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Niveau Licence Maths 1e ann
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Formes différentielles

Posté par
H_aldnoer
10-05-09 à 12:44

Bonjour,

j'ai quelques petits problème sur les formes différentielles !

i) Montrer que \Large w=(12x^3z+2xy^3)dx+(3x^2y^2)dy+(3x^4)dz est une 1-forme différentielle.
ii) Montrer que w est fermée
iii) Trouver f différentiables sur \Large \mathbb{R}^3 telle que w=df.


Alors dans mon cours, une p-forme différentielle se présente sous la forme \Large \alpha(x) = \Bigsum_{J=(j_1,...,j_p)_{j_1<...<j_p}} c_J(x)dx_{j_1}\wedge...\wedge dx_{j_p} ou \Large j_k parcourt 1,...,n et \Large c_J sont des fonctions \Large C^k(U) et U un ouvert de \Large \mathbb{R}^n.

Donc ici, j'écris \Large w = \Bigsum_{i=1}^3c_i(x)dx_i, avec \Large c_1(x)=(12x^3z+2xy^3) , \Large c_2(x)=(3x^2y^2) et \Large c_2(x)=(3x^4). Je ne sais pas si cela convient :/

Ensuite, pour montrer que w est dermée, je dois calculer dw mais je ne sais pas le faire.
Quelqu'un peut-il m'aider svp ?
Merci !

Posté par
infophile
re : Formes différentielles 10-05-09 à 12:50

Salut,

ta fd est fermée si \forall i\neq j, \frac{\partial c_i}{\partial x_j}=\frac{\partial c_j}{\partial x_i}
edit Kaiser

Posté par
H_aldnoer
re : Formes différentielles 10-05-09 à 13:16

Mon écriture est-elle correcte pour la 1-forme ? J'avoue être un peu perdu avec tous ces indices :/

Posté par
H_aldnoer
re : Formes différentielles 10-05-09 à 13:21

Ici, il devrait y avoir \Large p=1 et donc dans l'écriture générale, si je remplace, la somme disparait non ?
 \Large\alpha(x)= c_{j_1}(x)dx_{j_1}

Posté par
H_aldnoer
re : Formes différentielles 10-05-09 à 13:32

Ah non, puisque \Large j_1 parcourt \Large \{1,...,3\}, donc on aurait \Large \alpha(x)=\Bigsum_{j_1 \in \{1,...,3\}} c_{j_1}(x)dx_{j_1} ie \Large \alpha(x)=c_{1}(x)dx_{1}+c_{2}(x)dx_{2}+c_{3}(x)dx_{3}  ?!?

Posté par
H_aldnoer
re : Formes différentielles 10-05-09 à 13:36

Cela me semble correct !
Et est-ce quelqu'un a un exemple d'une 2-forme différentielles ?

Posté par
Camélia Correcteur
re : Formes différentielles 10-05-09 à 15:27

Coucou! Toujours prête!

\alpha(x,y,z)=xdy\wedge dz-ydx\wedge dz+zdx\wedge dy

Posté par
infophile
re : Formes différentielles 10-05-09 à 15:48

Re

On va faire la 3) :

J'ai la flemme de latexifier désolé :

df/dz = 3x^4

f(x,y,z)-f(x,y,0) = int(0,z)df/dz(x,y,t)dt = int(0,z)3x^4dt = 3zx^4

f(x,y,z) = 3zx^4 + g(x,y) avec g(x,y) = f(x,y,0)

df/dy = dg/dy = 3x²y² et df/dx = 12zx^3 + dg/dx = 12x^3z+2xy^3 d'où :

dg/dx = 2xy^3 et dg/dy = 3x²y².

g(x,y)-g(0,y)=int(0,x)g(t,y)dt=int(0,x)2ty^3dt = 2xy^3

h(y) = g(0,y). h'(y) = dg/dy - 6xy² = 3x²y²-6xy² = 3y²(x²-2x)

h(y) = (x²-2x)y^3 + C

f(x,y,z) = 3zx^4 + 2xy^3 + (x²-2x)y^3 + C = 3zx^4 + x²y^3 + C

Une primitive de w est donc \red f(x,y,z)=3zx^4+x^2y^3

Ta forme différentielle w est exacte donc à fortiori fermée (d'après Schwartz), ce qui t'évite de traiter la 2).

