مراجعة دروس الرياضيات الجزء الثاني fonctions de plusieurs variables

fonctions de plusieurs variables

0.1.2.1 fonction scalaire f(x,t) dépendant d'une variable d'espace x et du temps t

exemple:: $f(x,t)=2xe^{-t}$

dérivée partielle en temps:
$\frac{\partial f}{\partial t}=\lim_{dt\rightarrow0}\frac{f(x,t+dt)-f(x,t)}{dt}$
dérivée partielle en espace:
$\frac{\partial f}{\partial x}=\lim_{dx\rightarrow0}\frac{f(x+dx,t)-f(x,t)}{dx}$
sa différentielle est un scalaire: $df=\frac{\partial f}{\partial x}dx+\frac{\partial f}{\partial t}dt$

0.1.2.2 fonction scalaire f(x,y,t) dépendant de 2 variables d'espace x,y et du temps t

exemple:: $f(x,y,t)=2xye^{-t}$

sa différentielle est un scalaire: $df=\frac{\partial f}{\partial x}dx+\frac{\partial f}{\partial y}dy+\frac{\partial f}{\partial t}dt$
son gradient (par rapport aux variables spatiales) est un vecteur de composantes $\frac{\partial f}{\partial x},\frac{\partial f}{\partial y}$
$\overrightarrow{grad}f=\overrightarrow{\nabla}f\,=\,\frac{\partial f}{\partial x}\overrightarrow{e_{x}}+\frac{\partial f}{\partial y}\overrightarrow{e_{y}}$
A un instant t fixé, c'est un vecteur perpendiculaire aux courbes iso-valeurs , qui indique la direction où la fonction croıt.
on note $\overrightarrow{grad}=\overrightarrow{\nabla}$ le vecteur opérateur dérivé:
$\overrightarrow{\nabla}=\left[\begin{array}{ccc} \frac{\partial}{\partial x} & ... ...c{\partial}{\partial x_{1}} & \frac{\partial}{\partial x_{2}}\end{array}\right]$

0.1.2.3 fonction scalaire f(x,y,z,t) dépendant de 3 variables d'espace et du temps

exemple:: $f(x,y,z,t)=2xyze^{-t}$

sa différentielle est un scalaire: $df=\frac{\partial f}{\partial x}dx+\frac{\partial f}{\partial y}dy+\frac{\partial f}{\partial z}dz+\frac{\partial f}{\partial t}dt$
son gradient (par rapport aux variables spatiales) est un vecteur:
$\overrightarrow{grad}f=\overrightarrow{\nabla}f\,=\,\frac{\partial f}{\partial ... ...al y}\overrightarrow{e_{y}}+\frac{\partial f}{\partial z}\overrightarrow{e_{z}}$

0.1.2.4 fonction vectorielle $\overrightarrow {U}(x,y,t)$ en 2D

c'est une fonction vectorielle de composantes $\{ u(x,y,t),\, v(x,y,t)\}$

exemple:: $\overrightarrow{U}(x,y,t)=\left[\begin{array}{cc} 2xye^{-t} & (x^{2}+y^{2})e^{t}\end{array}\right]$

sa matrice Jacobienne est la matrice des gradients:

$\begin{displaymath} J=\left[\begin{array}{cc} \frac{\partial u}{\partial x} & \f... ...rray}\right]=\left[\frac{\partial u_{i}}{\partial x_{j}}\right]\end{displaymath}$
sa divergence est un scalaire: $div\,\overrightarrow{U}=\overrightarrow{\nabla}.\overrightarrow{U}=\frac{\partial u}{\partial x}+\frac{\partial v}{\partial y}$ .C'est la trace de .
Elle traduit la compression ou l'expansion du champs
son rotationnel est un vecteur perpendiculaire au plan d'amplitude: $\frac{\partial v}{\partial x}-\frac{\partial u}{\partial y}$
$\overrightarrow{rot}\,\overrightarrow{U}=\overrightarrow{\nabla}\wedge\overrigh... ...ial v}{\partial x}-\frac{\partial u}{\partial y}\right\} \overrightarrow{e_{z}}$
Il traduit la rotation solide du champ
l'opérateur scalaire $\overrightarrow{U}.\overrightarrow{grad}()=u\frac{\partial}{\partial x}+v\frac{\partial}{\partial y}$
traduit le transport par le champ d'une quantité:

$\begin{displaymath} F(M+\overrightarrow{dM})-F(M)=\overrightarrow{U}.\overrighta... ...,\mbox{{\, avec\,}}\,\,\overrightarrow{dM}=\overrightarrow{U}dt\end{displaymath}$

donne un scalaire appliqué à un scalaire: $\overrightarrow{U}.\overrightarrow{grad}f=u\frac{\partial f}{\partial x}+v\frac{\partial f}{\partial y}$
et un vecteur appliqué à un vecteur:

