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Algèbre

CALCUL ALGÉBRIQUE | ALGÈBRE ENSEMBLISTE | CALCUL DIFFÉRENTIEL ET INTÉGRAL
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CALCUL SPINORIEL

12. CALCUL VECTORIEL

Dernière mise à jour de ce chapitre: 2017-08-06 17:22:40 | {oUUID 1.689}
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Table des matières LISTE DES SUJETS TRAITÉS SUR CETTE PAGE

Le calcul vectoriel ou "analyse vectorielle" est une branche des mathématiques qui étudie les champs de scalaires et de vecteurs suffisamment réguliers des espaces euclidiens (voir définition plus loin).

L'importance du calcul vectoriel provient de son utilisation intensive en physique et dans les sciences de l'ingénieur. C'est de ce point de vue que nous le présenterons, et c'est pourquoi nous nous limiterons le plus souvent au cas de l'espace usuel à trois dimensions. Dans ce cadre, un champ de vecteurs associe à chaque point de l'espace un vecteur (à trois composantes réelles), tandis qu'un champ de scalaires y associe un réel.

Remarque:Imaginons par exemple l'eau d'un lac. La donnée de sa température en chaque point forme un champ de scalaires, celle de sa vitesse en chaque point, un champ de vecteurs (voir définition plus loin).

Des notions physiques telles que la force ou la vitesse sont caractérisées par une direction, un sens et une intensité. Ce triple caractère est mis en évidence par les flèches. Celles-ci sont à l'origine de la notion de vecteur et en constituent l'exemple le plus suggestif. Bien que leur nature soit essentiellement géométrique, c'est leur aptitude à se lier les unes aux autres, donc leur comportement algébrique, qui retiendra principalement notre attention. Partagé en classes d'équivalence l'ensemble qu'elles forment représente le modèle classique d'un "espace vectoriel". Un de nos premiers objectifs est la description détaillée de ce modèle.

Remarques:

R1. Avant de lire ce qui va suivre, nous conseillons au lecteur d'avoir au moins parcouru en diagonale le chapitre traitant de la théorie des ensembles dans la section d'arithmétique. Nous y définissons ce qu'est un "espace vectoriel" en utilisant les outils de la théorie des ensembles. Ce concept bien que non absolument indispensable vaut la peine quand même de s'y attarder pour voir comment deux domaines des mathématiques s'imbriquent et aussi histoire... d'aborder les choses au moins un peu rigoureusement.

R2. L'analyse vectorielle contient beaucoup de termes et de définitions qu'il faut apprendre par coeur. Ce travail est pénible mais malheureusement nécessaire.

NOTION DE FLÈCHE

Nous désignerons par U l'espace ordinaire de la géométrie élémentaire et par P, Q, ... ses points. Nous appellerons "flèche" tout segment de droite orienté (dans l'espace). 

La flèche d'origine P et d'extrémité Q sera notée equation ou abrégée par une lettre unique (latine ou grecque) choisie arbitrairement telle que par exemple: equation

Remarque: Dans la norme ISO 80000-2:2009 il est autorisé de représenter les vecteurs par une lettre en gras.

Nous considérerons comme évident que toute flèche est caractérisée par sa direction, son sens (car pour une direction donnée elle peut pointer dans deux sens), son intensité ou grandeur (longueur) et ainsi que son origine.

ENSEMBLE DES VECTEURS

Définitions:

D1. Nous disons que deux flèches sont "équivalentes" si elles ont la même direction, le même sens et la même intensité. 

D2. Nous disons que deux flèches sont "colinéaires" si elles ont seulement la même direction.

Partageons l'ensemble des flèches en classes d'équivalence: deux flèches appartiennent à une même classe si et seulement si elles sont équivalentes. 

D3. Chaque classe d'équivalence de flèches constitue un "vecteur" ou plus exactement un "vecteur libre" car son origine n'est pas prise en compte (dans le cas où son origine est bien définie, nous avons alors un "vecteur lié").

Rangeons, en outre, les flèches dégénérées (c'est-à-dire de la forme equation) en une classe distinguée que nous appellerons "vecteur nul" et noterons equation qui ont une direction et un sens non définis... et d'intensité nulle.

L'ensemble des vecteurs sera lui désigné par V. Il faut souligner que les éléments de V sont des classes de flèches et non pas des flèches individuelles. Il est cependant clair qu'une flèche quelconque suffit à déterminer la classe à laquelle elle appartient et il est donc naturel de l'appeler "représentant de la classe" du vecteur.

Traçons le représentant d'un vecteur equation à partir de l'extrémité d'un représentant d'un vecteur equation . La flèche dont l'origine est celle du représentant de equation et l'extrémité celle du représentant de equation détermine un vecteur que nous noterons equation. L'opération qui associe à tout couple de vecteurs leur somme s'appelle "addition vectorielle".

equation
Figure: 12.1 - Exemple d'une somme de deux vecteurs

A l'aide d'une figure, il est facile de montrer que l'opération d'addition vectorielle est associative et commutative, autrement dit, que:

equation   (12.1)

et:

equation   (12.2)

Il est en outre évident que le vecteur nul equationest l'élément neutre de l'addition vectorielle, autrement dit, que:

equation et equation   (12.3)

equation désigne le vecteur opposé de equation, c'est-à-dire le vecteur dont les représentants ont la même direction et la même intensité que ceux de equation, mais le sens opposé. Deux vecteurs dont la somme est nulle sont alors appelés "vecteurs opposés" puisque la seule chose qui les différencie est leur sens...

Il s'ensuit aussi que si deux ou plusieurs vecteurs ont la même direction, la même intensité et le même sens alors ce sont des "vecteur égaux".

L'opération inverse de l'addition vectorielle est la soustraction vectorielle. Soustraire un vecteur revient à additionner le vecteur opposé.

Remarques:

R1. L'addition s'étend, par récurrence, au cas d'une famille finie quelconque de vecteurs. En vertu de l'associativité, ces additions successives peuvent être effectuées dans n'importe quel ordre, ce qui justifie l'écriture sans parenthèses.

R2. La multiplication entre deux vecteurs est un concept qui n'existe pas. Par contre, comme nous le verrons un peu plus loin, nous pouvons multiplier les vecteurs par certaines propriétés d'autres vecteurs que nous appelons la "norme" et encore d'autres petites choses...

PSEUDO-VECTEURS

En physique, lors de l'énoncé de ce que nous appelons le "principe de Curie", les physiciens font mention de ce qu'ils appellent des "pseudo-vecteurs". Il s'agit du vocabulaire simple pour parler de quelque chose de tout aussi trivial mais fondamentalement peu de gens en font vraiment usage. Mais il peut quand même être utile de présenter de quoi il s'agit.

Au fait, vecteurs et pseudo-vecteurs se transforment de la même manière dans une rotation ou une translation (nous verrons plus tard dans ce chapitre comment effectuer mathématiquement ces transformations). Il n'en est pas de même dans la symétrie par rapport à un plan ou à un point. Dans ces transformations nous avons par définition les propriétés suivantes:

P1. Un vecteur est transformé en son symétrique.

P2. Un pseudo-vecteur est transformé en l'opposé de son symétrique.

Voici une figure avec des exemples types (le choix des lettres représentant les vecteurs n'est pas dû au hasard; elles sont un clin d'oeil aux propriétés des champs électriques et magnétiques étudiés dans la section d'Électromagnétisme du site):

equation
Figure: 12.2 - Différences de transformations entre un vecteur et un pseudo-vecteur

Ben voilà... c'est tout sur les pseudo-vecteurs...

Multiplication par un scalaire

Le vecteur equation appelé "produit du nombre equation par equation", est défini de la manière suivante: 

Prenons une flèche représentative  de equation et construisons un flèche de même direction, de même sens ou de sens opposé, suivant que equation est positif ou négatif, et d'intensité equation fois l'intensité de la flèche initiale; la flèche ainsi obtenue est un représentant du vecteur equation; si equation ou equation, nous posons equation

L'opération qui consiste à effectuer le produit d'un nombre par un vecteur est appelé "multiplication par un scalaire".

Nous vérifions aisément que la multiplication par un scalaire est associative et distributive par rapport à l'addition numérique vectorielle, autrement dit que:

equation   (12.4)

Voyons de suite un exemple concret mondialement connu des vecteurs:

RÈGLE DE TROIS

Revenons un peu sur la "règle de trois" (appelée parfois "règles des rapports et proportions" ou encore "méthode de réduction à l'unité") souvent définie dans les petites classes de manière intuitive mais sans démonstration digne de ce nom. Cette règle est certainement l'algorithme le plus usité de par le monde qui sert à identifier un quatrième nombre quand trois sont donnés et que les quatre nombres sont linéairement dépendants. 

La règle de trois est dérivée sous deux versions:

V1. Simple et directe si les grandeurs sont directement proportionnelles

V2. Simple et inverse si les grandeurs sont inversement proportionnelles

et lorsque deux variables X et Y sont proportionnelles nous le notons: 

equation   (12.5)

Supposons maintenant que X puisse prendre les valeurs equation. Y prendra les valeurs linéairement dépendantes equation alors le rapport proportionnel suivant:

equation   (12.6)

est dit "rapport simple et direct".

Démonstration:

Soient deux vecteurs equation colinéaires et donc proportionnels à un facteur près tels que:

equation   (12.7)

equationC.Q.F.D.

Remarque: Si ce rapport n'est pas égal, alors il faut passer à l'utilisation d'autres outils tels que la régression et in extenso l'extrapolation.

exemple Exemple:

À Lausanne (Suisse) les sacs poubelles sont taxés et les tarifs suivant sont appliqués : un sac de 17 [L] et 1.- et celui de 110 [L] est 3.80.-. Rapporté à 17 [L] le prix du litre de déchet du sac de 110 [L] est alors:

equation   (12.8)

Soit environ 60% du prix du sac de 17 [L] (ensuite allez chercher une explication… ???).

- Le rapport proportionnel suivant:

equation   (12.9)

est dit "rapport simple et inverse".

Démonstration:

Soient deux vecteurs equation colinéaires et donc proportionnels à un facteur près tel que:

equation   (12.10)

equationC.Q.F.D.

Remarque: Si ce rapport n'est pas égal, alors il faut passer à la régression linéaire (cf. chapitre de Méthodes Numériques).

En gros, il suffit que nous connaissions trois variables sur les quatre pour résoudre cette simple équation du premier degré.

Les conversions de monnaies ou d'unités de mesure se font à l'aide de la règle de trois simple directe ou indirecte. Les calculs de parités (calcul prévisionnel fait par un importateur d'un certain pays ayant ses propres unités de mesures et de monnaie, qui recherche parmi plusieurs offres étrangères (dans des systèmes d'unités de mesures et de monnaies qui diffèrent de l'importateur), laquelle est la plus avantageuse ou inversement) se font également avec la règle de trois.

Remarque: Nous appelons également "règle conjointe simple ou inverse", une série de règles de trois directes ou indirectes.

Dans de tels calculs, les agents du marché d'échange ont remarqué que la plupart du temps, les rapports étaient des valeurs proches de l'unité. Ils ont été ainsi naturellement amenés à définir "le pourcentage" comme étant la proportion d'une quantité ou d'une grandeur par rapport à une autre, évaluée à la centaine (en général du moins ... ):

Soit un nombre equation alors sa notation en pourcentage sera: 

equation   (12.11)

Soit un nombre equation alors sa notation en pour-mille sera:

equation   (12.12)

ESPACES VECTORIELS

Définition: Nous appelons "espace vectoriel" un ensemble E d'éléments désignés par equation et appelés "vecteurs", muni d'une "structure algébrique vectorielle" définie par la donnée de l'addition (soustraction) vectorielle et la multiplication par un scalaire. Ces deux opérations satisfaisant les lois d'associativité, de commutativité, de distributivité, d'élément neutre et d'opposé comme nous l'avons déjà vu dans le chapitre de Théorie Des Ensembles.

Pour plus d'informations sur ce qu'est un espace vectoriel dans le sens "ensembliste" le lecteur devra se reporter au chapitre de Théorie Des Ensembles où ce concept est défini avec plus de rigueur.

Remarque: Muni de ces deux opérations, un espace vectoriel est dit "vectorialisé".

Pour tout entier positif n, equationdésignera l'ensemble des n-uplets de nombres disposés en colonne:

equation   (12.13)

et equationest à l'évidence munie d'une structure d'espace vectoriel. Les vecteurs de cet espace seront appelés "vecteurs-colonne". Ils seront souvent désignés plus brièvement par:

 equation   (12.14)

ou encore plus simplement par: 

equation   (12.15)

Le nombre equation est parfois appelé "terme" ou "composante d'indice i" de equation.

combinaisons linéaires

Dorénavant, sauf mention explicite du contraire, les vecteurs seront les éléments d'un espace vectoriel E.

Définition: Nous appelons "combinaison linéaire" des vecteurs equation tout vecteur de la forme:

equation   (12.16)

equation sont des nombres appelés "coefficients de la combinaison linéaire".

Le vecteur nul est combinaison linéaire de equation avec tous les coefficients égaux à zéro. Nous parlons dès lors de "combinaison linéaire triviale".