Posté par
Camélia Correcteur
re : Formes différentielles 10-05-09 à 15:55

Salut Kevin. Je ne sais pas si son correcteur appréciera de sauter la 2) D'autant plus que c'est risqué de se lancer dans un tel calcul sans savoir d'abord qu'elle est fermée!

Posté par
infophile
re : Formes différentielles 10-05-09 à 15:57

Bonjour Camélia

Risqué je ne pense pas étant donné qu'on nous dit : "trouver une primitive" c'est qu'elle existe à coup sûr si l'on en croit l'énoncé.

Après oui un peu culotté de sauter la 2)

Posté par
Rodrigo
re : Formes différentielles 10-05-09 à 16:50

Bonjour à vous,
Pour montrer qu'elle est fermée il suffit d'en calculer la différentielle!

Attention ce n'est pas parce qu'une 1-forme est fermée qu'elle est necessairement exacte. C'est vrai (tautologiquement) si le H^{1}_{dR}(R^3) est trivial, ici il est trivial parce R^3 est contractile. Ca ne te change rien pour le calcul, cela dit tu st sur qu'l aboutira!

Posté par
infophile
re : Formes différentielles 10-05-09 à 17:05

Bonjour Rodrigo !

Oui on a vu encore par exemple que dw=\frac{xdy-ydx}{x^2+y^2} est fermée sans être exacte sur le plan privé de l'origine.

Ca veut dire quoi contractile ? Je n'ai pas pigé ton explication.

Ici je disais juste qu'on prenait peu de risque à faire la 3) avant la 2) parce que l'énoncé sous entend qu'une primitive existe.

Posté par
infophile
re : Formes différentielles 10-05-09 à 17:06

encore = en cours (lapsus révélant que je n'ai pas envie d'y retourner..encore )

Posté par
Rodrigo
re : Formes différentielles 10-05-09 à 17:14

Je me doute qu'e spé tu ne connais pas l'homologie de De Rahm, mais H est en M1 me semble-t-il il doit donc en avoir entendu parler.

Le H^1 de De Rham mesure "l'écart" entre les 1-formes fermes et les 1-formes exactes. Ton exemple est tres bon, sur C privé de l'origine la forme "angulaire" est bien définie elle est fermée non exacte. Comme en fait c'est la seule, le H1 est un espace de dimension 1 engendré par cette forme (bon modulo les formes exactes mais passons).

Bref jusqu'ici rien de magique, puisqu'a priori il faut connaitre quelles sont les formes fermées et quelles sont les formes exactes pour calculer le H1, mais la bonne nouvelle c'est que le H1 (et les H^n en fait) dépendent en fait uniquement des propriétés géométriques (et même homotopiques) de ton espace, c'est le lemme de Poincaré. Ainsi le H1 compte grosso modo le nombre de trous de dimension 1, dans ton exemple il y a 1 trou de dimension 1 et le H1 est de rang 1, SI tu fais enlèves deux points dans le plan complexe  le H1 sera de rang 2.

C'est ce que tu vois en prepa, quand tu dis qu'un ouvert 1-connexe (ou étoilé), donc sans trou, possède un H1 trivial, c'est à dire que toutes le formes fermées y sont exactes.

Contractile ca veut dire "déformable continument en un point" (rigoureusement de même type d'homotopie que le point)

Posté par
infophile
re : Formes différentielles 10-05-09 à 17:27

Bon je ne veux pas pourrir ce topic mais comme il me semble que H a obtenu les réponses aux 3 questions je me permet d'en poser d'autres :

Citation :
Comme en fait c'est la seule


Comment le montre-t-on ? Et ce H1 on le calcule comment ?

Oui nous le théorème de Poincaré on a vu que tout forme différentielle (de degré 1) fermée sur un ouvert étoile est exacte.

Pourquoi en enlevant 2 points le rang passe à 2 ? Et homotopie kesako ?

Si ça t'ennuie de m'expliquer ce n'est pas grave j'attendrai patiemment le M1 ^^

Merchi !

Posté par
Rodrigo
re : Formes différentielles 10-05-09 à 17:42

Du tout ca m'ennuie pas de t'expliquer....mais c'est juste que ce sera long... C'est de la géométrie...vous en faites pas en prepa.


Pour savoir que c'est la seule faut faire un eu de géométrie! (je vois pas de moyen vraiment élémentaire de le prouver, cela dit Camélia doit etre plus calée que moi en topologie algébrique, il faudrait faire des deécoupages avec des partitions de l'unité...)

