Analyse vectorielle
L'analyse vectorielle est une branche des mathématiques qui étudie les champs de scalaires et de vecteurs suffisamment réguliers des espaces euclidiens, c'est-à -dire les applications différentiables d'un ouvert d'un espace euclidien E à valeurs respectivement dans et dans E. Du point de vue du mathématicien, l'analyse vectorielle est donc une branche de la géométrie différentielle. Cette derniÚre inclut l'analyse tensorielle qui apporte des outils plus puissants et une analyse plus concise entre autres des champs de vecteurs.
Mais l'importance de l'analyse vectorielle provient de son utilisation intensive en physique et dans les sciences de l'ingĂ©nieur. C'est de ce point de vue que nous la prĂ©senterons, et c'est pourquoi nous nous limiterons le plus souvent au cas oĂč est l'espace usuel Ă trois dimensions. Dans ce cadre, un champ de vecteurs associe Ă chaque point de l'espace un vecteur (Ă trois composantes rĂ©elles), tandis qu'un champ de scalaires y associe un rĂ©el. Imaginons par exemple l'eau d'un lac. La donnĂ©e de sa tempĂ©rature en chaque point forme un champ de scalaires, celle de sa vitesse en chaque point, un champ de vecteurs (pour une approche plus thĂ©orique, voir gĂ©omĂ©trie diffĂ©rentielle).
Le calcul vectoriel et l'analyse vectorielle furent développés à la fin du XIXe siÚcle par J. Willard Gibbs et Oliver Heaviside à partir de la théorie des quaternions (due à Hamilton) ; la plupart des notations et de la terminologie furent établies par Gibbs et Edwin Bidwell Wilson dans leur livre de 1901, Vector Analysis (Analyse vectorielle).
Principaux opérateurs différentiels linéaires
Le gradient, la divergence et le rotationnel sont les trois principaux opérateurs différentiels linéaires du premier ordre. Cela signifie qu'ils ne font intervenir que des dérivées partielles (ou différentielles) premiÚres des champs, à la différence, par exemple, du laplacien qui fait intervenir des dérivées partielles du second ordre.
On les rencontre en particulier en :
- MĂ©canique des fluides (Ă©quations de Navier-Stokes).
- ĂlectromagnĂ©tisme, oĂč ils permettent d'exprimer les propriĂ©tĂ©s du champ Ă©lectromagnĂ©tique. La formulation moderne des Ă©quations de Maxwell utilise ces opĂ©rateurs.
- Ainsi que dans toute la physique mathématique (propagation, diffusion, résistance des matériaux, ...).
Opérateur formel nabla
L'opĂ©rateur nabla tire son nom d'une lyre antique qui avait la mĂȘme forme de triangle pointant vers le bas. Il s'agit d'un opĂ©rateur formel de dĂ©fini en coordonnĂ©es cartĂ©siennes par
On Ă©crit aussi pour souligner que formellement, l'opĂ©rateur nabla a les caractĂ©ristiques d'un vecteur. Il ne contient certes pas de valeurs scalaires, mais on va utiliser ses Ă©lĂ©ments constitutifs (que l'on peut voir comme des opĂ©rations en attente d'argument â des opĂ©rateurs diffĂ©rentiels) trĂšs exactement comme on aurait utilisĂ© les valeurs scalaires composant un vecteur.
La notation nabla fournit un moyen commode pour exprimer les opérateurs vectoriels en coordonnées cartésiennes ; dans d'autres systÚmes de coordonnées, elle est encore utilisable au prix de précautions supplémentaires ; pour plus de précisions, et des interprétations plus théoriques (en particulier la relation avec la dérivée covariante), voir les articles détaillés nabla et connexion de Koszul.
Opérateur différentiel gradient
Le gradient est un opérateur linéaire qui s'applique à un champ de scalaires et décrit un champ de vecteurs qui représente la variation de la valeur du champ scalaire dans l'espace . Pratiquement, 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.
En mathématiques, le gradient du champ f, supposé continûment différentiable, au point a, est défini par la relation
oĂč dĂ©signe la valeur sur le vecteur de la diffĂ©rentielle de la fonction au point .
C'est donc tout simplement la définition de l'application linéaire tangente du champ scalaire f(M)=f(x,y,z) en M=a. De plus, pour une surface d'équation f(x,y,z)=0, le vecteur normal à la surface au point est donné par , ce qui se déduit facilement de ce qui précÚde.
Il en résulte immédiatement que la dérivée de la fonction en par rapport au vecteur v est donnée par
En dimension 3 et coordonnées cartésiennes, le champ de gradients vérifie (en base orthonormale)
Cette relation peut servir, dans le cas particulier oĂč elle s'applique, de dĂ©finition du gradient. Elle se gĂ©nĂ©ralise naturellement en dimension quelconque en ajoutant des composantes au nabla.
