Édition de feuilles d'exercices

[fct.R2/ex0321] \(\vec F\) et \(\vec G\) étant deux champs de vecteurs de classe \(C^1\), \(f\) étant un champ de scalaires de classe \(C^1\), montrer que : \[\mathop{\mathchoice{\hbox{div}}{\hbox{div}}{\mathrm{div}}{\mathrm{div}}}\limits(f\vec F)=f\mathop{\mathchoice{\hbox{div}}{\hbox{div}}{\mathrm{div}}{\mathrm{div}}}\limits\vec F+(\mathop{\vec{\mathchoice{\hbox{grad}}{\hbox{grad}}{\mathrm{grad}}{\mathrm{grad}}}}\limits\, f)\cdot\vec F.\] Montrer de même que : \[\mathop{\vec{\mathchoice{\hbox{rot}}{\hbox{rot}}{\mathrm{rot}}{\mathrm{rot}}}}\limits(f\vec F)=f\,\mathop{\vec{\mathchoice{\hbox{rot}}{\hbox{rot}}{\mathrm{rot}}{\mathrm{rot}}}}\limits\vec F+(\mathop{\vec{\mathchoice{\hbox{grad}}{\hbox{grad}}{\mathrm{grad}}{\mathrm{grad}}}}\limits\, f)\wedge\vec F.\]

[fct.R2/ex0844] Calculer le rotationnel de \(\mathbf{F}=(yz,zx,xy)\).

[fct.R2/ex0320] Montrer que \(\vec V(M)=yz.\vec\imath+zx.\vec\jmath+xy.\vec k\) a une divergence et un rotationnel nuls.

[fct.R2/ex0323] En utilisant l’expression de la divergence d’une champ de vecteurs défini sur \(\mathbf{R}^3\), en coordonnées sphériques, calculer \(\mathop{\mathchoice{\hbox{div}}{\hbox{div}}{\mathrm{div}}{\mathrm{div}}}\limits(\rho^n\mathchoice{\overrightarrow{OM}}{\overrightarrow{OM}}{\scriptstyle \overrightarrow{\scriptstyle OM}}{\scriptscriptstyle \overrightarrow{\scriptscriptstyle OM}})\), où \(\rho=OM\neq0\) et \(n\in\mathbf{Z}\). Calculer en particulier \(\mathop{\mathchoice{\hbox{div}}{\hbox{div}}{\mathrm{div}}{\mathrm{div}}}\limits\mathchoice{\overrightarrow{OM}}{\overrightarrow{OM}}{\scriptstyle \overrightarrow{\scriptstyle OM}}{\scriptscriptstyle \overrightarrow{\scriptscriptstyle OM}}\), \(\mathop{\mathchoice{\hbox{div}}{\hbox{div}}{\mathrm{div}}{\mathrm{div}}}\limits\displaystyle{\mathchoice{\overrightarrow{OM}}{\overrightarrow{OM}}{\scriptstyle \overrightarrow{\scriptstyle OM}}{\scriptscriptstyle \overrightarrow{\scriptscriptstyle OM}}\over\rho}\), \(\mathop{\mathchoice{\hbox{div}}{\hbox{div}}{\mathrm{div}}{\mathrm{div}}}\limits\displaystyle{\mathchoice{\overrightarrow{OM}}{\overrightarrow{OM}}{\scriptstyle \overrightarrow{\scriptstyle OM}}{\scriptscriptstyle \overrightarrow{\scriptscriptstyle OM}}\over\rho^3}\).

[fct.R2/ex0851] Si \(f\) est une fonction scalaire et \(\mathbf{F}\) est un champ vectoriel, montrer que : \[\mathop{\vec{\mathchoice{\hbox{rot}}{\hbox{rot}}{\mathrm{rot}}{\mathrm{rot}}}}\limits(f\mathbf{F})=f\mathop{\vec{\mathchoice{\hbox{rot}}{\hbox{rot}}{\mathrm{rot}}{\mathrm{rot}}}}\limits\,\mathbf{F}++\mathop{\vec{\mathchoice{\hbox{grad}}{\hbox{grad}}{\mathrm{grad}}{\mathrm{grad}}}}\limits\,f\wedge\mathbf{F}.\]

[fct.R2/ex0841] Calculer la divergence du champ \(\mathbf{F}=\displaystyle{(x,y,z)\over\|(x,y,z)\|^3}={\mathbf{P}\over\|\mathbf{P}\|^3}\), où \(\mathbf{P}=(x,y,z)\) et \(\|\mathbf{P}\|=\sqrt{x^2+y^2+z^2}\).

[fct.R2/ex0850] Si \(f\) est une fonction scalaire et \(\mathbf{F}\) est un champ vectoriel, montrer que : \[\mathop{\mathchoice{\hbox{div}}{\hbox{div}}{\mathrm{div}}{\mathrm{div}}}\limits(f\mathbf{F})=f\mathop{\mathchoice{\hbox{div}}{\hbox{div}}{\mathrm{div}}{\mathrm{div}}}\limits\mathbf{F}+\mathop{\vec{\mathchoice{\hbox{grad}}{\hbox{grad}}{\mathrm{grad}}{\mathrm{grad}}}}\limits\,f\cdot\mathbf{F}.\]

[fct.R2/ex0353] On considère une planète \(\mathscr{P}\) (assimilée ici à un point matériel de masse \(m\)) soumise à l’attraction du soleil (assimilé à un point fixe \(O\) de masse \(M\)). Si \(G\) est la constante de gravitation universelle, la force centrale de centre \(O\), appliquée à la planète \(\mathscr{P}\), est \(\vec F=-\displaystyle{GMm\over\rho^2}\,\vec u\), où \(\vec u\) est le vecteur radial.