Définition: Nous appelons "combinaison convexe", toute combinaison linéaire dont les coefficients sont non négatifs et de somme égale à 1. L'ensemble des combinaisons convexes de deux points P et Q d'un espace ponctuel equation (ayant une origine) est le segment de droite P et Q. Pour s'en rendre compte, il suffit d'écrire:

 equation   (12.17)

de faire varier equation de 0 à 1 et de constater que tous les points du segment sont ainsi obtenus.

Si le vecteur equation est combinaison linéaire des vecteurs equation et chacun de ces vecteurs est combinaison linéaire des vecteurs equation, alors equation est combinaison linéaire de equation.

SOUS-ESPACES VECTORIELS

Définition: Nous appelons "sous-espace vectoriel de E" tout sous-ensemble de E qui est lui-même un espace vectoriel pour les opérations d'addition et de multiplication par un scalaire définies dans E.

Un sous-espace vectoriel, en tant qu'espace vectoriel, ne peut être vide puisqu'il comprend au moins un vecteur, à savoir son vecteur nul, celui-ci étant d'ailleurs forcément le vecteur nul de E. En outre, en même temps que les vecteurs equation et equation(s'il en contient d'autres que le vecteur nul), il comprend également toutes leurs combinaisons linéaires equation.  

Inversement, nous voyons aussitôt que tout sous-ensemble jouissant de ces propriétés est un sous-espace vectoriel. Nous avons ainsi établi la proposition suivante:

Un sous ensemble S de E est un sous-espace vectoriel de E si et seulement si S est non vide et equation appartient à S pour tout couple equation de vecteurs de S et tout couple equation.

FAMILLES GÉNÉRATRICES

Il en découle que si nous avons une famille de vecteurs equation l'ensemble des combinaisons linéaires de equation peut être un sous-espace vectoriel S de E, plus précisément le plus petit sous-espace vectoriel de E comprenant equation.

Les vecteurs equation qui satisfont à la condition ci-dessus sont appelés "générateurs" de S et la famille equation, famille génératrice de S. Nous disons aussi que ces vecteurs ou cette famille engendrent S.

Remarque: Le sous-espace vectoriel engendré par un vecteur non nul est formé de tous les multiples de ce vecteur. Nous appelons un tel sous-espace "droite vectorielle". Un sous-espace vectoriel engendré par deux vecteurs non multiples l'un de l'autre est appelé "plan vectoriel".

DÉPENDANCES ET INDÉPENDANCES LINÉAIRES

Ce qui va suivre est très important en physique: nous conseillons donc au futur physicien de prendre vraiment le temps de bien lire les développements.

Si equation sont trois vecteurs de equation dont les représentants ne sont pas parallèles à un même plan (par convention une flèche d'intensité nulle est parallèle à tout plan), alors tout vecteur equation de equation peut s'écrire de manière unique sous la forme:

equation   (12.18)

equation sont des nombres.

equation
Figure: 12.3 - Exemple d'un construction d'un vecteur dans un espace à trois dimensions

En particulier, la seule possibilité d'obtenir le vecteur nul comme combinaison linéaire de equation est d'attribuer la valeur triviale 0 à equation.

Réciproquement, si pour trois vecteurs equation de equation la relation: 

equation   (12.19)

implique equation, aucun des vecteurs ne peut être combinaison linéaire des deux autres, autrement dit, leurs représentants ne sont pas parallèles à un même plan.

Sur la base de ces observations, nous allons étendre la notion d'absence de parallélisme à un même plan au cas d'un nombre quelconque de vecteurs d'un espace vectoriel E.

Nous disons que les vecteurs equation sont "linéairement indépendants" si la relation: 

equation    (12.20)

implique nécessairement equation, autrement dit, si la combinaison linéaire triviale est la seule combinaison linéaire de equation qui soit nulle. Dans le cas contraire, nous disons que les vecteurs equation sont "linéairement dépendants".

Si l'attention est fixée sur la famille equation plutôt que sur les termes dont elle est constituée, nous disons que celle-ci est une "famille libre" ou "famille liée" suivant que les vecteurs equation sont linéairement indépendants ou dépendants.

BASES D'UN ESPACE VECTORIEL

Définition: Nous disons qu'une famille finie de vecteurs est une base de E si et seulement si:

1. Elle est libre.

2. Elle engendre E.

D'après cette définition, toute famille libre equation est une base du sous-espace vectoriel qu'elle engendre.

exemple Exemple:

Si nous considérons equation comme equation-espace vectoriel (cf. chapitre de Théorie des Ensembles), alors puisque tous les éléments de equation s'écrivent equation, les éléments qui engendrent equation sont 1 et i (les deux sont libres).

Une base de equation (qui est de dimension 2) comme equation-espace vectoriel est donc la famille finie libre {1,i}.

Pour qu'une famille de vecteurs equation soit une base de E, il faut et il suffit donc que tout vecteur equation de E s'exprime de manière unique sous la forme d'une combinaison linéaire des vecteurs equation:

equation   (12.21)

La relation ci-dessus est une décomposition de equation suivant la base equation où les coefficients equation sont les composantes de equation dans cette base. En présence d'une base, tout vecteur est donc entièrement déterminé par ses composantes.

Proposition:

Si equation sont les composantes de equation et equation celles de equation, alors:

equation   (12.22)

sont les composantes de equation.

En d'autres termes, additionner deux vecteurs revient à additionner leurs composantes et multiplier un vecteur par un scalaire revient évidemment à multiplier ses composantes par ce même scalaire. La base est donc un outil important car elle permet d'effectuer les opérations sur les vecteurs au moyen d'opérations sur les nombres. 

exempleExemple:

Les vecteurs-colonnes de equation:

equation   (12.23)

 

forment un base que nous appelons "base canonique" de equation(nous travaillerons dans les espaces complexes dans un autre chapitre).

Remarque: Dans le cadre de l'espace à trois dimensions, les bases sont très souvent assimilées à un trièdre (effectivement si vous reliez les extrémités des trois vecteurs par des traits vous obtiendrez un trièdre imaginaire).

ANGLES DIRECTEURS

Il est clair qu'un seul angle ne peut décrire la direction d'un vecteur dans l'espace. Nous utilisons alors la notion "d'angles directeurs". Il s'agit de mesurer l'angle du vecteur equation par rapport à chacun des axes positifs de la base:

equation
Figure: 12.4 - Représentation des agnles directeurs

Si: 

equation  (12.24)

alors:

equation   (12.25)

Les valeurs:

equation   (12.26)

sont appelées les "cosinus directeurs" de equation.

Les 3 angles mentionnés ne sont pas complètement indépendants. En effet, 2 suffisent pour déterminer complètement la direction d'un vecteur dans l'espace, le troisième pouvant se déduire de la relation suivante (obtenue à partir du calcul de la norme du vecteur, concept que nous verrons un peu plus loin):

equation   (12.27)

De plus, les cosinus directeurs sont les composantes scalaires d'un vecteur de norme unitaire equation ayant la même direction que equation:

equation   (12.28)

DIMENSIONS D'UN ESPACE VECTORIEL

Nous disons que E est de "dimension finie" s'il est engendré par une famille finie de vecteurs. Dans le cas contraire, nous disons que E est de "dimension infinie" (nous aborderons ce type d'espaces dans un autre chapitre). Tout espace vectoriel de dimension finie et non réduit au vecteur nul admet une base. En fait, de toute famille génératrice d'un tel espace nous pouvons extraire une base.

La dimension d'un espace vectoriel est notée:

dim(E)   (12.29)

Tout espace vectoriel E de dimension finie non nulle n peut être mis en correspondance biunivoque (c'est-à-dire en bijection) avec equation. Il suffit de choisir une base de E et de faire correspondre à tout vecteur equation de E le vecteur-colonne dont les termes sont les composantes de equation dans la base choisie (c'est du blabla de mathématicien mais ce sera utile quand nous aborderons des espaces plus complexes):

equation   (12.30)

Cette correspondance conserve les opérations d'addition et de multiplication par un scalaire que nous avons déjà vues; en d'autres termes, elle permet d'effectuer les opérations sur les vecteurs par des opérations sur les nombres. 

Remarque: Nous disons alors que E et equation sont "isomorphes" ou que la correspondance est un isomorphisme (cf. chapitre de Théorie Des Ensembles).

PROLONGEMENT D'UNE FAMILLE LIBRE

Soit equation une famille libre et equation une famille génératrice de E. Si equation n'est pas une base de E, nous pouvons extraire une sous-famille equation de equation de telle manière que la famille equation soit une base de E.

Remarque: Une telle étude a son utilité lors de passage d'espace mathématique ayant des propriétés données à un autre espace ayant des propriétés mathématiques différentes.

Démonstration:

H1. Nous supposons qu'au moins un des vecteurs equation n'est pas combinaison linéaire des vecteurs equation, sinon equationengendrerait E et serait donc une base possible de E. Notons ce vecteur equation. La famille equation est alors une famille libre. En effet, la relation: 

equation   (12.31)

implique alors tout d'abord que equation, autrement equation serait combinaison linéaire des vecteurs equation, et ensuite equation, puisque les vecteurs equation sont linéairement indépendants. 

Si la famille equation engendre E, elle est une base possible de E et le théorème est démontré. Dans le cas contraire, le même raisonnement nous assure l'existence d'un autre vecteur equation.... Si la nouvelle famille en découlant n'est pas une base de E, alors le procédé d'extraction de vecteurs equation de equation se poursuit. Lorsqu'il s'arrête, nous aurons obtenu un "prolongement" de equation en une famille libre engendrant E, c'est-à-dire une base de E.

equationC.Q.F.D.

Il en retourne un corollaire: Tout espace vectoriel de dimension finie et non réduit au vecteur nul admet une base. En fait, de toute famille génératrice d'un tel espace, nous pouvons donc extraire une base.

RANG D'UNE FAMILLE FINIE

Définition: Nous appelons "rang d'une famille" de vecteurs la dimension du sous-espace vectoriel de E qu'elle engendre.

Montrons que le rang d'une famille de vecteurs equation est inférieur ou égal à k et qu'il est égal à k si et seulement si cette famille est libre.

Démonstration:

Ecartons d'abord le cas trivial où le rang de la famille equation est nul. D'après le corollaire vu précédemment, nous pouvons alors extraire de cette famille une base du sous-espace vectoriel qu'elle engendre. Le rang est donc inférieur ou égal à k suivant que equation est une famille liée ou non.

equationC.Q.F.D.

SOMMES DIRECTES

Définition: Nous disons que la somme S+T de deux sous-espaces vectoriels S et T de E (cas particulier appliqué à un espace de dimensions 2 !) est une "somme directe" si:

equation   (12.32)

Dans ce cas, nous la notons:

equation   (12.33)

En d'autres termes, la somme de deux sous-espaces vectoriels S et T de E est directe si la décomposition de tout élément de S+T en somme d'un élément de S et d'un élément de T est unique.

Ce concept de décomposition trivial va nous être très utile dans certains théorèmes dont le plus important sur ce site est certainement le théorème spectral (cf. chapitre d'Algèbre Linéaire).

De la somme directe nous pouvons introduire la notion de "sous-espace complémentaire" appelé encore "sous-espace supplémentaire" (selon les pays...):

Supposons que E soit de dimension finie. Pour tout sous-espace vectoriel S de E, il existe un sous-espace vectoriel T (non unique) de E tel que E soit somme directe de S et T. Nous disons alors que T est un "sous-espace complémentaire" de S dans E.

Démonstration:

Ecartons d'abord les cas triviaux où equation et S=E. Le sous-espace vectoriel S admet une base equation, où equation est inférieur à la dimension n de E. Par le théorème du prolongement d'une famille libre, cette base peut se prolonger en une base equationde E. Soit T le sous-espace vectoriel engendré par la famille equation. Si equation est un vecteur quelconque de E, alors equation, où equationest un vecteur de S et equationun vecteur de T. En outre, equation car aucun vecteur, excepté le vecteur nul, ne peut être combinaison linéaire des vecteurs equation et des vecteurs equation. Nous en concluons donc que:

equation   (12.34)

equationC.Q.F.D.

ESPACE AFFINE

L'espace G de la géométrie élémentaire est à la fois usuel et la source de la notion "d'espace affine" que nous allons introduire. 

Cet espace G est associé à "l'espace vectoriel" géométrique V par la correspondance entre flèches et vecteurs étudiés jusqu'ici! La définition suivante ne fait que mettre en évidence les traits dominants de cette correspondance:

Définition: Soit U un ensemble non vide d'éléments que nous appellerons "points" et désignerons par les lettres P, Q, ... ; soit en outre E un espace vectoriel. Supposons qu'à tout couple de points (P,Q) corresponde un vecteur noté equation. Nous disons alors que U est un "espace affine" d'espace directeur (ou dit simplement abusivement de "direction") E si les conditions suivantes sont satisfaites:

C1. Pour tout point P fixé, la correspondance entre couples (P,Q) et vecteurs equation est biunivoque, autrement dit, pour tout vecteur equation il existe un point Q et un seul tel que equation.

C2. Pour tout triplet de points (P,Q,R):

equation   (12.35)

C'est la fameuse "relation de Chasles" (dont on retrouvera un pseudo-équivalant dans le chapitre de Calcul Différentiel Et Intégral).

C3. Si P est un point et equation un vecteur, pour exprimer que Q est l'unique point tel que equation, nous écrivons:

equation   (12.36)

Bien qu'un peu abusive, cette écriture est conforme à l'usage et suggère bien le sens de l'opération qu'elle désigne.