Alors une homotopie c'est la chose suivante, si tu te donnes deux esp topologiques (disons métriques si tu sais pas ce que c'est) ont dit que deux application f:X->Y et g:X->Y sont homotopes si il existe une application continue F:[0,1]xX -> Y, continue telles que F(0,.)=f et F(1,.)=g, c'est à dire que tu peux passer coitnuement de f à g. (regarde ce que ca veut dire par exemple si f et g sont des courbes dans R²).

Deux espaces ont le meme type d'homotopie si tu as deux applications f de X dans Y et g de Y dans X tel que fog soit homotope a l'identité de Y, et gof homotope a l'identité de X.

Bon hé bien le lemme de poincaré te dit que si X et Y ont meme types d'homotopies (y a un peu plus d'hypothese que ca en fait, il faut que X et Y soient des variétés différentiables,mais si on se place dans le cas d'ouvert de R^n ca amrche tres bien) alors elles auront les mêmes H^n.

Parmi les homotopies il y en a certaines particulières qu'on aime bien, ce sont les retarctions par déformation, on dit que X est retract par déformation de Y, si tu a inc:X->Y et f:Y->X, ou inc est une homéomorphisme sur son image (typiquement l'inclusion) tel que f o inc=id et inc o f homotope a l'identité de Y.

Par exemple prend un convexe et un point dans le convexe il est facile de montrer que le point est un retarcté par déormation du convexe.

Ceci est souvent utile

Posté par
Rodrigo
re : Formes différentielles 10-05-09 à 17:47

Pour calculer les H^n, avec en plus l'outil fondamental, la suite exacte longue de cohomologie.

LA suite dite de Mayer Vietoris assure que tu une suite exacte de cohomologie (c'est un delta foncteur dans la terminologie moderne)

\cdots\rightarrow H^{n}(U\cup V)\rightarrow H^{n}(U)\oplus H^{n}(V) \rightarrow H^{n}(U\cap V) \rightarrow H^{n+1}(U\cup V)\cdots

Et ceci permet de montrer par exemple que sur C privé d'un seul point...ben le H^1 est de rang 1.

Bref ce sont des trucs assez fondamentaux et pas difficiles, moi ca été ma première approche d'un théorie de Cohomologie et je dois dire (meme si elle est moins instinctives que l'homologie singulière par exemple) qu'elle permet de pas mal appréhender ce qui se passe pour d'autre théories (co)homologiques.

Posté par
infophile
re : Formes différentielles 10-05-09 à 17:54

Ok pour l'homotopie, je te remercie pour la culture

Mais je vais m'arrêter là j'ai déjà pas mal de choses à revoir sur le programme de spé

Bonne soirée !

Posté par
H_aldnoer
re : Formes différentielles 10-05-09 à 22:23

Pour une 2-forme différentielle sur \Large\mathbb{R}^3, alors dans l'écriture générale j'ai \Large \alpha(x) = \Bigsum_{J=(j_1,j_2)_{j_1<j_2}} c_J(x)dx_{j_1}\wedge dx_{j_2}\Large j_1 , j_2 \in \{1,...,3}.

Alors je ne saisi pas l'expression \Large c_J(x) avec \Large J=(j_1,j_2).

Et pour \Large \alpha(x,y,z)=xdy\wedge dz-ydx\wedge dz+zdx\wedge dy je ne reconnais pas vraiment l'expression général :/

Posté par
Camélia Correcteur
re : Formes différentielles 11-05-09 à 14:33

J'écris la forme générale avec x=(x_1,x_2,x_3) j'ai essayé d'éviter les indices!

\alpha(x_1,x_2,x_3)=c_{1,2}(x_1,x_2,x_3)dx_1\wedge dx_2+c_{1,3}(x_1,x_2,x_3)dx_1\wedge dx_3+c_{2,3}(x_1,x_2,x_3)dx_2\wedge dx_3

Oublie celle que j'ai mis au hasard. Essaye de montrer que celle-ci est fermée:

\alpha(x_1,x_2,x_3)=(-2x_2+x_2x_3)dx_1\wedge dx_2+2x_1dx_2\wedge dx_3-x_1x_2dx_1\wedge dx_3

Petit commentaire: ce qu'il faut peut-être retenir, c'est que le fait que sur un ouvert il y a "peu ou beaucoup" de formes fermées et non exactes, est une caractéristique de la "forme de l'ouvert". C'est une manière de compter les "trous". Comme dit plus haut, la situation n'est pas la même sur R^2 ou sur R^2\setminus\{0\} qui a un trou!