$\begin{displaymath} \overrightarrow{U}.\overrightarrow{grad}\overrightarrow{U}=\... ...v}{\partial x}+v\frac{\partial v}{\partial y}\end{array}\right]\end{displaymath}$

0.1.2.5 fonction vectorielle $\overrightarrow {U}(x,y,z,t)$ en 3D

c'est une fonction vectorielle de composantes $\{ u(x,y,z,t),\, v(x,y,z,t),\, w(x,y,z,t)\}$

sa divergence est un scalaire: $div\,\overrightarrow{U}=\overrightarrow{\nabla}.\overrightarrow{U}=\frac{\partial u}{\partial x}+\frac{\partial v}{\partial y}+\frac{\partial w}{\partial z}$
son rotationnel est un vecteur:
$\overrightarrow{rot}\,\overrightarrow{U}=\overrightarrow{\nabla}\wedge\overrigh... ...ial v}{\partial x}-\frac{\partial u}{\partial y}\right\} \overrightarrow{e_{z}}$
l'opérateur scalaire $\overrightarrow{U}.\overrightarrow{grad}()=u\frac{\partial}{\partial x}+v\frac{\partial}{\partial y}+w\frac{\partial}{\partial z}$
donne un scalaire appliqué à un scalaire: $\overrightarrow{U}.\overrightarrow{grad}f=u\frac{\partial f}{\partial x}+v\frac{\partial f}{\partial y}+w\frac{\partial f}{\partial z}$
et un vecteur appliqué à un vecteur:

$\begin{displaymath} \overrightarrow{U}.\overrightarrow{grad}\overrightarrow{U}=\... ...w}{\partial y}+w\frac{\partial w}{\partial z}\end{array}\right]\end{displaymath}$

0.1.3 propriétés des opérateurs gradient, divergence, et rotationnellerotationnel

Notons enfin quelques propriétés de ces opérateurs:

$div(\overrightarrow{grad}\, f)=\Delta f=\frac{\partial^{2}f}{\partial x^{2}}+\frac{\partial^{2}f}{\partial y^{2}}+\frac{\partial^{2}f}{\partial z^{2}}$
$\overrightarrow{rot}(\overrightarrow{grad}\, f)=0$
$div(f\overrightarrow{U})=\overrightarrow{U}.\overrightarrow{grad}\, f\,+f\, div\overrightarrow{U}$
$\overrightarrow{grad}(\frac{1}{2}U^{2})=\overrightarrow{U}\wedge\overrightarrow... ...\overrightarrow{U}+\overrightarrow{U}.\overrightarrow{grad}\,\overrightarrow{U}$

0.1.3.1 Théorème de la divergence:

soit $\Omega$ un domaine fermé de frontière $\Gamma$ :
“le bilan des flux sur la surface $\Gamma$ est égale à la divergence du champ de vitesse dans le domaine”, soit

$\begin{displaymath} \int_{\Omega}div(\overrightarrow{U})\, d\Omega=\int_{\Gamma}\overrightarrow{U}.\overrightarrow{n}\, ds\end{displaymath}$
Pour un domaine carré $\Omega=[0,a]x[0,a]$ de coté , cela correspond à une intégration suivant les axes:

$\begin{eqnarray*} \int_{0}^{a}\int_{0}^{a}(\frac{\partial u}{\partial x}+\frac{\... ... ds+\int_{\Gamma_{y=0}}\overrightarrow{U}.\overrightarrow{n}\, ds\end{eqnarray*}$

On généralise facilement au cas du flux $f\,\overrightarrow{U}$ d'un scalaire

$\begin{displaymath} \int_{\Omega}div(f\,\overrightarrow{U})\, d\Omega=\int_{\Gamma}f\,\overrightarrow{U}.\overrightarrow{n}\, ds\end{displaymath}$

0.1.4 Développement limitée (série de Taylor):

0.1.4.1 fonction d'une variable d'espace x et du temps t

développement limité en temps
$f(x,t+dt)=f(x,t)+\frac{\partial f}{\partial t}dt+\frac{1}{2}\frac{\partial^{2}f}{\partial t^{2}}(dt)^{2}+\theta(dt^{2})$
développement limité en espace
$f(x+dx,t)=f(x,t)+\frac{\partial f}{\partial x}dx+\frac{1}{2}\frac{\partial^{2}f}{\partial x^{2}}(dx)^{2}+\theta(dx^{2})$
développement limité en temps et en espace:
$f(x+dx,t+dt)=f(x,t)+\frac{\partial f}{\partial x}dx+\frac{\partial f}{\partial ... ...xdt+\frac{1}{2}\frac{\partial^{2}f}{\partial t^{2}}dt^{2}+\theta(dx^{2},dt^{2})$

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