Les propriétés suivantes découlent directement de la définition d'espace affine:

P1. equation

P2. Pour tout point P, equation. Cela résulte de la condition equation dans le cas où nous avons equation.

P3. equation. Il suffit de poser R=P dans la relation de Chasles equation.

P4. Règle du parallélogramme: 

Soit le polygone de sommets (dans le sens des aiguilles d'une montre) equation et arêtes equation:

equation
Figure: 12.5 - Polygone vectoriel

Nous avons: 

equation    (12.37)

si et seulement si:

equation   (12.38)

ce qui donnerait alors un parallélogramme!

En effet, en remplaçant R par Q' dans la relation de Chasles il vient:

equation   (12.39)

et en faisant de même mais en remplaçant R par Q' et Q  par P' nous avons:

equation   (12.40)

Nous avons alors en égalisant ces deux dernières relations:

equation   (12.41)

ce qui force l'égalité susmentionnée que nous voulions démontrer.

Précédemment, nous avons vu ce qui faisait qu'un espace G pouvait être muni d'une structure d'espace vectoriel (nous avons vu que nous disons que ce dernier était dès lors "vectorialisé"). Dans le cas général d'un espace affine U, le procédé est le même:

Nous choisissons un point quelconque O de U. La correspondance entre couples equation et vecteurs de l'espace directeur étant alors biunivoque nous définissons l'addition de points et la multiplication d'un point par un scalaire par les opérations correspondantes sur les vecteurs de E. Muni de ces deux opérations, U devient un espace vectoriel, appelé "vectorialisé de U relativement à O". Nous désignerons cet espace par equation et appellerons O "l'origine".

Vu la manière dont les opérations ont été définies, il résulte que equation est isomorphe à l'espace directeur E:

equation   (12.42)

Toutefois, cet isomorphisme dépend du choix de l'origine O et en pratique cette origine est choisie sur base de données inhérentes aux problèmes posés. Par exemple, si une transformation affine admet un point invariant (qui ne bouge pas), il y a avantage à choisir ce point comme origine.

Remarques:

R1. Lorsque nous parlons de dimension d'un espace affine, nous parlons de la dimension de son espace directeur.

R2. L'espace G de la géométrie élémentaire est un espace affine. En effet, sa direction est l'espace géométrique V et les conditions de définition d'un espace affine sont satisfaites. Il faut bien noter qu'au couple de points equation est associé le vecteur equation et non pas la flèche PQ. En fait, la flèche pouvant être identifiée au couple de points, nous voyons que ce que postule la définition d'un espace affine n'est rien d'autre qu'une forme abstraite de correspondance entre flèches et vecteurs.

R3. Tout espace vectoriel E peut être considéré comme un espace affine de direction E lui-même si au couple de vecteurs equation est associé le vecteur equation. En effet, les conditions de définition d'un espace affine sont dès lors satisfaites.

ESPACES VECTORIELS EUCLIDIENS

Avant de définir ce qu'est un espace vectoriel euclidien, nous allons au préalable définir quelques outils mathématiques et quelques concepts.

Nous pouvons, en choisissant une unité de longueur, mesurer l'intensité de chaque flèche, autrement dit, déterminer sa longueur. Nous pouvons aussi mesurer l'écart angulaire de deux flèches (ou vecteurs) quelconques d'origine commune (non nécessairement distinctes) en prenant comme unité de mesure d'angle par exemple le radian. La mesure de cet écart est alors un nombre compris entre 0 et equation, appelé "angle" des deux flèches. Si les deux flèches ont même direction et même sens, leur angle est nul et si elles ont même direction et sens opposé, ce même angle est equation.

Les flèches représentatives d'un même vecteur equation ont toutes la même longueur. Nous désignerons cette longueur par la notation:

equation   (12.43)

et l'appellerons "norme" de equation (anciennement appelée "module"). Il est clair que la longueur d'un vecteur est nulle si et seulement si sa norme est nulle. Nous dirons qu'un vecteur est unitaire si sa norme est 1. 

equation
Figure: 12.6 - Détails du calcul de la norme dans un repère orthogonal

Si equation est un vecteur non nul:

equation   (12.44)

est un vecteur unitaire colinéaire (nécessairement...) à equation dont la norme est égale à l'unité et que nous notons equation.

Nous appellerons "angle des vecteurs non nuls" equation et equation l'angle de deux flèches d'origine commune représentant l'une equation et l'autre equation.

Plus rigoureusement cependant une "norme" sur un espace vectoriel réel (ou complexe) E, ce qui fait que nous parlons alors "d'espace vectoriel normé", est une application equation vérifiant les propriétés:

P1. Positivité:

equation   (12.45)

P2. Linéarité:

equation   (12.46)

où nous prenons le module de la constante si celle-ci n'est plus dans l'ensemble des réels mais dans les complexes.

P3. Nullité (souvent associée à la propriété P1):

equation   (12.47)

P4. Inégalité de Minkowski (inégalité triangulaire):

equation   (12.48)

Remarques:

R1.Ces propriétés sont principalement imposées par notre approche intuitive de l'espace euclidien (espace vectoriel de dimension finie sur le corps des réels et muni d'un produit scalaire que nous verrons plus loin) et de son interprétation géométrique.

R2. Nous démontrerons un peu plus loin la propriété P4 sous la dénomination "d'inégalité triangulaire" et nous ferons une étude un peu plus générale de cette inégalité sous la dénomination "d'inégalité de Minkowski" dans le chapitre de Topologie.

PRODUIT SCALAIRE VECTORIEL

Définition: Un "espace vectoriel euclidien", est un espace vectoriel (réel et de dimension finie pour les puristes) possédant une opération particulière, le "produit scalaire" que nous noterons (notation spécifique à ce site Internet) en ce qui concerne le cas particulier des vecteurs:

equation   (12.49)

Remarques:

R1. Nous trouvons dans certains ouvrages (pour information) la notation equation ou encore equation lors de la généralisation de cette définition comme nous le verrons un peu plus loin. Selon la norme ISO 80000-2:2009 il faudrait écrire le produit scalaire equation.

R2. Le produit scalaire a une importance énorme dans l'ensemble du domaine des mathématiques et de la physique; ainsi nous le retrouvons dans le calcul différentiel et intégral (de par le produit scalaire fonctionnel), en topologie, en physique quantique, en analyse du signal etc. Il convient donc de bien comprendre ce qui va suivre.

R3. Le produit scalaire peut être vu comme une projection de la longueur d'un vecteur sur la longueur d'un autre.

Ce produit scalaire possède les propriétés suivantes (dont la plupart découlent de la définition même du produit scalaire) dans un espace euclidien:

P1. Commutativité: equation

P2. Associativité: equation

P3. Distributivité: equation

P4. Si equation

P5. Carré scalaire: equation et equation si equation

P6. equation

Seule cette dernière propriété nécessite peut-être une démonstration (de plus un des résultats de la démonstration nous servira à démontrer une autre propriété très importante du produit scalaire):

Démonstration:

Soit:

equation   (12.50)

qui constitue la "projection orthogonale vectorielle" (le v en indice du proj signifiant "vectoriel") du vecteur equation sur la normalisation à l'unité du vecteur equation.

A l'aide du produit scalaire, le vecteur equation peut être exprimé autrement il suffit de prendre la relation que nous avons vue plus haut: 

equation   (12.51)

et de l'introduire dans equation avec les vecteurs adéquats pour obtenir:

equation   (12.52)

Cette expression vaut également dans le cas où equation est nul, à condition d'admettre que la projection orthogonale du vecteur nul est nulle.

La norme de equation s'écrit:

equation   (12.53)

Si equation est unitaire, les relations de projections précédentes se simplifient et deviennent:

equation et  equation   (12.54)

Par des considérations géométriques élémentaires (distributivité du produit scalaire), il est facile de se rendre compte que:

equation et equation   (12.55)

Si nous revenons maintenant à la démonstration de:

equation   (12.56)

Nous avons donc dans un premier temps:

equation   (12.57)

et, d'après la définition la propriété de la projection orthogonale, il vient alors immédiatement en faisant la correspondance terme à terme:

equation   (12.58)

d'où la propriété P6 qui s'ensuit par multiplication des deux membres de l'égalité par equation et après simplification par equation.

equationC.Q.F.D.

Définitions:

D1. L'espace vectoriel E est dit "espace vectoriel proprement euclidien" si equation.

D2. Nous disons que les vecteurs equation et equation sont des "vecteurs orthogonaux" s'ils sont non nuls et que leur produit scalaire est nul (leur angle est égal à equation).

Une base equation de V est dite "base orthonormale" si les vecteurs equation sont orthogonaux deux à deux et unitaires (donc constituant une famille libre).

Remarque: Nous verrons en calcul tensoriel (nous aurions pu le faire ici aussi mais bon...) comment à partir d'un ensemble de vecteurs indépendants construire une base orthogonale. C'est ce que le lecteur pourra trouver sous le nom de "méthode d'orthogonalisation de (Gram-)Schmidt".

Par le raisonnement géométrique, nous voyons que tout vecteur est la somme de ses projections orthogonales sur les vecteurs d'une base orthonormale, autrement dit, si equation est une base orthonormale:

equation   (12.59)

Cette décomposition s'obtient également par la propriété de P6 du produit scalaire. En effet, equation étant les composantes de equation:

equation   (12.60)

puisque equation et equation de même:

equation et equation   (12.61)

d'où la décomposition.

Soit equation et equation les composantes respectives des vecteurs equation et equation dans une base orthonormale canonique equationnous pouvons écrire le produit scalaire sous la forme:

equation   (12.62)

de la propriété P6 du produit scalaire:

equation
  (12.63)

en utilisant la propriété P1 et à nouveau P6:

equation
  (12.64)

Ce qui nous donne finalement la décomposition:

equation   (12.65)

qui constitue l'une des relations les plus importantes dans le domaine du calcul vectoriel et que nous appelons "produit scalaire canonique".

INÉGALITÉ DE CAUCHY-SCHWARZ

La relation:

equation   (12.66)

s'écrit également trivialement sous la forme suivante si nous utilisons la notion de norme et la définition du produit scalaire:

equation   (12.67)

Il est intéressant de remarquer que si les deux vecteurs equation et equation sont orthogonaux, nous retrouvons le résultat d'un théorème fameux: le théorème de Pythagore!

Effectivement, dès lors nous avons si les deux vecteurs sont orthogonaux:

equation   (12.68)

Ce qui nous donne:

equation   (12.69)

Cette relation est très importante en physique-mathématique. Il faut s'en souvenir !

Nous appelons également "inégalité de Cauchy-Schwarz" l'inégalité, valable pour tout choix des vecteurs equation et equation, la relation:

equation   (12.70)

Ce qui s'écrit aussi:

equation   (12.71)

D'abord nous considérerons comme évident que l'égalité n'a lieu qu'en cas de colinéarité des deux vecteurs.

Démonstration:

Nous nous plaçons dans le cas où equation. Alors, pour equation nous avons trivialement selon les propriétés du produit scalaire:

equation   (12.72)

Il s'agit donc d'une simple équation du deuxième degré où la variable est equation. En se rappelant de ce que nous avons vu lors de notre étude des polynômes du deuxième degré (cf. chapitre de Calcul Algébrique) la relation précédente (le fait qu'elle soit toujours supérieure ou égale à zéro) est satisfaite que si le discriminant equation est négatif ou nul. En d'autres termes, si:

equation   (12.73)

Soit après simplification:

equation   (12.74)

equationC.Q.F.D.

Lorsque E est equation, l'inégalité de Cauchy-Schwarz s'écrit avec les composantes des vecteurs:

equation   (12.75)

Dans le cas particulier où equation elle devient:

equation   (12.76)

ou encore:

equation   (12.77)

ce qui montre que le carré de la moyenne arithmétique est inférieur ou égal à la moyenne arithmétique des carrés. Ce résultat est important pour l'étude des statistiques.

Par ailleurs, en vertu de la propriété du cosinus et de l'inégalité de Cauchy-Schwarz nous pouvons écrire:

equation   (12.78)

relation que nous retrouvons également dans le cadre de l'étude des statistiques (cf. chapitre de Statistiques).

INÉGALITÉ TRIANGULAIRE

En majorant equation par equation (de par l'inégalité de Cauchy-Schwarz!) et en mettant ceci dans la relation établie déjà précédemment:

equation   (12.79)

Nous obtenons:

equation   (12.80)

ce qui entraîne la fameuse "inégalité triangulaire" (très utile dans l'étude des suites et séries pour l'étude des convergences ainsi qu'en topologie):

equation   (12.81)

Remarque: La généralisation de cette inégalité relativement aux propriétés des normes telles que nous le verrons en topologie, donne ce que nous appelons "l'inégalité de Minkowski".

En appliquant une fois l'inégalité triangulaire aux vecteurs equation et equation et une autre fois aux vecteurs equation et equation nous obtenons la variante:

equation   (12.82)

PRODUIT SCALAIRE (GÉNÉRAL)

Voyons maintenant une autre manière un peu plus générale (s'appliquant à des vecteurs ou fonctions), formelle et abstraite pour définir le produit scalaire tout en tentant de rester le plus simple possible (attention dans le cas général la notation du produit scalaire change!):

Définition: Soit E un espace vectoriel réel (!). Une "forme bilinéaire symétrique positive" sur E, est une application:

equation   (12.83)

qui vérifie (par définition!):

P1. La positivité:

equation   (12.84)

P2. La nullité (définie):

equation   (12.85)

P3. La symétrie:

equation   (12.86)

P4. La bilinéarité (forme bilinéaire) avec, dans l'ordre, la "linéarité à gauche" et la "linéarité à droite":

equation   (12.87)

Remarque: A nouveau, ces propriétés sont principalement imposées par notre approche intuitive de l'espace euclidien et de son interprétation géométrique.