Application linéaire tangente d'un champ de vecteurs
Soit M' le point translaté de M par la translation de vecteur ; alors :
définit l'opérateur linéaire noté par un chapeau pour signifier que sa représentation dans une base est une matrice carrée [3-3], application linéaire tangente du champ de vecteurs F(M).
Le déterminant de cet opérateur est le Jacobien de la transformation qui à M associe F(M).
Sa trace définira la divergence du champ de vecteurs F(M).
Cela permettra de donner du rotationnel du champ de vecteurs F(M) une définition intrinsÚque.
On pourra vérifier que symboliquement :
Opérateur divergence
La divergence s'applique Ă un champ de tenseurs d'ordre n et le transforme en un champ de tenseurs d'ordre n-1. Pratiquement, la divergence d'un champ de vecteurs exprime sa tendance Ă fluer localement hors d'un petit volume entourant le point M oĂč est calculĂ©e la divergence.
En dimension 3 et en coordonnées cartésiennes, si est un tenseur d'ordre 1, alors c'est un vecteur et on peut définir la divergence par la relation
oĂč dĂ©signe le champ de vecteurs auquel est appliquĂ© l'opĂ©rateur divergence. La divergence peut ĂȘtre vue, formellement, comme le produit scalaire de l'opĂ©rateur nabla par le vecteur « gĂ©nĂ©rique » du champ auquel elle est appliquĂ©e, ce qui justifie la notation . Bien entendu, cette dĂ©finition se gĂ©nĂ©ralise naturellement en dimension quelconque.
La définition indépendante du choix de la base est :
Une autre définition possible, plus générale mais plus difficile à formaliser, consiste à définir la divergence d'un champ de vecteurs en un point comme le flux local du champ autour de ce point.
Opérateur rotationnel
Le rotationnel transforme un champ de vecteurs en un autre champ de vecteurs. Plus difficile à se représenter aussi précisément que le gradient et la divergence, il exprime la tendance qu'a un champ à tourner autour d'un point : sa circulation locale sur un petit lacet entourant le point M est non nulle. Par exemple :
- dans une tornade, le vent tourne autour de l'Ćil du cyclone et le champ de vecteurs vitesse du vent a un rotationnel non nul autour de l'Ćil. Le rotationnel de ce champ de vitesse (autrement dit le champ de vorticitĂ© ou encore champ tourbillon) est d'autant plus intense que l'on est proche de l'Ćil.
- le rotationnel du champ des vitesses d'un solide 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, et vaut simplement
Dans un espace à 3 dimensions et en coordonnées cartésiennes, on peut définir le rotationnel par la relation
oĂč dĂ©signe le champ de vecteurs auquel est appliquĂ© l'opĂ©rateur rotationnel. L'analogie formelle avec un produit vectoriel justifie la notation .
Cela peut aussi s'écrire, par abus de notation (c'est aussi une astuce mnémotechnique), à l'aide d'un déterminant :
oĂč dĂ©signe la base canonique. Cette derniĂšre expression est un peu plus compliquĂ©e que la prĂ©cĂ©dente, mais elle se gĂ©nĂ©ralise facilement Ă d'autres systĂšmes de coordonnĂ©es.
- Une définition intrinsÚque (parmi d'autres) du rotationnel est la suivante :
Ă partir du champ , on peut construire le champ (oĂč est un vecteur uniforme) dont la divergence est une forme linĂ©aire de et donc exprimable par un produit scalaire , oĂč est l'opposĂ© du rotationnel de :
Une autre définition possible, plus générale mais plus difficile à formaliser, consiste à définir le rotationnel d'un champ de vecteurs en un point comme la circulation locale du champ autour de ce point (voir rotationnel en physique).
Opérateurs d'ordre supérieur
Opérateur laplacien
Le plus utilisé des opérateurs d'ordre 2 est le laplacien, du nom du mathématicien Pierre-Simon de Laplace. Le laplacien d'un champ est égal à la somme des dérivées secondes de ce champ par rapport à chacune des variables.
En dimension 3 et en coordonnées cartésiennes, il s'écrit :
Cette définition a un sens aussi bien pour un champ de scalaires que pour un champ de vecteurs. On parle respectivement de laplacien scalaire et de laplacien vectoriel. Le laplacien scalaire d'un champ de scalaires est un champ de scalaires alors que le laplacien vectoriel d'un champ de vecteurs est un champ de vecteurs. Pour distinguer ce dernier, on le note parfois (afin que les novices n'oublient pas qu'il s'agit de l'opérateur ) ; la notation est plutÎt à déconseiller.
