Licence 3Analyse

Intégrales doubles et triples

65 min15 exercicesSéquence 3.3Licence 3

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Durée : 65 min

Intégrales multiples

1. Intégrale double

Df(x,y)dA=ab(φ1(x)φ2(x)f(x,y)dy)dx\iint_D f(x,y)\,dA = \int_a^b\left(\int_{\varphi_1(x)}^{\varphi_2(x)} f(x,y)\,dy\right)dx

Théorème de Fubini : si ff est continue sur D=[a,b]×[c,d]D=[a,b]\times[c,d], on peut intégrer dans n'importe quel ordre.

Interprétation : volume sous le graphe de ff au-dessus du domaine DD.

2. Changement de variables — coordonnées polaires

x=rcosθx=r\cos\theta, y=rsinθy=r\sin\theta, dA=rdrdθdA=r\,dr\,d\theta.

Df(x,y)dA=02π0Rf(rcosθ,rsinθ)rdrdθ\iint_D f(x,y)\,dA = \int_0^{2\pi}\int_0^R f(r\cos\theta,r\sin\theta)\,r\,dr\,d\theta

3. Intégrale triple

Vf(x,y,z)dV=abcdeff(x,y,z)dzdydx\iiint_V f(x,y,z)\,dV = \int_a^b\int_{c}^d\int_e^f f(x,y,z)\,dz\,dy\,dx

Coordonnées cylindriques : x=rcosθx=r\cos\theta, y=rsinθy=r\sin\theta, z=zz=z, dV=rdrdθdzdV=r\,dr\,d\theta\,dz.

Coordonnées sphériques : x=ρsinϕcosθx=\rho\sin\phi\cos\theta, y=ρsinϕsinθy=\rho\sin\phi\sin\theta, z=ρcosϕz=\rho\cos\phi, dV=ρ2sinϕdρdϕdθdV=\rho^2\sin\phi\,d\rho\,d\phi\,d\theta.

4. Théorème de changement de variables

Si Φ:UV\Phi:U\to V est un difféomorphisme C1\mathcal{C}^1 :

Vf(x,y)dA=Uf(Φ(u,v))JΦ(u,v)dudv\iint_V f(x,y)\,dA = \iint_U f(\Phi(u,v))|J_\Phi(u,v)|\,du\,dv

JΦ|J_\Phi| est le jacobien (valeur absolue du déterminant jacobien).

5. Applications

- Aire : Aire(D)=DdA\text{Aire}(D)=\iint_D dA
- Volume : V=VdVV=\iiint_V dV
- Centre de masse : xˉ=1VVxdV\bar{x}=\frac{1}{V}\iiint_V x\,dV

Exercices

Calculer 0102xydydx\int_0^1\int_0^2 xy\,dy\,dx.

Vrai ou faux : Par Fubini, 0101f(x,y)dxdy=0101f(x,y)dydx\int_0^1\int_0^1 f(x,y)\,dx\,dy=\int_0^1\int_0^1 f(x,y)\,dy\,dx si ff est continue.

Calculer l'aire du disque de rayon RR en coordonnées polaires.

Quel est le jacobien du changement en coordonnées polaires ?

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