dx, dy, dz], les projections
dans les directions ~er , ~eθ , ~eϕ seront dr, rdθ, r sin θdϕ.
1.1
Gradient
Le gradient d’une fonction f est un vecteur.
En coordonnées cartésiennes, on a:
~ (x, y, z) = ∂f (x, y, z) ~ex + ∂f (x, y, z) ~ey + ∂f (x, y, z) ~ez
∇f
∂x
∂y
∂z
Pour exprimer le gradient dans la base sphérique, il faut prendre en compte les facteurs
d’échelle hr = 1, hθ = r et hϕ = r sin θ.
~ (r, θ, ϕ) = ∂f (r, θ, ϕ) ~er + ∂f (r, θ, ϕ) ~eθ + ∂f (r, θ, ϕ) ~eϕ
∇f
∂r
r∂θ
r sin θ∂ϕ
1.2
Divergence
~ est un scalaire:
La divergence d’un vecteur A
~ ·A
~ représente la divergence d’un champ de vecteur en un point P :
∇
RR
~ ndS
δS A · ~
~
~
∇ · A = lim
δV →0
δV
2
où δV est le volume limité par la surface δS.
~ à travers la surface ∆S. Si
Cela représente le flux, par unité de volume, du vecteur A
~ ·A
~ est positive dans le voisinage du point P cela signifie que le flux est positif en P , et
∇
~ ·A
~ est négative dans le voisinage du point P , le
P s’appelle une source. De même, si ∇
flux est un ”flux-rentrant”et P s’appelle un puits. Si, dans un domaine, il n’y a ni source
~ ·A
~ = O,
~ et le champ de vecteur A
~ est dit solénoidal.
ni puits, alors ∇
En coordonnées cartésiennes, on a:
~ ·A
~ = ∂Ax (x, y, z) + ∂Ay (x, y, z) + ∂Az (x, y, z)
∇
∂x
∂y
∂z
En coordonnées sphériques:
~ ·A
~=
∇
1 h ∂(hθ hϕ Ar ) ∂(hr hϕ Aθ ) ∂(hθ hr Aϕ ) i
+
+
hr hθ hϕ
∂r
∂θ
∂ϕ
~ ·A
~=
∇
1 h ∂(r 2 sin θAr ) ∂(r sin θAθ ) ∂(rAϕ ) i
+
+
r 2 sin θ
∂r
∂θ
∂ϕ
ou encore:
Théorème de divergence de Gauss (appelé aussi théorème d’Ostrogradski): si V est
~ est une fonction vectorielle possédant
un volume limité par une surface fermée S et si A
des dérivées continues alors:
Z Z Z
V
~ · Adv
~ =
∇
Z Z
~ · ~ndS
A
S
où ~n est la normale dirigée vers l’exterieur de S.
Exercice: calculer
1.3
RR
S
~r · ~ndS.
Rotationnel
~ est un vecteur. Il est lié aux propriétés de rotation
Le rotationnel d’un champ de vecteur A
~
du champ A.
En coordonnées cartésiennes, on a:

~ ×A
~=
∇
∂Az (x,y,z)
∂y
−


 ∂Ax (x,y,z)
+

∂z


 ∂Ay (x,y,z)
+
∂x
3
∂Ay (x,y,z)
∂z
−
∂Az (x,y,z)
∂x
−
∂Ax (x,y,z)
∂y










~ex ,~ey ,~ez
En coordonnées sphériques:

~ ×A
~=
∇
1.4









h
∂(hϕ Aϕ )
1
hθ hϕ
∂θ
−
∂(hθ Aθ )
∂ϕ
i


i

∂(hr Ar )
ϕ Aϕ ) 
1
− ∂(h∂r

hr hϕ
∂ϕ

i 
h

∂(hθ Aθ )
1
− ∂(hr Ar ) 
h
hθ hr
∂r
=
∂θ
h
∂(sin θAϕ )
1
r sin θ
∂θ


 1 h ∂(Ar )

 r sin θ ∂ϕ

 h
 1 ∂(rAθ )

−
r
~er ,~eθ ,~eϕ
∂r
−
∂(Aθ )
∂ϕ
i 

i
θAϕ ) 

− ∂(r sin

∂r


i

∂(Ar )