Définition: Un espace E muni d'un produit scalaire est appelé un "espace préhilbertien". Si E est de dimension finie, nous parlons alors "d'espace euclidien".

Nous avons vu en topologie (cf. chapitre de Topologie) que les propriétés du produit scalaire sont les briques de bases pour définir  une norme et donc une distance dans un espace métrique. Cette distance sera alors donnée selon ce que nous avons obtenu dans le chapitre de Topologie:

equation   (12.88)

Définition: Nous disons qu'un espace E  muni d'un produit scalaire equation est un "espace Hilbertien" ou "espace de Hilbert" si cet espace est complet pour la métrique définie ci-dessus.

En d'autres termes, avoir un espace métrique muni donc d'une distance générée par un produit scalaire est une chose. Ensuite, avoir une distance mesurable en est une autre. Un espace de Hilbert a donc des distances mesurables au sens topologique du terme car l'ensemble sur lequel on travaille est continu et n'importe quel point peut-être approché indéfiniment (imaginez avoir une règle et que vous ne puissiez pas avec cette règle approcher les points qui définissent les dimensions de votre objet... ce serait gênant...). Donc sans espace complet une grande partie des théorèmes de l'analyse fonctionnelle ne pourraient pas être utilisés dans l'étude des espaces vectoriels et cela serait très gênant en physique quantique ondulatoire par exemple...

Formellement, rappelons qu'un espace métrique est complet si toutes les suites de Cauchy (cf. chapitre des Suites Et Séries) de cet espace sont convergentes (cf. chapitre sur les Fractals) dans un espace métrique (cf. chapitre de Topologie).

PRODUIT VECTORIEL

Le produit vectoriel de deux vecteurs est une opération propre à la dimension 3. Pour l'introduire, il faut préalablement orienter l'espace destiné à le recevoir. L'orientation étant définie au moyen de la notion de "déterminant", nous commencerons par une brève introduction à l'étude de cette notion. Cette étude sera reprise plus tard dans le détail lors de l'analyse des systèmes linéaires dans le chapitre d'algèbre linéaire.

Définition: Nous appelons "déterminant" des vecteurs-colonnes de equation (pour la forme générale du déterminant se reporter au chapitre d'Algèbre Linéaire):

equation   (12.89)

et nous notons:

equation   (12.90)

le nombre (produit soustrait en croix):

equation   (12.91)

Nous appelons déterminant des vecteurs-colonnes de equation (cf. chapitre d'Algèbre Linéaire):

equation   (12.92)

et nous notons:

equation   (12.93)

le nombre:

equation   (12.94)

Ainsi, la fonction qui associe à tout couple de vecteurs-colonnes de equation (à tout triplet de vecteurs-colonnes de equation) son déterminant est appelée "déterminant d'ordre 2" (respectivement d'ordre 3).

Le déterminant a comme propriété d'être multiplié par -1 si l'un de ses vecteurs-colonnes est remplacé par son opposé ou si deux de ses vecteurs-colonnes sont échangés (la vérification étant simple nous nous abstiendrons de la démonstration, sauf sur demande). En plus, le déterminant est non nul si et seulement si ses vecteurs-colonnes sont linéairement indépendants (la démonstration se trouve quelques lignes plus bas et est d'une grande importance en mathématique).

Définition: Soit equation et equation les composantes respectives des vecteurs equation et equation dans la base orthonormale equation. Nous appelons "produit vectoriel" de equation et equation, et nous notons indistinctement:

equation   (12.95)

le vecteur:

equation   (12.96)

ou sous forme de composantes:

equation   (12.97)

Remarques:

R1. La première notation est la notation internationale due à Gibbs (que nous utiliserons tout au long de ce site), la deuxième est la notation française due à Burali-Forti (assez embêtante car se confond avec l'opérateur ET en logique).

R2. Il est assez embêtant de retenir par coeur les relations qui forment le produit vectoriel habituellement. Mais heureusement il existe au moins trois bons moyens mnémotechniques:

1. Le plus rapide consiste à retrouver l'une des expressions des composantes du produit vectoriel et ensuite par décrémentation des indices (en recommençant à 3 lorsque qu'on arrive à 0) de connaître toutes les autres composantes. Encore faut-il trouver un moyen simple de se souvenir d'une des composantes. Un bon moyen est la propriété mathématique suivante de deux vecteurs colinéaires permettant facilement de retrouver la troisième composante (celle selon l'axe Z):

Soit deux vecteurs colinéaires dans un même plan, alors:

equation   (12.98)

Nous retrouvons donc bien l'expression de la troisième composante du produit vectoriel de deux vecteurs (non nécessairement colinéaires... eux!).

2. La seconde mais que nous verrons lors de notre étude du calcul tensoriel consiste à utiliser le symbole d'antisymétrie (également appelé "tenseur de Levi-Civita"). Cette méthode est certainement la plus esthétique d'entre toutes mais pas nécessairement la plus rapide à développer. Nous donnons ici juste l'expression sans plus d'explications pour l'instant (elle est également utile pour l'expression du déterminant par extension):

equation   (12.99)

3. Cette dernière méthode est assez simple et triviale aussi mais elle utilise implicitement la première méthode: la i-ème composante equation est le déterminant des deux colonnes privées de leur i-ème terme, le deuxième déterminant étant cependant pris avec le signe "-" tel que:

equation   (12.100)

Il est important, même si c'est relativement simple, de se rappeler que les différents produits vectoriels pour les vecteurs d'une base orthogonale sont:

equation   (12.101)

Le produit vectoriel jouit aussi propriétés suivantes que nous allons démontrer:

P1. Antisymétrie:

equation   (12.102)

P2. Linéarité:

equation   (12.103)

P3. Si et seulement si equation et equation sont linéairement indépendants (très important !):

equation   (12.104)

P4. Non associativité: 

equation   (12.105)

Les deux premières propriétés découlent directement de la définition et la propriété P4 se vérifié aisément en développant les composantes et en comparant les résultats obtenus.

Démontrons alors la troisième propriété qui est très importante en algèbre linéaire.

Démonstration:

Soient deux vecteurs equation et equation. Si les deux vecteurs sont linéairement dépendants alors il existe equation tel que nous puissions écrire:

equation   (12.106)

Si nous développons le produit vectoriel des deux vecteurs dépendants à un facteur equation près, nous obtenons:

equation   (12.107)

Il va sans dire que le résultat ci-dessus est égal au vecteur nul equationsi effectivement les deux vecteurs sont linéairement dépendants.

equationC.Q.F.D.

Si nous supposons maintenant que les deux vecteurs equation et equation sont linéairement indépendants et non nuls, nous devons démontrer que le produit vectoriel est:

P3.1. Orthogonal (perpendiculaire) à equation et equation

P3.2. De norme equation, où equation est l'angle entre equation et equation

Démonstration:

Commençons par la première propriété P3.1 (première importance en physique!):

equation   (12.108)

ce qui montre bien que le vecteur equation est perpendiculaire au vecteur résultant du produit vectoriel entre equation et equation!

equationC.Q.F.D.

Terminons avec la deuxième propriété P3.2 (aussi de première importance en physique!):

Démonstration:

Soit le carré de la norme du produit vectoriel equation. D'après la définition du produit vectoriel nous avons:

equation   (12.109)

Donc finalement:

equation   (12.110)

equationC.Q.F.D.

Nous remarquerons que dans le cas où E est l'espace vectoriel euclidien, la norme du produit vectoriel représente l'aire (surface) du parallélogramme construit sur des représentants equation et equation d'origine commune.

equation
Figure: 12.7 - Représentation géométrique du produit vectoriel

Si equation et equation sont linéairement indépendants, le triplet equation et donc aussi le triplet equation sont directs.

En effet, equationétant les composantes de equation (dans la base equation), le déterminant de passage de equation à equation (par exemple) s'écrit:

equation   (12.111)

Ce déterminant est donc positif, puisqu'au moins un des equation n'est pas nul, d'après la troisième propriété d'indépendance linéaire du produit vectoriel.

Voici encore quelques propriétés très importantes d'utilité pratique du produit vectoriel (en physique particulièrement) qui sont triviales à vérifier si les développements sont effectués (nous pouvons les faire sur demande si jamais!):

P1. equation

Remarque: Cette dernière relation est parfois appelée la "règle de Grassmann", ou plus couramment "double produit vectoriel" et il est important de noter que sans les parenthèses le résultat n'est pas unique.

P2. equation

P3. equation

P4. equation

P5. equation

PRODUIT MIXTE

Nous pouvons étendre la définition du produit vectoriel à un autre type d'outil mathématique que nous appelons le "produit mixte": 

Définition: Nous appelons "produit mixte" des vecteurs equation le double produit:

equation   (12.112)

souvent condensé sous la notation suivante:

equation   (12.113)

D'après ce que nous avons vu lors de la définition du produit scalaire et vectoriel , le produit mixte peut également s'écrire:

equation   (12.114)

Nous remarquerons que dans le cas où E est l'espace vectoriel euclidien equation, la valeur absolue du produit mixte symbolyse le volume (orienté) du parallélépipède, construit sur des représentants equation d'origine commune.

Remarque: Il est assez trivial que le produit mixte est une extension à 3 dimensions du produit vectoriel. Effectivement, dans l'expression du produire mixte, le produit vectoriel représente la surface de base du parallélépipède et le produit scalaire projette un des vecteurs sur le vecteur résultant du produit vectoriel ce qui donne la hauteur h du parallélépipède.

De par les propriétés de commutativité du produit scalaire, nous avons:

equation   (12.115)

et le lecteur vérifiera sans aucune peine (nous le ferons s'il y a demande) en développant les composantes que:

equation   (12.116)

Le produit mixte jouit également des propriétés que le lecteur ne devrait avoir aucun mal à vérifier en développant les composantes mis à part peut-être P3 qui découle des propriétés du produit scalaire et vectoriel (nous pouvons développer sur demande si jamais!):

P1. equation

P2. equation

P3. equation si et seulement si equation sont linéairement indépendants

P4. equation

Remarque: Nous reviendrons sur le produit mixte lors de notre étude du calcul tensoriel car il permet d'arriver à un résultat très intéressant en particulier en ce qui concerne la relativité générale!

ESPACES VECTORIELS FONCTIONNELS

Soit equation l'ensemble des fonctions réelles k-fois dérivables dans l'intervalle fermé equation. Nous désignerons les éléments de cet ensemble par les lettres equation 

La valeur de equation au point t sera bien évidemment notée equation. Dire que equation équivaudra donc à dire que:

equation   (12.117)

De manière abrégée, nous écrirons equation, le signe equation indiquant ainsi que les deux membres sont égaux pour tout  t de l'intervalle equation.

Considérons les deux opérations suivantes:

- equation définie par la formule equation

- equation définie par la formule equation

Ces deux opérations satisfont à toutes les conditions des vecteurs d'un espace vectoriel que nous avons déjà définies au début de ce chapitre (associativité, commutativité, vecteur nul, vecteur opposé, distributivité, élément neutre) et munissent donc equation d'une structure d'espace vectoriel. Le vecteur nul de cet espace étant bien évidemment la fonction nulle et l'opposé de equation étant la fonction equation.

Il est intéressant de constater que equation en tant qu'espace vectoriel est une généralisation  de equation au cas continu. Nous pouvons en effet concevoir tout vecteur equation de equation sous la forme d'une fonction réelle définie dans l'ensemble equation: la valeur de cette fonction au point i est tout simplement equation.

Remarque: Les polynômes de degré n et à une inconnue forment aussi un exemple d'espace vectoriel fonctionnel de dimension n+1 (à chaque coefficient du polynôme correspond une composante du vecteur).

Le champ d'application privilégié de la théorie abstraite du produit scalaire est constitué par les espaces vectoriels fonctionnels. Nous appelons ainsi aussi produit scalaire canonique dans equation l'opération définie par la relation:

equation   (12.118)

Cette opération définit bien un produit scalaire, les propriétés de ce dernier sont vérifiées et, en outre, l'intégrale:

equation   (12.119)

est positive si la fonction continue equation n'est pas identiquement nulle.

ESPACES VECTORIELS HERMITIENS

L'objectif de ce qui va suivre n'est pas de faire une étude détaillée du sujet des espaces vectoriels complexes mais juste de donner le bagage et le vocabulaire minimum nécessaire à l'étude de certaines théories physiques comme la physique quantique par exemple.

Lorsque les scalaires qui apparaissent dans la définition de la notion d'espace vectoriel sont des nombres complexes (cf. chapitre sur les Nombres), et non plus des nombres réels, nous parlons alors "d'espaces vectoriels complexes".

Remarque: Rigoureusement dans la communication courante, il devrait systématiquement être fait mention si nous parlons d'espace vectoriel réel ou d'espace vectoriel complexe...

Citons quelques exemples d'espaces vectoriels complexes:

E1. L'espace vectoriel equationdes vecteurs-colonnes à n termes complexes (equation étant identifié à equation). Nous rencontrerons, entre autres, de tels vecteurs dans le chapitre de Physique Quantique Relativiste.

