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Licence 3 · Analyse L3 — Fonctions de plusieurs variables

Intégrales doubles et triples

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=rcos⁡θx=r\cos\theta, y=rsin⁡θy=r\sin\theta, dA=r dr dθdA=r\,dr\,d\theta.

∬Df(x,y) dA=∫02π∫0Rf(rcos⁡θ,rsin⁡θ) r dr dθ\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=∫ab∫cd∫eff(x,y,z) dz dy dx\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=rcos⁡θx=r\cos\theta, y=rsin⁡θy=r\sin\theta, z=zz=z, dV=r dr dθ dzdV=r\,dr\,d\theta\,dz.

Coordonnées sphériques : x=ρsin⁡ϕcos⁡θx=\rho\sin\phi\cos\theta, y=ρsin⁡ϕsin⁡θy=\rho\sin\phi\sin\theta, z=ρcos⁡ϕz=\rho\cos\phi, dV=ρ2sin⁡ϕ dρ dϕ dθdV=\rho^2\sin\phi\,d\rho\,d\phi\,d\theta.

4. Théorème de changement de variables

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

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

où ∣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=1V∭Vx dV\bar{x}=\frac{1}{V}\iiint_V x\,dV

Exercices de la leçon

Exercice 1

Calculer ∫01∫02xy dy dx\int_0^1\int_0^2 xy\,dy\,dx.

Corrigé

∫02xy dy=x[y2/2]02=2x\int_0^2 xy\,dy=x[y^2/2]_0^2=2x. Puis ∫012x dx=[x2]01=1\int_0^1 2x\,dx=[x^2]_0^1=1.

Exercice 2

Vrai ou faux : Par Fubini, ∫01∫01f(x,y) dx dy=∫01∫01f(x,y) dy dx\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.

Corrigé

Vrai. Le théorème de Fubini garantit l'égalité des deux ordres d'intégration pour ff continue sur un rectangle.

Exercice 3

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

Corrigé

Aire=∫02π∫0Rr dr dθ=2π⋅[r2/2]0R=2π⋅R2/2=πR2\text{Aire}=\int_0^{2\pi}\int_0^R r\,dr\,d\theta=2\pi\cdot[r^2/2]_0^R=2\pi\cdot R^2/2=\pi R^2.

Exercice 4

Quel est le jacobien du changement en coordonnées polaires ?

Corrigé

J=det⁡(cos⁡θ−rsin⁡θsin⁡θrcos⁡θ)=rcos⁡2θ+rsin⁡2θ=rJ=\det\begin{pmatrix}\cos\theta&-r\sin\theta\\\sin\theta&r\cos\theta\end{pmatrix}=r\cos^2\theta+r\sin^2\theta=r. Donc dA=r dr dθdA=r\,dr\,d\theta.

Exercice 5

Calculer ∭VdV\iiint_V dV pour V={(x,y,z):x2+y2+z2≤1}V=\{(x,y,z):x^2+y^2+z^2\leq1\} (boule unité).

Corrigé

En coordonnées sphériques : V=∫02π∫0π∫01ρ2sin⁡ϕ dρ dϕ dθ=2π⋅2⋅1/3=4π/3V=\int_0^{2\pi}\int_0^\pi\int_0^1\rho^2\sin\phi\,d\rho\,d\phi\,d\theta=2\pi\cdot2\cdot1/3=4\pi/3.

Exercice 6

Calculer ∬Dx2+y2 dA\iint_D x^2+y^2\,dA sur le disque D:x2+y2≤4D: x^2+y^2\leq4.

Corrigé

En polaire : x2+y2=r2x^2+y^2=r^2.
∬D(x2+y2)dA=∫02π∫02r2⋅r dr dθ=2π∫02r3dr=2π⋅164=8π\iint_D(x^2+y^2)dA=\int_0^{2\pi}\int_0^2 r^2\cdot r\,dr\,d\theta=2\pi\int_0^2 r^3dr=2\pi\cdot\frac{16}{4}=8\pi.

Exercice 7

Calculer ∫01∫x1ey2 dy dx\int_0^1\int_x^1 e^{y^2}\,dy\,dx en inversant l'ordre d'intégration.

Corrigé

Le domaine est {0≤x≤y≤1}\{0\leq x\leq y\leq1\}.

Inversion : ∫01(∫0ydx)ey2dy=∫01yey2dy\int_0^1\left(\int_0^y dx\right)e^{y^2}dy=\int_0^1 ye^{y^2}dy.

Primitive : yey2=12(ey2)′ye^{y^2}=\frac{1}{2}(e^{y^2})'. Donc =12[ey2]01=e−12=\frac{1}{2}[e^{y^2}]_0^1=\frac{e-1}{2}.

Exercice 8

Vrai ou faux : Le volume de la boule de rayon RR est 43πR3\frac{4}{3}\pi R^3.

Corrigé

Vrai. En coordonnées sphériques : V=∫02π∫0π∫0Rρ2sin⁡ϕ dρ dϕ dθ=2π⋅2⋅R3/3=4πR3/3V=\int_0^{2\pi}\int_0^\pi\int_0^R\rho^2\sin\phi\,d\rho\,d\phi\,d\theta=2\pi\cdot2\cdot R^3/3=4\pi R^3/3.

Exercice 9

Calculer le volume du cône z2=x2+y2z^2=x^2+y^2, 0≤z≤10\leq z\leq1.