∂θ
~er ,~eθ ,~eϕ
Laplacien
La divergence du gradient d’une fonction scalaire f est appelé Laplacien.
En coordonnées cartésiennes on a:
2
2
2
~ · ∇f
~ = ∂ f (x, y, z) + ∂ f (x, y, z) + ∂ f (x, y, z)
∇
∂x2
∂y 2
∂z 2
En coordonnées sphériques:
~ · ∇f
~ =
∇
1 h ∂ hθ hϕ ∂f ∂ hr hϕ ∂f ∂ hθ hr ∂f i
+
+
hr hθ hϕ ∂r hr dr
∂θ hθ ∂θ
∂ϕ hϕ ∂ϕ
~ · ∇f
~ =
∇
∂f ∂ ∂f ∂ 1 ∂f i
1 h∂ 2
r
sin
θ
+
sin
θ
+
r 2 sin θ ∂r
dr
∂θ
∂θ
∂ϕ sin θ ∂ϕ
ou encore
1.5
Quelques propriétés
~ × (∇f
~ )=O
~
∇
~ · (∇
~ × A)
~ =0
∇
~ ·∇
~A
~ = ∇(
~ ∇
~ · A)
~ −∇
~ × (∇
~ × A)
~
∇
1.6
Exercice 1 : Rotation en bloc
Soit une Terre sphérique qui tourne autour de son axe ~ez avec la vitesse angulaire ω
~ . La
vitesse en tout point de la Terre s’écrira : ~v = ω
~ × ~r.
~ · ~v et ∇
~ × ~v .
Calculer en utilisant les coordonnées cartésiennes, puis sphériques, ∇
1.7
Exercice 2
Soit la fonction: f (x, y, z) = 3xz
~ ,∇
~ × ∇f
~ et ∇
~ · ∇f
~
Calculer ∇f
4
1.8
Exercice 3
Soit la fonction: f (r, θ, ϕ) = 3r 2 cos θ sin θ cos ϕ
~ ,∇
~ × ∇f
~ et ∇
~ · ∇f
~
Calculer ∇f
2
Calcul indiciel
Remarques préliminaires : on est dans un espace à 3 dimensions (x, y, z par exemple).
• Soit un vecteur ~v : on note ses composantes vi pour i = 1..3. ~v a donc 3 composantes.
• si on s’interesse au gradient de ce vecteur dans les 3 directions, on obtiendra aij =
∂vi
. La quantité aij pour i = 1..3, j = 1..3 aura 9 composantes:
∂xj

a11

 a21
a31
a12
a22
a32

a13
a23 

a33
• aijk pour i = 1..3, j = 1..3, k = 1..3 aura 27 composantes
2.1
Convention d’Einstein
Cj = ai bij =
X
ai bij
i
ai bij aura 3 composantes. En effet, i est repété ⇒ on somme sur i.
Remarque: ai bij = ak bkj : c’est un indice muet (car indice de sommation).
2.2
Symbole de Kronecker
δij =
1 si i = j
0 si i 6= j
Par exemple:
δij xi xj = x21 + x22 + x23
2.3
Symbole d’antisymétrie



Exemple: 123
1
si permutation circulaire
ijk = −1 si non permutation circulaire


0
si 2 indices egaux au moins
= 1;
213 = −1;
112 = 0
~B
~ et A
~ × B.
~
Exercice: A = (ai ); B = (bi ).
Calculer A.
~B
~ = a i bi
• A.
~ × B)
~ i = ijk aj bk
• (A
i − > i ieme composante.
5
2.4
Propriétés
• ijk lmn = δil δjm δkn + δim δjn δkl + δin δjl δkm − δin δjm δkl − δim δjl δkn − δil δjn δkm
• ijk imn = δjm δkn − δjn δkm
• ijk ijn = 2δkn
• ijk ijk = 6
~ × (Y
~ × Z).
~
Exercice: Calculer X
~ = Y~ × Z
~
Posons V
⇒
Vk = klm Yl Zm .
~ × (Y
~ × Z)]
~ i
[X
On a donc:
2.5
=
=
=
=
=
ijk Xj Vk
ijk Xj klm Yl Zm
(δil δjm − δim δjl )Xj Yl Zm
δil Xj Yl Zj − δim Xj Yj Zm
X j Z j Yi − X j Yj Z i
~ × (Y
~ × Z)
~ = (X
~ · Z)
~ Y
~ − (X
~ ·Y
~ )Z
~
X
Notations
En coordonnées cartésiennes, on notera:
∂a
= ∂i a = a,i
∂xi
∂aj
•
= ∂i aj = aj,i
∂xi
•
• ∂i ∂j a = a,ij
•
•
~
∇ϕ
~ u
∇.~
→
→
~ × ~u
• ~v = ∇
∂i ϕ = ϕ,i .
∂i ui = ui,i .
→
2.6
Exercices
2.6.1
Exercice 1
1
vi = ijk ∂j uk = ijk (∂j uk − ∂k uj )
2
Calculer, en coordonnées cartésiennes, puis en coordonnées sphériques et enfin en utilisant
~ × (∇ϕ)
~
des notations indicielles le vecteur ∇
6
2.7
Exercice 2
En utilisant les notations indicielles, retrouver les propriétés suivantes:
~ × (∇ϕ)
~
~
• ∇
=O
~ · (∇
~ × ~u) = O
~
• ∇
~ · (ϕΨ) = ϕ∇Ψ
~ + Ψ∇ϕ
~
• ∇
~ · (ϕA)
~ =A
~ · ∇ϕ
~ + ϕ∇
~ ·A
~
• ∇
~ × (ϕA)
~ = ϕ∇
~ ×A
~−A
~ × ∇ϕ
~
• ∇
~ · (A
~ × B)
~ = −A
~ · (∇
~ × B)
~ +B
~ · (∇
~ × A)
~
• ∇
~ × (∇
~ × A)
~ = ∇(
~ ∇
~ · A)
~ − ∆A
~
• ∇
~ × (ϕ∇Ψ)
~
~ × ∇Ψ
~
• ∇
= ∇ϕ
~ × (A
~ × B)
~ = A(
~ ∇
~ · B)
~ + (B
~ · ∇)
~ A
~ − (A
~ · ∇)
~ B
~ − B(
~ ∇
~ · A)
~
• ∇
7
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