E2. L'espace vectoriel des polynômes à coefficients complexes en une indéterminée. Nous rencontrerons ce genre d'espaces dans les chapitres de Physique Quantique Ondulatoire ou encore de Chimie Quantique.

E3. L'espace vectoriel des fonctions complexes d'une variable réelle ou complexe dérivables ou non. Nous rencontrerons ce genre d'espace très fréquemment dans la section de Mécanique globalement et surtout dans les chapitres d'Électrodynamique ou encore de Mécanique Ondulatoire.

Il s'agit ici d'adapter ce que nous avons fait précédemment aux espaces vectoriels complexes. L'exemple suivant nous montre que nous ne pouvons pas transposer telles quelles les définitions précédentes. En effet, considérons l'espace vectoriel equation. Comme pour equation, nous pourrions être tenté de définir un produit scalaire sur equation par:

equation  (12.120)

avec equation.

Malheureusement, nous nous apercevons que cette définition n'est pas satisfaisante car nous aurions alors:

equation   (12.121)

et cette quantité n'est pas en général un nombre réel dans l'espace des complexes ce qui viole la propriété de positivité du produit scalaire et donc empêche d'introduire tout concept de distance.

Nous ne pourrions donc plus définir une norme en posant:

equation   (12.122)

Pour que equation soit un nombre réel positif nous voyons qu'il faudrait plutôt définir le produit scalaire comme ceci:

equation   (12.123)

Dans ce cas nous avons:

equation   (12.124)

qui est bien un nombre réel positif. A partir de là, nous pouvons à nouveau définir une norme sur l'espace vectoriel complexe equation en posant:

equation   (12.125)

Nous allons à présent montrer comment définir un produit scalaire sur un espace vectoriel complexe dans le cas général.

PRODUIT HERMITIEN

Définition: Soit H un espace vectoriel complexe (!). Nous appelons "produit scalaire" ou plus exactement "produit hermitien" sur H, une application:

equation   (12.126)

qui vérifie:

P1. La positivité:

equation   (12.127)

P2. Nullité (définie):

equation   (12.128)

P3. Symétrie hermitienne:

equation   (12.129)

P4. La bilinéarité (forme bilinéaire) change un peu aussi... ce qui fait que nous parlons alors de "sesquilinéarité". Nous parlons alors, dans l'ordre, d'anti-linéarité à gauche et de linéarité à droite tel que:

equation   (12.130)

Remarques:

R1. Certains mathématiciens mettent l'anti-linéarité à droite. C'est simplement une question de convention qui n'a aucune importance.

R2. Le lecteur remarquera peut-être sans peine que si les éléments des définitions précédentes sont tous dans equation alors la sesquilinéarité se réduit à la bilinéarité et le caractère hermitien à la symétrie. Donc le produit hermitien se réduit au produit scalaire.

R3. Nous souhaitons donner pour l'instant uniquement le minimum sur le vaste sujet que sont les espaces vectoriels complexes afin que le lecteur puisse lire sans trop de peine le début du chapitre de Physique Quantique Ondulatoire.

Lorsque nous munissons un espace vectoriel complexe d'un produit scalaire alors au même titre qu'un espace vectoriel réel devient un espace vectoriel euclidien ou préhilbertien, l'espace vectoriel complexe devient donc ce que nous appelons un "espace vectoriel hermitien" (terme assez souvent utilisé dans le chapitre de Physique Quantique Ondulatoire).

Définition: Encore une fois, nous disons qu'un espace H  muni d'un produit hermitien equation est un "espace de Hilbert" si cet espace est complet pour la métrique définie ci-dessus.

Ainsi, les espaces de Hilbert sont une généralisation comprenant les produits scalaires et produits hermitiens des espaces euclidiens, préhilbertiens et hermitiens.

TYPES D'ESPACES VECTORIELS

Pour résumer tout cela:

- Nous appelons espace préhilbertien (réel ou complexe) tout espace vectoriel, de dimension finie ou non, muni d'un produit scalaire.

- Nous appelons espace de Hilbert (réel ou complexe) tout espace préhilbertien complet (en tant qu'espace normé).

- Nous appelons espace euclidien tout espace vectoriel réel de dimension finie muni d'un produit scalaire.

- Nous appelons espace hermitien tout espace vectoriel complexe de dimension finie muni d'un produit scalaire.

Nous savons que tout espace vectoriel (réel ou complexe) normé de dimension finie est complet. Ainsi, les espaces euclidiens et les espaces hermitiens sont des espaces de Hilbert (respectivement réels ou complexes).

SYSTÈMES DE COORDONNÉES

Nous allons aborder ici, l'aspect des changements de coordonnées des composantes de vecteurs non pas d'une base à une autre (pour cela il faut aller voir le chapitre d'Algèbre Linéaire) mais d'un système de coordonnées à un autre. Ce type de transformation a un fort potentiel en physique (ainsi qu'en mathématique) lorsque nous souhaitons simplifier l'étude de systèmes physiques dont les équations deviennent plus facilement manipulables dans d'autres systèmes de coordonnées.

Définition: En mathématiques, un "système de coordonnées" permet de faire correspondre à chaque point d'un espace à n dimensions, un n-uplet de scalaires.

Remarque: Dans beaucoup de cas, les scalaires considérés sont des nombres réels, mais il est possible d'utiliser des nombres complexes ou des éléments d'un quelconque corps (cf. chapitre de Théorie Des Ensembles). Plus généralement, les coordonnées peuvent provenir d'un anneau ou d'une autre structure algébrique apparentée.

Bien que nous soyons dans un chapitre et une section de mathématiques du site, nous nous permettrons dans ce qui va suivre de faire une liaison directe avec la physique pour ce qui concerne les expressions de la vitesse et de l'accélération dans différents systèmes de coordonnées (désolé pour les matheux...)

SYSTÈME DE COORDONNÉES CARTÉSIENNES

Nous ne souhaitons pas trop nous attarder sur ce système car il est bien connu de tout le monde habituellement. Rappelons cependant que la plupart du temps, en physique, les systèmes cartésiens dans lesquels nous travaillons sont equation (deux dimensions spatiales), equation (trois dimensions spatiales) voir equationou equation (trois dimensions spatiales et une temporelle) lorsque nous travaillons en relativité.

Les systèmes cartésiens sont représentés par des vecteurs de base orthonormés (dans le sens qu'ils sont linéairement indépendants et de norme unité) qui forment une "base euclidienne" d'un espace vectoriel euclidien...

Dans equation (cas le plus fréquent), il y a trois vecteurs de base notés traditionnellement:

equation   (12.131)

Dans ce système, la position d'un point P (repérable par un vecteur equation) est définie par le triplet de nombres noté (en calcul tensoriel):

equation   (12.132)

et en physique plus conventionnellement:

equation   (12.133)

où habituellement la coordonnée (z) représente la hauteur (la verticale), la coordonnée (x) la largeur et la coordonnée (y) la longueur (évidemment ces choix sont complètement arbitraires).

Ce point P peut être repéré par un vecteur noté arbitrairement equation dans la base equation par la relation (utilisant la notation tensorielle):

equation   (12.134)

En physique, si nous travaillons avec des coordonnées, c'est toujours pour pouvoir déterminer l'emplacement d'un élément. Or, comme nous le verrons plus rigoureusement en mécanique analytique, le physicien travaille avec les notions suivantes (chaque élément dépendant souvent du temps):

- Position: equation

- Vitesse: equation

- Accélération: equation

Maintenant voyons comment s'expriment ces différentes notions dans des systèmes tels que les coordonnées sphériques, cylindriques et polaires.

SYSTÈME DE COORDONNÉES SPHÉRIQUES

Le choix de commencer avec ce système de coordonnées n'est pas un hasard. Il a pour avantage d'être une généralisation des systèmes cylindrique et polaire dont nous retrouverons par la suite plus facilement les expressions de la position, de la vitesse et de l'accélération.

Nous représentons traditionnellement (en Suisse... et ce conformément à la norme ISO 31-11) un système à coordonnées sphériques de la façon suivante:

equation
Figure: 12.8 - Représentation du système de coordonnées sphériques

Nous voyons très clairement si nous connaissons bien les relations trigonométriques élémentaires (voir le chapitre du même nom dans la section de géométrie) que nous avons les transformations:

equation   (12.135)

où les deux angles sont respectivement la latitude et la colatitude. Nous avons inversement:

equation   (12.136)

Maintenant il nous faut trouver les expressions qui relient les vecteurs de la base sphérique que nous choisissons de noter equation  avec les vecteurs de la base cartésienne equation.

Nous avons, comme nous pouvons le voir sur le schéma ci-dessus:

equation
equation
  (12.137)

Indiquons qu'en divisant par equation pour le deuxième vecteur de base, nous nous assurons ainsi de par les propriétés de la norme du produit vectoriel que:

equation   (12.138)

sera bien normalisé à l'unité!

Remarque: Il est important de remarquer que le produit vectoriel de deux vecteurs de base donne toujours le troisième vecteur de base perpendiculaire (comme pour les coordonnées cartésiennes donc!).

Pour des besoins ultérieurs, déterminons les différentielles partielles de chacune de ces coordonnées:

equation   (12.139)

Nous allons également utiliser plus tard (pour l'étude des opérateurs vectoriels) la variation equation exprimée en coordonnées sphériques:

equation   (12.140)

Pour exprimer la vitesse et l'accélération en coordonnées sphériques, nous aurons également besoin des dérivées par rapport au temps:

equation   (12.141)

Donc si nous faisons maintenant un peu de physique, nous avons:

equation   (12.142)

ce qui nous amène donc à (nous aurons besoin de cette relation en astrophysique):

equation   (12.143)

Il est intéressant de remarquer que nous arrivons au même résultat en passant par la méthode suivante qui est peut-être moins intuitive:

equation   (12.144)

et en y substituant la dérivée obtenue plus haut:

equation   (12.145)

En ce qui concerne l'accélération nous obtenons:

equation
  (12.146)

Or, nous avons:

equation   (12.147)

Donc il vient:

equation   (12.148)

Soit au final:

equation   (12.149)

SYSTÈME DE COORDONNÉES CYLINDRIQUES

Le système de coordonnées cylindriques (très utile dans l'étude des systèmes à mouvements hélicoïdaux) est assez semblable à celui des coordonnées sphériques puisqu'il peut être vu comme une tranche de la sphère. Soit le schéma:

equation
Figure: 12.9 - Représentation du système de coordonnées cylindriques

Attention!!! Le vecteur equation est contrairement au cas sphérique précédent uniquement défini dans le plan XY ou un plan qui lui est parallèle!

il vient sans peine qu'en coordonnées cylindriques:

equation et equation   (12.150)

et inversement:

equation   (12.151)

Maintenant il nous faut trouver les expressions qui relient les vecteurs de la base cylindrique que nous choisissons de noter equation (au lieu de equation comme cela se fait traditionnellement) avec les vecteurs de la base cartésienne equation. Nous avons, identiquement à ce que nous avons fait pour les coordonnées sphériques:

equation   (12.152)

Indiquons qu'en divisant par equation, nous nous assurons de par les propriétés de la norme du produit vectoriel que:

equation   (12.153)

sera bien normalisé à l'unité! Dans le cas des coordonnées cylindriques l'angle étant de toute façon droit, nous ne serions pas obligé d'indiquer cette division, mais nous avons fait ce choix par souci d'homogénéité avec les développements précédents...

Remarque: Il est important de remarquer que le produit vectoriel de deux vecteurs de base donne toujours le troisième vecteur de base perpendiculaire (comme pour les coordonnées cartésiennes et sphériques donc!).

Pour des besoins ultérieurs, déterminons les différentielles partielles de chacune de ces coordonnées:

equation   (12.154)

Nous allons également utiliser plus tard (pour l'étude des opérateurs vectoriels) la variation equation exprimée en coordonnées cylindriques:

equation   (12.155)

Pour exprimer la vitesse et l'accélération en coordonnées cylindriques, nous aurons également besoin des dérivées par rapport au temps:

equation   (12.156)

Donc si nous faisons maintenant un peu de physique, nous avons (rappelons que la composante z est indépendante des autres composantes cylindriques):

equation   (12.157)

ce qui nous amène à:

equation   (12.158)

Pour l'accélération nous obtenons (exactement la même démarche que pour déterminer l'expression de la vitesse):

equation   (12.159)

SYSTÈME DE COORDONNÉES POLAIRES

Le système de coordonnées polaires est très semblable à celui des coordonnées cylindriques puisqu'il peut être vu comme un retranchement d'une dimension (la hauteur) du système cylindrique (nous retrouverons souvent ce système dans les chapitres de Mécanique Classique, Physique Quantique Corpusculaire et d'Astronomie).

equation
Figure: 12.10 - Représentation du système de coordonnées polaires

Ainsi, il vient sans peine qu'en coordonnées polaires:

equation et equation   (12.160)

et inversement:

equation   (12.161)

Maintenant il nous faut trouver les expressions qui relient les vecteurs de la base polaire que je choisis de noter equation (au lieu de equation comme cela ce fait traditionnellement) avec les vecteurs de la base cartésienne equation. Nous avons identiquement à ce que nous avions fait pour les coordonnées sphériques:

equation   (12.162)

Explications pour la seconde ligne: en divisant par equation, nous nous assurons de par les propriétés de la norme du produit vectoriel que equation sera bien normalisé à l'unité. Dans le cas des coordonnées polaires l'angle étant de toute façon droit, nous ne serions pas obligé d'indiquer cette division, mais nous avons fait ce choix par souci d'homogénéité avec les développements précédents.

