MTH1102D Calcul II Devoir 9 - Flux de Champs Vectoriels

Telechargé par Nelson Lekem
Polytechnique Montréal
Département de Mathématiques et de Génie
Industriel
MTH1102D - Calcul II
Automne 2025
Devoir 9
Nom : Lekem Nguemte Prénom : Nelson
Matricule : 2238142 Groupe : 1
Question Autres
corrigée questions Total
/10
2
Question 1
Soit Sla surface fermée formant la frontière de la région bornée par le paraboloïde
z= 255x25y2et le plan z= 0. On calcule le flux du champ vectoriel
F(x, y, z) =
yz
ixz
j+ (5 + z2)
kà travers S.
1. Décomposition de la surface
La surface fermée Sest composée de deux parties :
S1:z= 25 5x25y2, S2:z= 0, x2+y25.
Le flux total est donc :
Φ =
S
F·d
S=
S1
F·d
S+
S2
F·d
S.
2. Flux à travers le paraboloïde S1
a) Paramétrisation et vecteur normal On paramétrise S1en coordonnées po-
laires :
R(r, θ) = rcos θ
i+rsin θ
j+ (25 5r2)
k, 0r5,0θ2π
(paramétrisation du paraboloïde en coordonnées polaires).
Les vecteurs tangents sont :
Rr=
R
r = (cos θ, sin θ, 10r),
Rθ=
R
θ = (rsin θ, r cos θ, 0).
Le vecteur normal est obtenu par le produit vectoriel :
n =
Rr×
Rθ=
i
j
k
cos θsin θ10r
rsin θ r cos θ0
= (10r2cos θ)
i+ (10r2sin θ)
j+r
k.
3
(Le signe de la composante
kest positif, donc n pointe vers l’extérieur.)
b) Produit scalaire
F·n On écrit
Fsur S1:
F= (yz)
i+ (xz)
j+ (5 + z2)
k.
Ainsi :
F·n = (yz)(nx)
| {z }
P nx
+ (xz)(ny)
| {z }
Qny
+ (5 + z2)(nz)
| {z }
Rnz
.
Termes P nxet Qny:
P nx= (rsin θ)(25 5r2)(10r2cos θ), Qny= (rcos θ)(25 5r2)(10r2sin θ),
Ces deux termes sont opposés et s’annulent mutuellement (les termes en sin θcos θ
s’annulent par symétrie).
Terme Rnz:
Rnz= (5 + z2)r= [5 + (25 5r2)2]r=r(25r4250r2+ 630).
Ainsi :
F·n = 25r5250r3+ 630r.
c) Intégrale sur S1
Φ1=
S1
F·d
S=
2π
0
5
0
(25r5250r3+ 630r)dr dθ.
Comme l’intégrande ne dépend pas de θ:
Φ1= 2π
5
0
(25r5250r3+ 630r)dr (intégrande indépendant de θ).
4
Intégrons terme à terme :
(25r5250r3+ 630r)dr =25r6
6250r4
4+630r2
2.
En r=5, on a r2= 5,r4= 25,r6= 125 :
Φ1= 2π 25(125)
6250(25)
4+630(5)
2!.
Φ1= 2π3125 9375 + 9450
6= 2π1600
3=3200π
3.
3. Flux à travers la base S2
La base S2est le disque x2+y25dans le plan z= 0. Le vecteur normal sortant
est vers le bas :
n =
k(orientation vers l’extérieur).
Sur S2, on a z= 0, donc
F(x, y, 0) = y(0)
ix(0)
j+ (5 + 02)
k= 5
k.
Le produit scalaire est :
F·n = (5
k)·(
k) = 5.
Ainsi :
Φ2=
S2
F·d
S=5
R
dA =5(π(5)2) = 25π.
4. Flux total
Φtotal = Φ1+ Φ2=3200π
325π=3200π75π
3=3125π
3.
5
Question 2
Soit Hla partie de l’hyperboloïde d’équation x2+y2z2= 1 située entre les plans
z=2et z= 2. On considère le champ vectoriel
F(x, y, z) = 2y
i+ 2x
j+ 3z3
k.
a) Montrer la paramétrisation de H
On propose la paramétrisation suivante :
R(u, v) = 1 + v2cos u
i+1 + v2sin u
j+v
k, 0u2π, 2v2.
On vérifie que cette paramétrisation satisfait bien l’équation de l’hyperboloïde :
x2+y2z2= (1 + v2cos u)2+ (1 + v2sin u)2v2.
En simplifiant :
x2+y2z2= (1 + v2)(cos2u+ sin2u)v2= 1.
(L’égalité cos2u+ sin2u= 1 justifie la simplification.) Ainsi,
R(u, v)décrit bien
la surface Hpour z=v[2,2].
b) Calcul du flux du champ
Fà travers H
Le flux est donné par :
Φ =
H
F·d
S=
2
v=2
2π
u=0
F(
R(u, v)) ·(
Ru×
Rv)du dv.
1. Calcul du vecteur normal
N=
Ru×
Rv
On détermine les dérivées partielles :
Ru=
R
u = (1 + v2sin u)
i+ (1 + v2cos u)
j+ 0
k,
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