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Niveau LicenceMaths 2e/3e a
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Dérivée extérieure et forme exacte

Posté par
Kernelpanic
06-05-19 à 20:20

Bonsoir,

je suis en complément de mon cours un pdf sur Internet sur les intégrales curvilignes. Je bloque sur une propriété. Tout d'abord, ils définissent :

dx \wedge dy : \R^2 \times \R^2 \to \R, ~~~ (u,v) = dx(u)dy(v) - dx(v)dy(u)

Puis, pour \omega une 1-forme différentielle sur un ouvert U de \R^2,

\omega = Pdx + Qdy, ~~~ P,Q : U \to \R avec P et Q de classe C1.

Dans le but de définir une forme exacte, il est écrit :

Alors d\omega = dP \wedge dx + dQ \wedge dy.

J'ai du mal à comprendre, lorsque je différentie \omega = Pdx + Qdy, par la règle du produit à droite je ne trouve pas du tout l'expression voulue...

Pouvez-vous m'aider s'il vous plaît ?

Posté par
Poncargues
re : Dérivée extérieure et forme exacte 06-05-19 à 20:36

Ben la differentielle est de carré nul et elle satisfait la regle de liebniz (graduée) et elle est linéaire, c'est tout ce dont tu as besoin.
Est ce que c'est propriétés te sont connues? Si oui alors tu devrais trouver l'expression voulue.

Posté par
Kernelpanic
re : Dérivée extérieure et forme exacte 06-05-19 à 20:44

Oui, c'est ce que j'ai fait. J'arrive à :

d\omega = dPdx + Pd^2x + dQdy + Qd^2y = dPdx + dQdy

Mais je ne vois pas où intervient l'opérateur \wedge, je pense que je suis en train de confondre beaucoup de chose.

Posté par
Poncargues
re : Dérivée extérieure et forme exacte 06-05-19 à 20:50

Ben le wedge c'est le produit pour les formes differentielles.
Quand je dis la regle de liebniz graduée c'est pour le wedge product, y a pas d'autre produit défini sur les formes differentielles (ou plus généralement sur l'algèbre extrérieure).
Tu as d(a\wedge b)= da \wedge b+(-1)^{ deg(a)} a \wedge db

Posté par
Kernelpanic
re : Dérivée extérieure et forme exacte 06-05-19 à 20:54

Ah d'accord, au temps pour moi. Je ne connaissais pas, je vais me renseigner un peu plus sur ça avant de continuer mon pdf (surtout l'exposant deg(a) m'intrigue, m'enfin peut-être que je verrai ça en cours demain). Merci de l'aide, c'est vrai qu'avec cette formule ça va assez vite.

Bonne soirée.

Posté par
Poncargues
re : Dérivée extérieure et forme exacte 06-05-19 à 21:04

Ok, je peux t'en dire un peu plus si tu veux (notamment sur le deg(a), ou globalement sur la structure d'algèbre exterieure sur les formes  sur une variété)... mais si tu preferes garder le suspens je comprends! ^^

Posté par
Kernelpanic
re : Dérivée extérieure et forme exacte 06-05-19 à 21:06

Oh au contraire, si ça ne te dérange pas je suis prenant ! C'est juste que je ne pense pas avoir encore le bagage mathématiques pour comprendre la thématique abordée, mais pendant ces grandes vacances je pourrai y revenir sans problème (à toi de voir si tu as un peu de temps à perdre pour de la rédaction )

Posté par
Poncargues
re : Dérivée extérieure et forme exacte 06-05-19 à 21:11

Oh tu sais, moi j'aime bien causer de maths, alors ca me fait tjs plaisir!
Je te rédige un petit truc.

Posté par
Poncargues
re : Dérivée extérieure et forme exacte 06-05-19 à 21:36

Dans la suite X peut etre soit un ouvert de \mathbb{R}^n soit une variété lisse.

Globalement si V est un espace vectoriel (disons de dimension d pour fixer les idées) tu veux construire l'algèbre extérieur sur V.
Tu définis d'abord la p-ième puissance extérieure de V, \bigwedge^p V comme un espace vectoriel, muni d'une application p-linéaire alternée, V\times....\times V\to \bigwedge^p V et qui soit universel pour les applications p-linéaires c'est à dire que tout application p-linéaire  V\times....\times V\to^f T pour n'importe quel espace vectoriel T se factorise de manière unique à traver la p-ieme puissance extérieure  V\times....\times V\to \bigwedge^p V \to T (avec la composée des deux fleches donnant le f d'origine).

C'est facile de montrer qu'un tel V existe et est unique. L'application V\times....\times V\to \bigwedge^p V est notée par le wedge (a_1,...,a_p)\mapsto a_1\wedge....\wedge a_p et est p-linéaire alternée.