Pour des besoins ultérieurs, déterminons les différentielles partielles de chacune de ces coordonnées:

equation   (12.163)

Nous allons également utiliser plus tard (pour l'étude des opérateurs vectoriels) la variation equation exprimée en coordonnées polaires:

equation   (12.164)

Pour exprimer la vitesse et l'accélération en coordonnées polaires, nous aurons également besoin des dérivées par rapport au temps:

equation   (12.165)

Donc si nous faisons maintenant un peu de physique, nous avons:

equation   (12.166)

ce qui nous amène à:

equation   (12.167)

où le premier terme est la composante radiale de la vitesse et le second la composante tangentielle de la vitesse (angulaire). L'expression de la vitesse en coordonnées polaires est très importante en astronomie puisqu'elle permet de calculer assez facilement l'énergie cinétique:

equation   (12.168)

Pour l'accélération nous obtenons:

equation   (12.169)

où le premier terme est l'accélération radiale, le second l'accélération centripète, le troisième l'accélération de Coriolis et le quatrième l'accélération tangentielle.

OPÉRATEURS DIFFÉRENTIELS

Définition: Définir un champ scalaire, vectoriel ou tensoriel, dans un volume V, c'est définir une application qui, à tout point equation de ce volume V, associe respectivement une grandeur scalaire, vectorielle ou tensorielle.

Ainsi, l'application f qui, à tout point equation de V, de coordonnées spatiales x, y, z associe la valeur scalaire equation est un champ scalaire dans V.

En chaque point d'un volume traversé par un fluide en mouvement, le vecteur qui coïncide à chaque instant avec la vitesse de la particule changeante qui passe en ce point à ce même instant définit un champ vectoriel 3D, éventuellement variable dans le temps. Les champs ainsi définis constituent un outil mathématique de base dans l'ensemble de la physique.

Remarque: Lorsque nous représentons graphiquement un champ scalaire, l'ensemble des points continus de valeur égale constitue ce que l'on appelle des "isolignes" ou plus couramment "courbes de niveau".

Le gradient, la divergence et le rotationnel sont les trois principaux opérateurs différentiels linéaires du premier ordre que nous allons présenter ici. Cela signifie qu'ils ne font intervenir que des dérivées partielles (ou différentielles) premières des champs, à la différence, par exemple, du laplacien qui fait intervenir des dérivées partielles d'ordre 2.

Nous les rencontrerons en particulier dans les chapitres traitant de la mécanique des fluides, de l'électromagnétisme ainsi qu'en physique quantique ondulatoire où ils permettent d'exprimer facilement certaines propriétés.

GRADIENTS D'UN CHAMP SCALAIRE

Le gradient est un opérateur qui s'applique à un champ de scalaires et le transforme en un champ de vecteurs. Intuitivement, le gradient indique la direction de la plus grande variation du champ scalaire, et l'intensité de cette variation. Par exemple, le gradient de l'altitude est dirigé selon la ligne de plus grande pente et sa norme augmente avec la pente.

Soit un champ scalaire tridimensionnel equation, où x et y et z sont les coordonnées cartésiennes d'un point M de l'espace. Lorsque M se déplace dans l'espace selon le vecteur equation de composantes dx, dy et dz, le champ scalaire f varie de df selon la différentielle totale:

equation   (12.170)

A partir de cette relation, nous pouvons définir "l'opérateur gradient" d'un champ scalaire tel que:

equation   (12.171)

où:

equation   (12.172)

est un terme vectoriel appelé le "gradient du champ scalaire f". Pour condenser l'écriture, nous utilisons parfois le symbole equation nommé le "nabla du champ scalaire f".

Le vecteur obtenu par le calcul du gradient a les quatre propriétés suivantes:

P1. Ses composantes représentent la variation (pente) de la fonction f selon les différentes directions de l'espace.

P2. Sa norme est la variation maximale de f en fonction de la distance.

P3. Sa direction est selon la variation maximale de f en fonction de la distance.

P4. Le sens indique les valeurs où f augmente.

A partir de la définition et de la différentielle totale, nous obtenons

equation   (12.173)

Ce qui nous amène à poser que:

equation   (12.174)

et donc que finalement l'opérateur "gradient en coordonnées cartésiennes" est donné par:

equation   (12.175)

Finalement nous voyons que le gradient d'un champ scalaire equation est le champ vectoriel dont les composantes en chaque point sont les trois dérivées du champ scalaire f par rapport aux trois coordonnées spatiales, notées ici x, y, z.

La variation de f pour un déplacement equation est donc le produit scalaire de equation par le gradient du champ f. Or, un déplacement infinitésimal equationeffectué le long d'une isoligne (décrivant une isosurface), du champ scalaire tridimensionnel f(x, y, z) n'engendre aucune variation df de f. Le produit scalaire évoqué est donc nul dans ce cas, ce qui implique que equation et equation sont perpendiculaires.

En considérant cette fois un déplacement perpendiculaire aux isolignes, nous montrons facilement que le vecteur gradient de f est dirigé depuis les faibles valeurs de f vers les fortes valeurs de f. Sa norme étant d'autant plus grand que f varie rapidement au voisinage du point considéré.

Par sa direction, son sens et sa norme, le vecteur gradient d'un champ en un point comporte donc des indications sur la manière dont varie le champ autour de ce point.

Remarque: Une des conditions nécessaire et suffisante pour qu'un champ de vecteurs soit le gradient d'un champ scalaire f est que ce champ vectoriel soit irrotationnel (voir plus loin l'opérateur rotationnel d'un champ vectoriel).

Après avoir défini le gradient en coordonnées cartésiennes x, y, z nous devons nous intéresser à l'expression de cet opérateur dans d'autres systèmes de coordonnées. Il est fréquent en physique d'avoir à utiliser les coordonnées cylindriques, polaires et sphériques pour simplifier l'étude formelle de systèmes physiques. Ainsi, si nous faisons référence à notre étude des systèmes de coordonnées, nous avons (rappel) d'abord en coordonnées polaires:

equation   (12.176)

Or, avec la définition du gradient en coordonnées cartésiennes, nous avons en coordonnées polaires la définition suivante:

equation   (12.177)

Si nous exprimons la différentielle totale exacte (cf. chapitre de Calcul Différentiel Et Intégral) de df nous obtenons les relations suivantes:

equation   (12.178)

Ce qui nous permet d'obtenir la relation:

equation   (12.179)

donc:

equation   (12.180)

ce qui nous amène à:

equation   (12.181)

Ainsi le "gradient en coordonnées polaires" s'exprime comme:

equation   (12.182)

Occupons-nous maintenant de l'expression du gradient en coordonnées cylindriques. Rappelons que lors de l'étude des différents systèmes de coordonnées nous avons obtenu pour les coordonnées cylindriques:

equation   (12.183)

Donc nous savons déjà que l'expression du gradient en coordonnées cylindriques sera identique à celle en coordonnées polaires à l'exception de l'ajout de la composante verticale z indépendante des autres coordonnées. Ainsi, nous obtenons l'opérateur "gradient en coordonnées cylindriques":

equation   (12.184)

Occupons-nous maintenant de l'expression du gradient en coordonnées sphériques. Rappelons que lors de l'étude des différents systèmes de coordonnées nous avons obtenu pour les coordonnées sphériques:

equation   (12.185)

Or, avec la définition du gradient en coordonnées cartésiennes, nous avons en coordonnées sphériques la définition suivante:

equation   (12.186)

Si nous exprimons la différentielle totale de df nous obtenons les relations suivantes:

equation   (12.187)

Ce qui nous permet d'obtenir la relation (nous utilisons maintenant la notation qui use de l'opérateur "nabla"):

equation   (12.188)

La relation:

equation   (12.189)

Nous impose:

equation   (12.190)

Ainsi l'opérateur "gradient en coordonnées sphériques" s'exprime comme:

equation   (12.191)

Nous avons donc finalement vu toutes les expressions de l'opérateur gradient dans les systèmes cartésiens, polaires, cylindriques et sphériques.

Voyons un exemple avec une fonction fictive dans Maple 4.00b (à défaut d'avoir trouvé la manière de faire pour les autres opérateurs vectoriels que nous verrons par la suite) en montrant d'abord la fonction seule et ensuite avec le gradient:

> with(linalg):
> with(plots):
> plot3d(sin(x)*sin(y),x=-3..3,y=-3..3,axes=framed);

equation
Figure: 12.11 - Première étape: Aperçu de la fonction scalaire d'exemple

>contourplot3d(sin(x)*sin(y),x=-3..3,y=-3..3,filled=true,axes=framed,
coloring=[red,blue],style=patch);

equation
Figure: 12.12 - Deuxième étape: Pour compliquer nous affichons en même temps les isoclines

>Pa:=contourplot(sin(x)*sin(y),x=-3..3,y=-3..3,contours=10,coloring=[red,blue],filled=true):
>Pb:=fieldplot(grad(sin(x)*sin(y),vector([x,y])),x=-3..3,y=-3..3,arrows=THICK):
>display(Pa,Pb);

equation
Figure: 12.13 - Troisième étape: Projection de la fonction dans le plan avec le gradient et les isoclines

>campo:=fieldplot3d([diff(sin(x)*sin(y),x),diff(sin(x)*sin(y),y),0],x=-3..3,y=-3..3,
z=-3..3,axes=framed,arrows=THICK):superf:=plot3d(sin(x)*sin(y),x=-3..3,y=-3..3):
> display({campo,superf});

equation
Figure: 12.14 - Dernière étape: La même chose mais en 3D

soit vu du dessus:

equation
Figure: 12.15 - La même chose mais vu du dessus

GRADIENTS D'UN CHAMP DE VECTEURS

Le gradient d'un champ vectoriel equation est le champ dit "champ tensoriel" défini par les 9 relations suivantes en coordonnées cartésiennes:

equation   (12.192)

Nous utiliserons un tel gradient lors de notre étude dans le chapitre de Génie Météo de l'effet Papillon dont l'origine vient de la détermination des équations de Navier-Stokes en Mécanique des Milieux Continus ainsi que dans le chapitre de Méthodes Numériques lors de notre étude de la méthode d'optimisation de Gauss-Newton.

Par les 4 relations suivantes en coordonnées polaires:

equation   (12.193)

Par les 9 relations suivantes en coordonnées cylindriques:

equation   (12.194)

Par les 9 relations suivantes en coordonnées sphériques:

equation   (12.195)

Nous avons donc finalement vu toutes les expressions du gradient d'un champ vectoriel dans les systèmes cartésiens, polaires, cylindriques et sphériques.  

DIVERGENCES D'UN CHAMP DE VECTEURS

La divergence s'applique à un champ de vecteurs et le transforme en un champ de scalaires. Intuitivement, et dans les cas le plus courant, la divergence d'un champ vectoriel exprime sa tendance à provenir ou converger vers certains points.

Remarque: Souvent les étudiants confondent l'opérateur gradient et divergence. Pour marquer la différence il faut se rappeler que la divergence d'un vecteur est un nombre alors que le gradient est un vecteur! Le gradient indique la direction dans laquelle la variation est la plus importante et son amplitude. La divergence dit simplement ce qui sort d'un point donné.

Cependant, il faut distinguer deux contributions à la divergence que nous définirons rigoureusement un peu plus loin: l'une due aux variations de direction appelée la "divergence directionnelle" et l'autre due aux variations de modules (norme) appelée la "divergence modulaire". Ainsi, pour des champs simples, nous pouvons imaginer des cas où la divergence ne serait que modulaire et d'autres, où elle ne serait que directionnelle. Nous pourrions aussi construire un champ où les deux types de divergence coexistent, mais d'effets contraires (convergence modulaire et divergence directionnelle par exemple).

Prenons par exemple un vecteur equation de l'espace et faisons lui traverser une surface S quelconque. Les physiciens assimilent alors la quantité equation qui se dirige suivant la normale à la surface au flux de equation à travers S .

Pour se convaincre de cette analogie nous pouvons imaginer un fluide coulant sur une surface plane, le flux à travers la surface est évidemment nul, par contre si le fluide coule verticalement à travers une surface horizontale le flux sera maximal. Il est alors immédiat de vouloir représenter le flux par le produit scalaire de equation avec la normale equation de la surface S.

Remarque:Il faut toujours prendre garde à la direction de equation car en un point quelconque d'une surface on a en général deux normales.

Si la surface est plane la normale est la même partout mais si elle change suivant les endroits, nous nous intéresserons alors à un petit élément de surface dS.

Si un petit élément de flux est défini par:

equation   (12.196)

alors le flux total sera donné par:

equation   (12.197)

ce qui est parfois noté (c'est un peu abusif mais pourquoi pas...):

equation   (12.198)

Supposons maintenant que notre vecteur equation déplace un point equation de l'espace en equation à travers un parallélépipède rectangle de côtés dx, dy et dz:

equation
Figure: 12.16 - Déplacement du vecteur à travers un parallélépipède

Nous pouvons décomposer le mouvement (flux) à travers chaque face du parallélépipède (décompositions dans la base orthonormée). Par exemple, si nous nous intéressons à l'élément décomposé du flux à travers la face (dy, dz)  décrite par les sommets BCFG nous avons bien évidemment equation.