Corrigé

En coordonnées cylindriques, le cône est r≤zr\leq z, 0≤z≤10\leq z\leq1.
V=∫02π∫01∫0zr dr dz dθ=2π∫01z22dz=2π⋅16=π3V=\int_0^{2\pi}\int_0^1\int_0^z r\,dr\,dz\,d\theta=2\pi\int_0^1\frac{z^2}{2}dz=2\pi\cdot\frac{1}{6}=\frac{\pi}{3}.

Exercice 10

Vrai ou faux : ∫01∫01x−y(x+y)3dx dy=−12\int_0^1\int_0^1\frac{x-y}{(x+y)^3}dx\,dy=-\frac{1}{2} et ∫01∫01x−y(x+y)3dy dx=12\int_0^1\int_0^1\frac{x-y}{(x+y)^3}dy\,dx=\frac{1}{2}.

Corrigé

Vrai. C'est un exemple classique montrant que Fubini ne s'applique pas ici car f(x,y)=(x−y)/(x+y)3f(x,y)=(x-y)/(x+y)^3 n'est pas intégrable au sens de Lebesgue sur [0,1]2[0,1]^2 (elle n'est pas dans L1L^1).

Exercice 11

Calculer ∬x2+y2≤11−x2−y2 dA\iint_{x^2+y^2\leq1}\sqrt{1-x^2-y^2}\,dA (volume d'une demi-sphère).

Corrigé

En polaire :
∬1−r2⋅r dr dθ=2π∫01r1−r2dr\iint\sqrt{1-r^2}\cdot r\,dr\,d\theta=2\pi\int_0^1 r\sqrt{1-r^2}dr.

Sub u=1−r2u=1-r^2 : =2π∫01u2du=π⋅23=2π3=2\pi\int_0^1\frac{\sqrt{u}}{2}du=\pi\cdot\frac{2}{3}=\frac{2\pi}{3}.

C'est bien le volume de la demi-sphère de rayon 11 : 12⋅4π3=2π3\frac{1}{2}\cdot\frac{4\pi}{3}=\frac{2\pi}{3} ✓.

Exercice 12

Vrai ou faux : Le jacobien de la transformation en coordonnées sphériques est ρ2sin⁡ϕ\rho^2\sin\phi.

Corrigé

Vrai. Le jacobien de (x,y,z)=(ρsin⁡ϕcos⁡θ,ρsin⁡ϕsin⁡θ,ρcos⁡ϕ)(x,y,z)=(\rho\sin\phi\cos\theta,\rho\sin\phi\sin\theta,\rho\cos\phi) est ρ2sin⁡ϕ\rho^2\sin\phi, ce qui donne dV=ρ2sin⁡ϕ dρ dϕ dθdV=\rho^2\sin\phi\,d\rho\,d\phi\,d\theta.

Exercice 13

Calculer ∫−∞+∞e−x2dx\int_{-\infty}^{+\infty}e^{-x^2}dx en utilisant le passage en polaires.

Corrigé

Soit I=∫−∞∞e−x2dxI=\int_{-\infty}^\infty e^{-x^2}dx.
I2=∫−∞∞e−x2dx∫−∞∞e−y2dy=∬R2e−(x2+y2)dAI^2=\int_{-\infty}^\infty e^{-x^2}dx\int_{-\infty}^\infty e^{-y^2}dy=\iint_{\mathbb{R}^2}e^{-(x^2+y^2)}dA.

En polaire : =∫02π∫0∞e−r2r dr dθ=2π⋅12=π=\int_0^{2\pi}\int_0^\infty e^{-r^2}r\,dr\,d\theta=2\pi\cdot\frac{1}{2}=\pi.

Donc I=πI=\sqrt{\pi}. □\square

Exercice 14

Calculer le moment d'inertie de la boule unité ∭x2+y2+z2≤1(x2+y2)dV\iiint_{x^2+y^2+z^2\leq1}(x^2+y^2)dV.

Corrigé

En coordonnées sphériques : x2+y2=ρ2sin⁡2ϕx^2+y^2=\rho^2\sin^2\phi.
I=∫02πdθ∫0πsin⁡2ϕsin⁡ϕ dϕ∫01ρ4 dρI=\int_0^{2\pi}d\theta\int_0^\pi\sin^2\phi\sin\phi\,d\phi\int_0^1\rho^4\,d\rho
=2π⋅∫0πsin⁡3ϕ dϕ⋅15=2\pi\cdot\int_0^\pi\sin^3\phi\,d\phi\cdot\frac{1}{5}.

∫0πsin⁡3ϕ dϕ=4/3\int_0^\pi\sin^3\phi\,d\phi=4/3.

I=2π⋅43⋅15=8π15I=2\pi\cdot\frac{4}{3}\cdot\frac{1}{5}=\frac{8\pi}{15}.

Exercice 15

Vrai ou faux : ∬Df(x)g(y) dA=(∫abf(x)dx)(∫cdg(y)dy)\iint_D f(x)g(y)\,dA=\left(\int_a^b f(x)dx\right)\left(\int_c^d g(y)dy\right) pour D=[a,b]×[c,d]D=[a,b]\times[c,d].

Corrigé

Vrai. Par Fubini : ∬Df(x)g(y)dA=∫abf(x)(∫cdg(y)dy)dx=(∫abf(x)dx)(∫cdg(y)dy)\iint_D f(x)g(y)dA=\int_a^b f(x)\left(\int_c^d g(y)dy\right)dx=\left(\int_a^b f(x)dx\right)\left(\int_c^d g(y)dy\right) car ∫cdg(y)dy\int_c^d g(y)dy est une constante par rapport à xx.

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