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Remarque. En mathématique comme en physique (notamment quantique), le terme "opérateur" est plutôt réservé aux applications linéaires continues d'un espace vectoriel de dimension infinie dans lui même, ce qui n'est pas le cas ici. Toutefois, les dimensions sont bien infinies, c'est d'ailleurs la raison pour laquelle nous ne parlerons pas de la continuité de l'opérateur gradient, ce serait une discussion qui dépasse le niveau de cet article. L'expression des coordonnées de dans les repères locaux cartésiens, cylindriques et sphériques provient directement de la définition du gradient d'un champ scalaire et de l' expression du gradient en coordonnées locales. Ainsi, en coordonnées cartésiennes: Ainsi, en coordonnées cylindriques: Ainsi, en coordonnées sphériques (attention ci-dessous, notations du physicien... ): _

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A l'instar du gradient pour les coordonnées cartésiennes, on a la dérivée totale de la fonction cylindrique f qui est égale à: En revanche les composantes du gradient en coordonnées diffèrent, et on a: Représentation graphique Pour chacune des 3 coordonnées, on peut représenter graphiquement les différentes fonctions associées tant que le nombre de variables n'est pas supérieur à 3. Pour les coordonnées cartésiennes, on utilise généralement les vecteurs unitaires avec le vecteur i représentant l'abscisse, le vecteur j représentant l'ordonnée et le vecteur k la profondeur (la 3ème dimension). En prenant pour exemple la fonction y = -3x + 4z on obtient alors une représentation graphique en 3 dimensions de cette fonction (voir début de l'article). Concernant la représentation d'une fonction en coordonnées cylindriques, on utilise les vecteurs unitaires avec le vecteur r représentant le rayon du cylindre, le vecteur l'angle du cylindre en coordonnées polaires et z la hauteur du cylindre. On peut par exemple dessiner ce cylindre avec les coordonnées cylindriques: Exemple de graphe en coordonnées cylindrique Enfin, concernant la représentation d'une fonction en coordonnées cylindriques, on utilise les vecteurs unitaires avec le vecteur p représentant la distance du point P au centre O, le vecteur l'angle sphérique orienté par les demi-plans et l'angle non orienté par les vecteurs z et OP.

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Nous avons vu dans plusieurs articles relatifs aux sciences ( champ magnétique), des outils mathématiques comme le scalaire (défini par une valeur précise) et le vecteur (défini par trois éléments: le sens, la direction et la norme). Nous allons désormais nous intéresser à deux nouveaux outils, le gradient et la divergence en coordonnées cartésiennes (x, y, z), (ces outils existent aussi en coordonnées cylindriques (r, θ, z) et sphériques (ρ, θ, φ), mais leur écriture est assez encombrante et ne permet pas forcément une bonne compréhension, contrairement aux coordonnées cartésiennes, définies seulement par (x, y, z)). L'opérateur gradient (aussi appelé nabla) transforme un champ scalaire (f) en un champ vectoriel (la flèche du vecteur se trouve sur l'opérateur gradient): Remarque: Le vecteur gradient (de température, par exemple) se dirige du moins vers le plus, ainsi le vecteur densité de flux thermique se dirige du plus vers le moins. Cette relation est donnée par la loi de Fourier.

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En coordonnées cylindriques, la position du point P est définie par les distances r et Z et par l'angle θ. Un [ N 1] système de coordonnées cylindriques est un système de coordonnées curvilignes orthogonales [ 2] qui généralise à l'espace celui des coordonnées polaires du plan [ 3] en y ajoutant une troisième coordonnée, généralement notée z, qui mesure la hauteur d'un point par rapport au plan repéré par les coordonnées polaires (de la même manière que l'on étend le système de coordonnées cartésiennes de deux à trois dimensions). Les coordonnées cylindriques servent à indiquer la position d'un point dans l'espace. Les coordonnées cylindriques ne servent pas pour les vecteurs. Lorsqu'on utilise les coordonnées cylindriques pour repérer les points, les vecteurs, eux, sont généralement repérés dans un repère vectoriel propre au point où ils s'appliquent:.

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On peut par exemple dessiner cette sphère avec les coordonnées sphériques: Représentation en coordonnées sphériques Opérateur Nabla Le nabla à l'instar du gradient peut s'écrire en coordonnées cartésiennes, cylindriques et sphériques. Concernant les coordonnées cartésiennes, on l'écrit comme suit: Concernant les coordonnées cylindriques, on écrit l'opérateur nabla comme suit: Enfin concernant les coordonnées sphériques, on écrit l'opérateur nabla de cette manière: Exercices Corrigés Exercices Exercice 1: Calcul de dérivée totale Soit f la fonction définie par. Calculer le gradient de la fonction f Déterminer la dérivée totale de la fonction. Exercice 2: Gradient d'une fonction Soit une fonction f définie et dérivable dans le plan ( O, x, y) tel que Déterminer les coordonnées du gradient de f Déterminer les coordonnées du point gradient de M(-1;-3) Déterminer les coordonnées du point M(-1;-3) Déterminer la dérivée totale de f Représentation graphique de la fonction f(x, y) Corrigés Exercice 1: f est définie et dérivable sur R. On détermine le gradient: Maintenant que l'on a déterminé le gradient de la fonction, on peut calculer la dérivée totale: Exercice 2: 1. f est définie et dérivable sur R. On détermine le gradient: 2.

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L'idée du calcul que je présente est d'exprimer les vecteurs du repère cylindrique \(e_r, e_{\theta}, e_z\) en fonction des vecteurs de \(e_x, e_y, e_z\) de la manière suivante: \[\begin{cases}e_x=e_r\cos\theta-e_{\theta}\sin\theta\\ e_y=e_r\sin\theta+e_{theta}\cos\theta\\ e_z=e_z\end{cases}\] J'injecte alors ces résultats dans l'expression du nabla dans le repère cartésien et on trouve la deuxième expression de nabla que je donne. Ceci me semble tout à fait correct, et mon repère cylindrique me semble avoir du sens. Reste alors à exprimer nabla sous une forme "classique" \(\nabla =ae_r+be_{\theta}+ce_z\). On trouve alors en factorisant (ce qui me semble correct également): \[\nabla=e_r\left(\cos\theta\frac{\partial}{\partial x}+\sin\theta\frac{\partial}{\partial y}\right)+e_{\theta}\left(-\sin\theta\frac{\partial}{\partial x}+\cos\theta\frac{\partial}{\partial y}\right)+e_z\frac{\partial}{\partial z}\] Reste à exprimer les dérivés partielles par rapport à \(x\), \(y\) et \(z\) en fonction de \(r, \theta, z\).

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July 19, 2024