Si x est un point de X, alors on peut appliquer la construction à T_xX^* l'espace cotangent à X en x. Si X est un ouvert de R^n, ce sont simplement les formes linéaires sur R^n que tu interpretes comme l'espace (co)tangent à ton ouvert en x.

On peut faire ça pour tout X, en quitte à regarder localement on peut considerer les fonctions de U\subset X \to \wedge^p \mathbb{R}^n lisses, ce qu'on appelle une p-forme sur U. Sur X tout entier on recolle ces constructions locales. L'ensemble des p-formes sur X est noté \Omega^p.
Localement sur un petit ouvert U homéomorphie à R^n, les p-formes sont donc données par des sommes de f(x_1,...,x_n) dx_{i_1}\wedge....\wedge dx_{i_p}.
une 0-forme est simplement une fonction lisse.

Tu obtiens une algèbre \Omega^\bullet (X)=\oplus_p \Omega^p(X) Ou le produit est gadué (le wedge produit d'un p-forme et d'une q-forme est une (p+q)-forme.

Tu définis alors une differentielle sur l'agèbre \Omega^\bullet (X) qui est parfaitement caractérisée par
1) Pour f\in \Omega^0(X)=C^\infty(X) d est donnée par la differentielle usuelle.
2)Pour a\in \Omega^p(X), b\in \Omega^q(X) tu as d(a\wedge b)=da \wedge b+(-1)^p a\wedge db.

L'algèbre des formes sur une variété est un objet de base fondamental pour étudier les propriétés de ta variété, pour 10 000 raisons.

Posté par
Poncargues
re : Dérivée extérieure et forme exacte 06-05-19 à 21:46

En particulier tu peux remarque que si V est un espace vectoriel de dimension d, et si V^* est son dual, alors tu as une identification \bigwedge^pV^*\simeq (\bigwedge^pV)^* donnée par (v_1,...,v_p), (\phi_1,...,\phi_p)\mapsto \det(\phi_i(v_j)) ce qui explique ta formule de départ donnée par dx\wedge dy(u,v)=\begin{vmatrix}dx(u) & dy(u)\\ dx(v) & dy(v)\end{vmatrix}=dx(u) dy(v)- dx(v) dy(u)

Posté par
Poncargues
re : Dérivée extérieure et forme exacte 06-05-19 à 21:47

Le popint clé étant que le déterminant de p-vecteur une p-forme alternée.

Posté par
Kernelpanic
re : Dérivée extérieure et forme exacte 06-05-19 à 21:50

Wow, merci pour tout ça ! Je sais ce que j'ai à faire pendant ces grandes vacances. C'est très gentil de ta part, post mis en favoris directement

Posté par
jsvdb
re : Dérivée extérieure et forme exacte 06-05-19 à 22:12

Coucou !
Tout ça m'intéresse car je suis dans les formes différentielles en ce moment.
Donc topic également en favori pour moi.

@Kernelpanic : juste pour préciser ta formule initiale :

\omega = P(x,y)dx +Q(x,y)dy \text{ alors } d\omega = d(P.dx) + d(Q.dy)

En vertu des règles énoncées :

\begin{aligned}d(P.dx) + d(Q.dy) = & \left(\dfrac{\partial P}{\partial x}(x,y) dx + \dfrac{\partial P}{\partial y}(x,y) dy\right)\wedge dx+\left(\dfrac{\partial Q}{\partial x}(x,y) dx + \dfrac{\partial Q}{\partial y}(x,y) dy\right)\wedge dy \\ = &\left(\dfrac{\partial Q}{\partial y}(x,y) - \dfrac{\partial P}{\partial y}(x,y)\right) dx \wedge dy \end{aligned}

Posté par
Poncargues
re : Dérivée extérieure et forme exacte 06-05-19 à 22:21

A une typo près

Posté par
jsvdb
re : Dérivée extérieure et forme exacte 06-05-19 à 22:43

Oui, bon ok, on va pô s'fâcher pour si peu :

\begin{aligned}d(P.dx) + d(Q.dy) = & \left(\dfrac{\partial P}{\partial x}(x,y) dx + \dfrac{\partial P}{\partial y}(x,y) dy\right)\wedge dx+\left(\dfrac{\partial Q}{\partial x}(x,y) dx + \dfrac{\partial Q}{\partial y}(x,y) dy\right)\wedge dy \\ = &\left(\dfrac{\partial Q}{\partial \red {x}}(x,y) - \dfrac{\partial P}{\partial y}(x,y)\right) dx \wedge dy \end{aligned}



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