Posté par
H_aldnoer
re : Formes différentielles 11-05-09 à 14:47

Merci pour l'écriture de la 2-forme différentielle Camélia !
Pour montrer qu'elle est fermée, je dois calculer \Large d\alpha(x_1,x_2,x_3), ce que je ne sais pas faire

Que dois-je dériver dans l'expression, et en fonction de quelle variable ?

Pour la 1-forme déjà du début \Large w=(12x^3z+2xy^3)dx+(3x^2y^2)dy+(3x^4)dz je ne vois pas comment calculer dw

Posté par
Camélia Correcteur
re : Formes différentielles 11-05-09 à 14:59

Pour w:

dw=\frac{\partial(12x^3z+2xy^3)}{\partial y}dy\wedge dx+\frac{\partial(12x^3z+2xy^3)}{\partial z}dz\wedge dx+\frac{\partial(3x^2y^2)}{\partial y}dx\wedge dy+\frac{\partial(3x^4)}{\partial x}dx\wedge dz

Je n'ai pas écrit les termes évidemment nuls comme \frac{\partial(3x^4)}{\partial y}. Pour arranger tout ça n'oublie pas que dy\wedge dx=-dx\wedge dy

Posté par
H_aldnoer
re : Formes différentielles 11-05-09 à 15:20

Donc j'ai :

\Large dw =
\Large\frac{\partial(12x^3z+2xy^3)}{\partial x}dx \wedge dx +\frac{\partial(3x^2y^2)}{\partial x}dy\wedge dx+\frac{\partial(3x^4)}{\partial x} dz\wedge dx
+
\Large\frac{\partial(12x^3z+2xy^3)}{\partial y}dx \wedge dy +\frac{\partial(3x^2y^2)}{\partial y}dy\wedge dy+\frac{\partial(3x^4)}{\partial y} dz\wedge dy
+
\Large\frac{\partial(12x^3z+2xy^3)}{\partial z}dx \wedge dz +\frac{\partial(3x^2y^2)}{\partial z}dy\wedge dz+\frac{\partial(3x^4)}{\partial z} dz\wedge dz


Après, je trouve en enlevant les termes superflus :
\Large dw =\frac{\partial(3x^2y^2)}{\partial x}dy\wedge dx+\frac{\partial(3x^4)}{\partial x} dz\wedge dx+\frac{\partial(12x^3z+2xy^3)}{\partial y}dx \wedge dy+\frac{\partial(12x^3z+2xy^3)}{\partial z}dx \wedge dz


Soit :
\Large dw =(6xy^2)dy\wedge dx+(12x^3)dz\wedge dx+(6xy^2)dx\wedge dy+(12x^3)dx \wedge dz

Ce qui fait bien 0, avec \Large dy\wedge dx=-dx\wedge dw !

Posté par
Camélia Correcteur
re : Formes différentielles 11-05-09 à 15:23

Comme ça devait faire 0, je te crois sur parole!

Posté par
H_aldnoer
re : Formes différentielles 11-05-09 à 15:26



Maintenant, comment puis-je faire la iii) ?

Citation :
Trouver f différentiables sur \Large \mathbb{R}^3 telle que w=df.



Si je ne me trompe pas, cela signifie que w est exacte !

Posté par
Camélia Correcteur
re : Formes différentielles 11-05-09 à 15:34

Ben, Kevin l'a fait! 10/05 15:48

Tu cherches f telle que \frac{\partial f}{\partial x}=12x^3z+2xy^3 \frac{\partial f}{\partial y}=3x^2y^2 et \frac{\partial f}{\partial z}=12x^3

Ca parait raisonnable de commencer à partir de la dernière: f(x,y,z)=12x^3z+g(x,y)...

Posté par
H_aldnoer
re : Formes différentielles 11-05-09 à 15:42

IMPECCABLE !
Ca marche super, merci beaucoup à tous

Posté par
infophile
re : Formes différentielles 11-05-09 à 16:06

C'est vrai que sans LateX c'est moche, ça donne pas envie de lire mon post



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