Il nous faut encore déterminer comment représenter le flux equation pour cette direction. Comme le flux est une fonction, c'est-à-dire que chacune de ces composantes peut être dépendante des trois composantes de l'espace (si nous prenons le cas particulier d'une fonction dans equation) nous avons:

equation   (12.199)

Remarque: Ceux qui ne sont pas convaincus peuvent aller lire le début du chapitre d'Électrodynamique où nous prenons le champ électrique comme (excellent) exemple.

Alors la variation du flux selon x sera donnée par:

equation   (12.200)

ce qui nous donne:

equation   (12.201)

De même pour les deux autres faces:

equation   (12.202)

d'où en sommant:

equation   (12.203)

Par rapport à la première expression de equation, le terme dxdydz est donc un élément de volume et non plus de surface. Nous avons aussi un résultat intéressant:

equation   (12.204)

dont l'écriture plus explicite et plus rigoureuse devrait être (pour bien mettre en évidence que la surface fermée considérée est la frontière du volume fermé étudié):

equation   (12.205)

Remarque: Voir les exemples pratiques dans le chapitre d'Électrodynamique où par exemple pour le champ électrique la divergence est nulle pour une charge sphérique libre car les vecteurs pointent dans des directions différentes (divergence directionnelle) et les normes décroissent comme l'inverse du carré du rayon (convergence modulaire). Les deux contributions sont en oppositions et donc la divergence totale est nulle.

Le développement ci-dessus est appelé "théorème d'Ostrogradsky" ou "théorème de Gauss-Ostrogradsky" ou encore "théorème de la divergence" et définit en fait la divergence totale de equation dans un volume comme le flux de equation à travers les parois du volume fermé (surface fermée Gauss), ce qu'exprime bien le nom divergence.

Nous définissons l'opérateur "divergence" par la relation suivante (la notation tensorielle a été utilisée afin d'abréger l'écriture) dans un espace à n dimensions:

equation   (12.206)

Ainsi, nous avons pour l'opérateur "divergence en coordonnées cartésiennes":

equation   (12.207)

Si la divergence d'un champ de vecteurs est identiquement nulle en tous les points d'un repère Eulérien, l'intégrale triple du flux de ce champ à travers un volume V sera:

equation   (12.208)

Il en résulte que le flux de ce champ de vecteurs à travers les bords du volume est nul, c'est-à-dire que le flux entrant compense le flux sortant. Nous disons qu'un tel champ de vecteurs de divergence nulle présente un flux conservatif.

Pour déterminer l'expression de la divergence en coordonnées polaires rappelons les relations démontrées plus haut:

equation   (12.209)

Soit à présent equation une fonction vectorielle. Nous avons:

equation   (12.210)

Connaissant l'expression de equation en fonction de equation, à partir de l'expression ci-dessus nous en déduisons:

equation   (12.211)

La divergence de equation est définie par equation. Nous avons:

equation   (12.212)

Le premier terme vaut (application du gradient en coordonnées polaires!):

equation   (12.213)

de la même façon nous obtenons (nous pouvons détailler sur demande):

equation   (12.214)

En additionnant les deux termes et en exprimant les dérivées partielles des fonctions equation en fonction des dérivées partielles des fonctions equation à l'aide des relations:

equation   (12.215)

Nous obtenons:

equation   (12.216)

Après simplification:

equation   (12.217)

L'expression de l'opérateur "divergence en coordonnées polaires" est alors:

equation   (12.218)

Pour déterminer l'expression de l'opérateur divergence en coordonnées cylindriques rappelons les relations:

equation   (12.219)

Soit à présent equation une fonction vectorielle. Nous avons:

equation   (12.220)

Connaissant l'expression de equation en fonction de equation, à partir de l'expression ci-dessus nous en déduisons:

equation   (12.221)

La divergence de equation est définie par equation. Nous avons:

equation   (12.222)

Le premier terme vaut (application du gradient en coordonnées cylindriques):

equation   (12.223)

de la même façon nous obtenons (nous pouvons détailler sur demande):

equation   (12.224)

et:

equation   (12.225)

En additionnant les trois termes et en exprimant les dérivées partielles des fonctions equation en fonction des dérivées partielles des fonctions equation à l'aide des relations:

equation   (12.226)

Nous obtenons:

equation   (12.227)

Après simplification:

equation   (12.228)

L'expression de l'opérateur "divergence en coordonnées cylindriques" est alors:

equation   (12.229)

Pour obtenir l'expression de la divergence en coordonnées sphériques, rappelons les relations:

equation   (12.230)

Soit à présent equation une fonction vectorielle. Nous avons:

equation   (12.231)

Connaissant l'expression de equation en fonction de equation, à partir de l'expression ci-dessus nous en déduisons:

equation   (12.232)

La divergence de equation est définie par equation. Nous avons:

equation   (12.233)

Le premier terme vaut (application du gradient en coordonnées sphériques):

equation   (12.234)

de la même façon nous obtenons (nous pouvons détailler sur demande):

equation   (12.235)

et:

equation   (12.236)

En additionnant les trois termes et en exprimant les dérivées partielles des fonctions equation en fonction des dérivées partielles des fonctions equation à l'aide des relations:

equation   (12.237)

nous obtenons (nous pouvons développer les détails intermédiaires sur demande):

equation  (12.238)

Ainsi, l'expression de la divergence en coordonnées sphériques devient:

equation   (12.239)

et donc l'opérateur de "divergence en coordonnées sphériques" est alors:

equation   (12.240)

Nous avons donc finalement vu toutes les expressions de la divergence d'un champ vectoriel dans les systèmes cartésiens, polaires, cylindriques et sphériques.

ROTATIONNELS D'UN CHAMP DE VECTEURS

Le rotationnel d'un champ de vecteurs peut être vu (c'est une simplification!) comme le champ de vecteurs dont les lignes de champs sont perpendiculaires à celles dont nous avons calculé le rotationnel comme le montre l'exemple particulier ci-dessous:

equation
Figure: 12.17 - Exemple de rotationnel d'un champ de vecteurs

Le rotationnel transforme ainsi un champ de vecteurs en un autre champ de vecteurs. Plus difficile à se représenter précisément que le gradient et la divergence, il exprime intuitivement la tendance qu'a un champ à tourner autour d'un point (la manière dont il est tordu).

exempleExemples:

E1. Dans une tornade, le vent tourne autour de l'oeil du cyclone et le champ vectoriel vitesse du vent a un rotationnel non nul autour de l'oeil.

E2. Le rotationnel du champ des vitesses d'un disque qui tourne à vitesse constante est constant, dirigé selon l'axe de rotation et orienté de telle sorte que la rotation ait lieu, par rapport à lui, dans le sens direct.

Un champ de vecteurs est dit "irrotationnel" lorsque le rotationnel de ce champ est identiquement nul en tous les points de l'espace. Dans le cas contraire, nous disons qu'il est "tourbillonnaire".

Dans le cas usuel où dx représente un élément de longueur, l'unité du rotationnel est alors l'unité du champ considéré divisée par une unité de longueur. Par exemple, en mécanique des fluides: l'unité du rotationnel d'un champ de vitesse est le radian par unité de temps, comme une vitesse angulaire!

La divergence donne certaines indications sur le comportement d'un vecteur ou d'un champ de vecteurs: comment il se dirige par rapport à la normale et comment il traverse les surfaces, mais c'est insuffisant. Prenons un champ qui aurait la forme d'un cylindre et un autre champ qui aurait la forme d'une hélice de même diamètre que le cylindre. S'ils se dirigent dans la même direction leur divergence sera identique alors que les mouvements sont bien différents. Il faut donc que nous déterminions la manière dont le champ est courbé quand il traverse une surface: ceci va être déterminé par la circulation (comme le travail d'une force par exemple) du vecteur le long d'une courbe fermée, obtenue avec la somme des produits scalaires equation sur le contour fermé (cf. chapitre de Calcul Différentiel Et Intégral):

equation   (12.241)

en fait ça revient au même de regarder comment est tordu le vecteur par rapport à la normale à la surface ce qui nous amène à définir le "rotationnel" ou "vecteur tourbillon" en écrivant:

equation   (12.242)

qui établit donc une relation entre l'intégrale curviligne et l'intégrale de surface (on transforme donc une intégrale curviligne sur un parcours fermé en une intégrale de surface délimitée par ledit parcours).

En d'autres termes, le rotationnel se calcule en utilisant le fait que la circulation autour d'un circuit élémentaire fermé d'un champ de vecteurs est égal au flux de son rotationnel à travers la surface élémentaire immédiate engendrée par ce circuit.

Ceci est le "théorème de Stokes" (qui est plus rigoureusement démontrable avec un formalisme mathématique assez lourd) qui est donc en fait une définition de l'opérateur rotationnel dont nous allons chercher l'expression mathématique explicite:

Soit equation un champ vectoriel défini dans un espace donné. Nous voulons donc calculer la circulation du equation autour d'un contour fermé C:

equation   (12.243)

Nous choisissons comme contour C le contour d'un rectangle infinitésimal de côté equation plongé dans equation et parallèle au plan xOy (remarquez que nous parcourons le contour de façon a toujours avoir la surface à notre gauche):

equation
Figure: 12.18 - Contour d'intégration

Pour les deux côtés horizontaux, la contribution à la circulation est:

equation   (12.244)

Ce qui nous autorise à écrire:

equation   (12.245)

De même, pour les faces verticales:

equation   (12.246)

Ainsi, nous avons la circulation selon z:

equation   (12.247)

Ce qui s'écrit aussi sous la forme générale traditionnelle suivante:

equation   (12.248)

et constitue le non moins fameux "théorème de Green" ou appelé encore "théorème de Green-Riemann" que nous retrouverons dans le chapitre d'Analyse Complexe.

Et que nous écrirons dans le cas qui nous intéresse:

equation   (12.249)

Par permutation circulaire nous obtenons alors:

equation   (12.250)

Soit sous forme vectorielle condensée:

equation   (12.251)

Ce qui permet de mieux comprendre la notation, ou la définition non intuitive du rotationnel dans beaucoup d'ouvrages et qui est:

equation   (12.252)

soit le produit vectoriel de l'opérateur gradient avec le champ vectoriel.

Donc nous avons finalement démontré le théorème de Stokes qui donne bien:

equation   (12.253)

et en même temps le rotationnel en coordonnées cartésiennes.

Cherchons maintenant à déterminer l'expression du rotationnel en coordonnées cylindriques (le rotationnel en coordonnées polaires n'étant pas définissable).

En réutilisant la même technique que pour le rotationnel en coordonnées cartésiennes, nous écrivons la circulation de equationle long d'un contour correspondant à un petit morceau de cylindre orthogonal à (Oz): equation.

equation
Figure: 12.19 - Représentation du morceau de cylindre

Nous avons alors en fixant z (attention le equation n'a rien à voir avec le r du rayon du cylindre... la notation peut être confuse j'en suis désolé!):

equation   (12.254)

la circulation totale donne donc après regroupement des termes:

equation
  (12.255)

Nous ne pouvons pas à cette étape directement comparer avec le rotationnel car il nous est difficile de faire apparaître la différentielle de la surface si nous regardons les différentielles qui apparaissent actuellement dans la circulation. Le mieux est alors de tout diviser par equation:

equation   (12.256)

Donc:

equation   (12.257)

Maintenant nous déterminons le rotationnel en fixant equation. Le problème revient à avoir donc un rectangle dans l'espace que nous parcourons pour déterminer la circulation. Or, nous savons déjà ce qu'est le résultat du rotationnel pour un rectangle en coordonnées cartésiennes:

equation   (12.258)

à la différence que dans les coordonnées cylindriques il faut substituer z par equation, x par z, y par r, equation par equation et finalement equation par equation (ce choix s'impose toujours simplement parce que la circulation se fait de telle manière que la surface soit toujours à notre gauche) . Ce qui nous donne:

equation   (12.259)

Il ne nous reste plus qu'à trouver la composante du rotationnel en r (soit quand r est fixé). Le calcul est alors plus délicat puisqu'il s'agit de parcourir (positivement toujours!) une surface courbée par la variation de l'angle equation.

Nous avons alors en fixant r:

equation   (12.260)

la circulation totale donne donc après regroupement des termes:

equation   (12.261)

Nous ne pouvons pas à cette étape directement comparer avec le rotationnel car il nous est difficile de faire apparaître la différentielle de la surface si nous regardons les différentielles qui apparaissent actuellement dans la circulation. Le mieux est alors tout diviser par equation:

equation
  (12.262)

Donc finalement:

equation   (12.263)

Et finalement le rotationnel en coordonnées cylindriques dans sa globalité est donné par:

equation   (12.264)

Le lecteur pourrait aisément vérifier que ce résultat est simplement le gradient en coordonnées cylindriques appliqué au champ vectoriel equation.

Pour s'en persuader, montrons maintenant directement l'expression du rotationnel en coordonnées sphériques en montrant ceci via le produit vectoriel du gradient en coordonnées sphériques avec le champ vectoriel equation.