L'autre notation du laplacien qui apparaßt ci-dessus, , invite à le considérer, formellement, comme le carré scalaire de l'opérateur nabla « ».
Le laplacien apparaßt dans l'écriture de plusieurs équations aux dérivées partielles qui jouent un rÎle fondamental en physique.
- La plus simple est l'Ă©quation de Laplace . Ses solutions (de classe ) sont les fonctions harmoniques, dont l'Ă©tude est appelĂ©e thĂ©orie du potentiel. Ce nom provient du potentiel Ă©lectrique, dont le comportement (de mĂȘme que celui d'autres potentiels en physique) est rĂ©gi, sous certaines conditions, par cette Ă©quation.
- Le laplacien sert aussi Ă Ă©crire :
- l'Ă©quation de Poisson :
; - ou encore l'Ă©quation des cordes vibrantes :
- l'Ă©quation de Poisson :
Opérateur laplacien vectoriel
Le laplacien d'un champ de vecteurs est un vecteur défini par le laplacien scalaire de chacune des composantes du champ vectoriel, ainsi en coordonnées cartésiennes, il est défini par :
Le laplacien vectoriel est présent :
- dans l'Ă©quation de Poisson pour les versions vectorielles,
- en mĂ©canique des fluides visqueux oĂč il apparait dans les Ă©quations de Navier-Stokes,
- dans l'équation d'onde et en particulier en électromagnétisme dans les équations de propagation d'une onde électromagnétique.
Quelques formules différentielles
Attention : les formules suivantes sont valables Ă condition que certaines hypothĂšses soient vĂ©rifiĂ©es (la fonction scalaire dans la premiĂšre formule doit ĂȘtre , oĂč , par exemple. De mĂȘme, si dĂ©signe la fonction vectorielle concernĂ©e dans la seconde formule, il faut vĂ©rifier , .)
- (appliqué à un vecteur) (rotationnel du rotationnel)
- (appliqué à un scalaire)
Formules dites de Leibniz pour les produits
- (oĂč est un vecteur uniforme) et Ă©videmment :
- (dite de Bernoulli, en mécanique des fluides)
- (oĂč est un vecteur uniforme, dĂ©finition intrinsĂšque du rotationnel)
- (oĂč est un vecteur uniforme, par dĂ©finition de l'application linĂ©aire tangente)
- (symétrique en f et g)
Quelques formules utiles
- Soient f(M) et g(M) deux champs scalaires, il existe un champ de vecteurs tel que :
- Le champ central joue un rÎle trÚs important en physique. Aussi convient-il de mémoriser ces quelques évidences :
- son application linéaire tangente est la matrice identité (cf. la définition !),
- donc et (oĂč est un vecteur uniforme) et
- D'autre part (oĂč est un vecteur uniforme).
- Et aussi : avec en particulier (Ă©vident car )
- , sauf en
- Le champ newtonien, soit , est trĂšs souvent Ă©tudiĂ© car c'est le seul champ central Ă divergence nulle (Ă©vident si l'on pense en termes de flux) sauf pour r=0, oĂč elle vaut ; ce rĂ©sultat est le thĂ©orĂšme de Gauss pour l'angle solide). Il en rĂ©sulte que . Donc
(oĂč est un vecteur uniforme) qui se dĂ©compose en :
(oĂč est un vecteur uniforme), et
(oĂč est un vecteur uniforme) ce qui est moins Ă©vident (cf. moment magnĂ©tique).
- Les formules précédentes sont dites différentielles. Il convient de les associer aux formules intégrales : théorÚme de Stokes, théorÚme de flux-divergence, etc.
- Enfin, il convient de ne pas perdre de vue le caractĂšre axial ou polaire des champs de vecteurs Ă©tudiĂ©s. Ce ne sont absolument pas les mĂȘmes entitĂ©s mathĂ©matiques !
Expressions des opérateurs en différentes coordonnées
Coordonnées cylindriques
Coordonnées sphériques
Annexes
Bibliographie
- Max Abraham et Paul Langevin, « Analyse Vectorielle » dans Encyclopédie des sciences mathématiques pures et appliquées. Tome IV. CinquiÚme volume, fascicule 1 Jules Molk (éd.) p. 12, (Gauthier-Villars, Paris, 1912-1914)
- André Angot, Compléments de mathématiques à l'usage des ingénieurs de l'électrotechnique et des télécommunications, Masson,
- Daniel Duverney, « Calcul différentiel et intégral pour la physique », sur touteslesmaths.fr
- Murray R. Spiegel (en), Analyse vectorielle, McGraw-Hill,