D'abord rappelons que nous avons obtenu pour le gradient en coordonnées sphériques:

equation   (12.265)

Donc il vient:

equation   (12.266)

ce que nous pouvons aussi écrire en décomposant à l'aide des vecteurs de base:

equation   (12.267)

A l'aide des dérivées partielles que nous avions démontrées lors de notre introduction plus haut du système de coordonnées sphériques il vient:

equation   (12.268)

Les produits vectoriels avec les vecteurs colinéaires s'annulent. Il reste donc:

equation   (12.269)

Comme le produit vectoriel de deux vecteurs de base donne le vecteur orthogonal correspondant (positivement ou négativement) nous avons alors:

equation   (12.270)

En regroupant les termes il vient:

equation   (12.271)

Soit en simplifiant:

equation   (12.272)

Soit finalement:

equation   (12.273)

LAPLACIENS D'UN CHAMP SCALAIRE

Le laplacien d'un champ scalaire equationest le champ scalaire qui mesure la différence entre la valeur de la fonction en un point et sa moyenne autour de ce point. En d'autres termes, la dérivée partielle deuxième mesure les variations de la pente au point étudié dans un entourage immédiat et selon une dimension à la fois. Si la dérivée partielle deuxième est nulle selon x, alors la pente est constante dans un entourage immédiat et selon cette dimension, cela implique que la valeur de la fonction au point étudié est la moyenne de son entourage (selon une dimension).

Le lecteur pourra par ailleurs retrouver des applications pratiques de cet opérateur dans les chapitres d'Analyse Complexe, de Chimie Quantique, d'Astronomie, d'Électrodynamique, de Génie Marin & Météo, de Mécanique Ondulatoire, de Physique Quantique Des Champs et de Physique Quantique Ondulatoire.

Cet opérateur e définit à partir de la divergence du gradient et nous le notons (écriture tensorielle):

equation   (12.274)

Le laplacien est nul, ou assez petit, lorsque la fonction varie. Les fonctions vérifiant l'équation de Laplace:

equation   (12.275)

sont appelées "fonctions harmoniques".

Donc l'opérateur "laplacien en coordonnées cartésiennes" est de par cette définition, donné par:

equation   (12.276)

Le laplacien d'un champ scalaire et dans d'autres systèmes de coordonnées est un peu plus long à développer. Il existe plusieurs méthodes et parmi celles existantes j'ai choisi celles dont le type de raisonnement et les outils utilisés semblaient pertinents. Il est intéressant d'aborder différentes stratégies mais bien sûr il existe des méthodes plus simples que celle présentée ci-dessous.

Soit le laplacien en coordonnées cartésiennes dans equation d'un champ scalaire f :

equation   (12.277)

Pour déterminer cette expression en coordonnées polaires,  nous allons utiliser la différentielle totale et la règle de chaîne en coordonnées polaires:

equation   (12.278)

donc pour une dérivée seconde:

equation   (12.279)

or, nous avons pour les coordonnées polaires:

equation et equation   (12.280)

d'où:

equation et equation

equation et equation
  (12.281)

d'où:

equation   (12.282)

et compte tenu que les dérivées partielles secondes sont continues, alors les dérivées croisées sont égales selon le théorème de Schwarz (cf. chapitre de Calcul Différentiel Et Intégral):

equation   (12.283)

Donc:

equation   (12.284)

De façon similaire, nous aurons:

equation   (12.285)

d'où l'expression du laplacien en coordonnées polaires en sommant les deux dernières expressions:

equation   (12.286)

Donc l'opérateur "laplacien en coordonnées polaires" est finalement donné par:

equation   (12.287)

Pour trouver l'expression du laplacien en coordonnées sphériques, nous allons utiliser l'intuition du physicien et les notions de similitude.

Nous allons tout d'abord nous aider de la figure ci-dessus pour savoir de quoi l'on parle:

equation
Figure: 12.20 - Représentation du système de coordonnées sphériques

Rappelons que les relations entre coordonnées cartésiennes et sphériques sont données par les relations:

equation   (12.288)

Nous allons considérer maintenant les similitudes suivantes:

Coordonnées cylindriques: equation et equation

Coordonnées sphériques: equation et equation

Construisons un tableau de correspondance:

equation   (12.289)

L'objectif est de jouer avec cette correspondance avec d'abord le laplacien en coordonnées cylindriques où l'on a soustrait des deux côtés de l'égalité le terme equation. Ainsi:

equation  (12.290)

utilisons le tableau de correspondance et nous obtenons:

equation   (12.291)

Le deuxième terme de l'égalité de cette dernière relation est l'équivalent sphérique du terme #1 du laplacien en coordonnées cylindriques:

equation   (12.292)

Maintenant examinons le terme: equation

Identiquement lorsque nous avons déterminé la relation:

equation   (12.293)

nous obtenons:

equation   (12.294)

avec:

equation et equation   (12.295)

ce qui nous permet d'écrire:

equation   (12.296)

si nous jouons encore avec le tableau de correspondance, nous avons:

equation   (12.297)

nous divisons cette relation des deux côtés par equation et ainsi nous obtenons:

equation   (12.298)

Nous avons donc ci-dessus l'équivalent sphérique du terme #2 du laplacien en coordonnées cylindriques:

equation   (12.299)

Le troisième et dernier terme est très simple à déterminer. Nous remplaçons equation par equation afin d'obtenir:

equation   (12.300)

En rassemblant tous les termes obtenus précédemment, nous obtenons enfin la forme étendue du laplacien en coordonnées sphériques si utilisé en physique:

equation   (12.301)

Nous pouvons raccourcir cette expression en factorisant les termes:

equation   (12.302)

Si nous condensons encore un peu, nous obtenons l'expression finale de l'opérateur "laplacien en coordonnées sphériques" appelé aussi "laplacien sphérique":

equation   (12.303)

LAPLACIENS D'UN CHAMP VECTORIEL

Comme pour le laplacien d'un champ scalaire, le laplacien d'un champ vectoriel n'est qu'un système de notation très commode pour condenser l'écriture des composantes d'un champ.

Le lecteur pourra par ailleurs retrouver des applications pratiques de cet opérateur dans les chapitres d'Électrocinétique, d'Électrodynamique et de Mécanique Des Milieux Continus.

Ainsi, le laplacien vectoriel est souvent défini par:

equation   (12.304)

Nous allons par ailleurs démontrer que dans le cas particulier des coordonnées cartésiennes, le laplacien d'un champ vectoriel a pour composantes le laplacien scalaire de chacune des composantes.

Nous avons donc en coordonnées cartésiennes:

equation   (12.305)

et donc le laplacien d'un champ vectoriel en coordonnées cartésiennes, est bien le laplacien laplacien scalaire de chacune des composantes:

equation   (12.306)

Ou explicitement:

equation   (12.307)

Le laplacien d'un champ de vecteurs, appelé fréquemment "laplacien vectoriel", en d'autres systèmes de coordonnées est assez simple à obtenir à partir de la connaissance du laplacien d'un champ scalaire dans ces mêmes coordonnées.

Nous avons en coordonnées cylindriques:

equation   (12.308)

Pour la simplification (faute de place) concentrons-nous d'abord sur la première ligne:

equation   (12.309)

et ensuite sur la deuxième ligne:

equation   (12.310)

Et enfin la troisième et dernière ligne:

equation   (12.311)

Ce qui donne donc pour le laplacien vectoriel en coordonnées cylindriques tel que nous pouvons le trouver dans les tables ou formulaires:

equation   (12.312)

Pour finir en beauté et dans la joie et la bonne humeur faisons les calculs joyeux et détaillés du laplacien vectoriel en coordonnées sphériques (c'est long mais c'est juste pour s'assurer que l'on retrouve ce qu'il y a dans les tables et formulaires).

equation   (12.313)

Concentrons-nous sur la première ligne (attention! ça va être long...):

equation

equation

equation

equation

equation

  (12.314)

voilà pour la première ligne... Attaquons-nous maintenant à la deuxième ligne toujours dans la joie et la bonne humeur...:

equation

equation

equation

equation

  (12.315)

et enfin un dernier effort pour la troisième et dernière ligne:

equation

equation

equation

  (12.316)

Ce qui donne donc pour le laplacien vectoriel en coordonnées sphérique tel que nous pouvons le trouver dans les tables ou formulaires:

equation   (12.317)

voilà voilà... pour les sceptiques.

IDENTITÉS

Les opérateurs différentiels scalaires et vectoriels ont des identités remarquables très simples que nous retrouverons très souvent en physique.

Voyons d'abord les relations qui n'ont aucun sens (au cas où vous tomberiez dessus sans faire exprès...):

 equation ou equation   (12.318)

Le rotationnel d'une divergence n'existe pas puisque l'opérateur rotationnel s'applique à un champ vectoriel alors que la divergence est un scalaire.

equation ou equation   (12.319)

Le rotationnel d'un laplacien scalaire n'existe pas puisque l'opérateur rotationnel s'applique à un champ vectoriel alors que par construction, le laplacien est un scalaire.

Voyons maintenant quelques propriétés remarquables sans démonstrations (cependant si vous en avez besoin car vous n'y arrivez pas seul, n'hésitez pas à nous contacter, nous compléterons):

I1. Par construction le laplacien scalaire est la divergence du gradient du champ:

equation   (12.320)

I2. Le rotationnel du gradient est nul:

equation   (12.321)

Donc si le rotationnel d'une variable vectorielle est nul, la variable peut être exprimée comme le gradient d'un potentiel scalaire! C'est une propriété très importante en électromagnétisme et en mécanique des fluides!

Démonstration:

equation   (12.322)

equationC.Q.F.D.

I3. La divergence du rotationnel d'un champ vectoriel est toujours nulle:

equation ou equation   (12.323)

Démonstration:

equation   (12.324)

equationC.Q.F.D.

I4. Le rotationnel du rotationnel d'un champ vectoriel est égal au gradient de la divergence de ce champ moins son laplacien vectoriel:

equation ou equation   (12.325)

Démonstration:

equation   (12.326)

Il est ensuite facile de vérifier que cette dernière égalité est égale à:

equation   (12.327)

equationC.Q.F.D.

I5. La multiplication de l'opérateur nabla par le produit scalaire de deux vecteurs est égale à... (voir ci-dessous), qui donne une relation très utile en mécanique des fluides:

equation   (12.328)

I6. Le produit scalaire du rotationnel d'un vecteur est la différence des opérateurs commutés tel que:

equation   (12.329)

Nous réutiliserons cette dernière relation lors de notre étude en électromagnétisme de la pression de radiation (entre autres).

RÉSUMÉ

Dans le cadre de ce site Internet, nous faisons usage des différentes notations présentées et résumées dans le tableau ci-dessous. Leur usage permet dans le cadre de différentes théories d'éviter des confusions avec d'autres être mathématiques. C'est embêtant certes mais il faudra faire avec.

ÊTRE MATHEMATIQUE

NOTATIONS

Gradient d'un champ scalaire

equation  equation

Gradient d'un champ vectoriel

equation

Divergence d'un champ de vecteurs

equation   div(equation)

Rotationnel d'un champ de vecteurs

equation   rot(equation)

Laplacien d'un champ scalaire

equation

Laplacien d'un champ vectoriel

equation

Tableau: 12.1  - Résumé des opérateurs différentiels vectoriels

Et pour les pragmatiques voici un résumé des explications des opérateurs les plus importants en physique:

- Le gradient signifie "la pente" (exemple: le champ électrique est la pente du potentiel électrostatique).

Les différentes expressions de l'opérateur gradient (mises sous la forme de l'opérateur nabla) en coordonnées cartésiennes, polaires, cylindriques et sphériques sont les suivantes:

equation   (12.330)

equation   (12.331)

equation   (12.332)

equation   (12.333)

- La divergence caractérise un flux de quelque chose qui vient de quelque part, d'une source, ou qui y va. Si la divergence n'est pas nulle, c'est qu'il y a concentration autour d'un point, donc la densité augmente (ou diminue, c'est selon le signe). Ça peut être la densité de charges électriques ou bien la masse volumique. D'où le fameux théorème qui dit que le flux (ce qui passe dans une surface) est égal à l'intégrale de la divergence (ce qui reste).

Les différentes expressions de l'opérateur divergence (mises sous la forme de l'opérateur nabla) en coordonnées cartésiennes, polaires, cylindriques et sphériques sont les suivantes:

equation   (12.334)

equation   (12.335)

equation   (12.336)

equation   (12.337)

- Le rotationnel caractérise l'existence d'un tourbillon (très utilisé en mécanique des fluides). S'il y a un tourbillon, on peut suivre une ligne de courant sur une courbe fermée sans qu'elle change de sens: la circulation ne sera pas nulle (elle vaut l'intégrale du rotationnel).

Les différentes expressions du rotationnel en coordonnées cartésiennes, cylindriques et sphériques sont les suivantes:

equation   (12.338)

equation   (12.339)

equation   (12.340)

- Le laplacien d'un champ scalaire est le champ scalaire qui mesure la différence entre la valeur de la fonction en un point et sa moyenne autour de ce point. En d'autres termes, la dérivée partielle deuxième mesure les variations de la pente au point étudiée dans un entourage immédiat et selon une dimension à la fois. Si la dérivée partielle deuxième est nulle selon une direction, alors la pente est constante dans un entourage immédiat et selon cette dimension, cela implique que la valeur de la fonction au point étudié est la moyenne de son entourage (selon une dimension).

Les différentes expressions du laplacien (mises sous la forme de l'opérateur nabla) en coordonnées cartésiennes, polaires et sphériques sont les suivantes:

equation   (12.341)

equation   (12.342)

equation   (12.343)


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