Déterminer une équation différentielle en \(\displaystyle{1\over\rho}\) par rapport à la variable \(\theta\) vérifiée par le mouvement de \(\mathscr{P}\). Résoudre cette équation différentielle.

[fct.R2/ex0352] On considère un mouvement à accélération centrale de centre \(O\), dont le plan de la trajectoire est contenue dans \(xOy\).

1. Déterminer les composantes de la vitesse et de l’accélération dans le repère polaire en fonction des dérivées de \(\rho\) et de \(\theta\) par rapport à \(t\).

2. En posant \(c=\rho^2\displaystyle{d\theta\over dt}\), déterminer, toujours dans le même polaire, les composantes de la vitesse et de l’accélération en fonction de \(c\), \(U\) et des dérivées successives de \(U=\displaystyle{1\over\rho}\) par rapport à \(\theta\) (\(c\) est appelée constante des aires).

[fct.R2/ex0355] Quelle doit être la force centrale de centre \(O\) appliquée à un point matériel de masse \(m\) pour qu’il décrive un cercle passant par \(O\) ?

[fct.R2/ex0846] Calculer la divergence et le rotationnel de : \[\mathbf{F}=(\mathop{\mathchoice{\hbox{cos}}{\hbox{cos}}{\mathrm{cos}}{\mathrm{cos}}}\nolimits2x,\mathop{\mathchoice{\hbox{sin}}{\hbox{sin}}{\mathrm{sin}}{\mathrm{sin}}}\nolimits2y,\mathop{\mathchoice{\hbox{tan}}{\hbox{tan}}{\mathrm{tan}}{\mathrm{tan}}}\nolimits z).\]

[fct.R2/ex0849] Pour un champ vectoriel \(\mathbf{F}(x,y,z)=\left(f(x,y,z),g(x,y,z),h(x,y,z)\vphantom{1^2_2}\right)\) de classe \(C^2\), montrer que \(\mathop{\mathchoice{\hbox{div}}{\hbox{div}}{\mathrm{div}}{\mathrm{div}}}\limits\mathop{\vec{\mathchoice{\hbox{rot}}{\hbox{rot}}{\mathrm{rot}}{\mathrm{rot}}}}\limits\,\mathbf{F}=0\).

[fct.R2/ex0845] Calculer la divergence et le rotationnel de \(\mathbf{P}=(x,y,z)\).

[fct.R2/ex0351] \(\mathbf{R}^3\) étant rapporté à \((O,\vec\imath,\vec\jmath,\vec k)\), on considère un mouvement de trajectoire contenue dans le plan \(xOy\). Montrer que si \((\vec u,\vec v)\) est le repère polaire et \(\vec V\) est le vecteur vitesse du mouvement, nous avons en notant \(\mathchoice{\overrightarrow{OM}}{\overrightarrow{OM}}{\scriptstyle \overrightarrow{\scriptstyle OM}}{\scriptscriptstyle \overrightarrow{\scriptscriptstyle OM}}=\rho\,\vec u\) : \[\mathchoice{\overrightarrow{OM}}{\overrightarrow{OM}}{\scriptstyle \overrightarrow{\scriptstyle OM}}{\scriptscriptstyle \overrightarrow{\scriptscriptstyle OM}}\wedge\vec V=\rho^2{d\theta\over dt}\,\vec k.\] Que se passe-t-il si le mouvement est à accélération centrale de centre \(O\) ?

[fct.R2/ex0847] Montrer que, pour tout fonction scalaire \(f(x,y,z)\), \[\mathop{\mathchoice{\hbox{div}}{\hbox{div}}{\mathrm{div}}{\mathrm{div}}}\limits\mathop{\vec{\mathchoice{\hbox{grad}}{\hbox{grad}}{\mathrm{grad}}{\mathrm{grad}}}}\limits\,f=\Delta f=D^2f_{xx}+D^2f_{yy}+D^2f_{zz}.\]

[planches/ex7173] centrale MP 2021 On munit \(\mathbf{R}^n\) de sa structure euclidienne canonique. Soit \(f:\mathbf{R}^n\rightarrow\mathbf{R}\) de classe \(\mathscr{C}^2\).

1. Soit \(u:\mathbf{R}\rightarrow\mathbf{R}\) de classe \(\mathscr{C}^2\). Montrer que \(\Delta(u\mathbin{\circ} f)=(u''\mathbin{\circ} f)\times\|\nabla f\|^2+(u'\mathbin{\circ} f)\Delta(f)\).

2. Soient \(M\in\mathscr{M}_n(\mathbf{R})\) et \(f_M:x\mapsto f(Mx)\). Exprimer \(\Delta(f_M)\).

[fct.R2/ex0329] Si \(\rho=\sqrt{x^2+y^2+z^2}\), on considère le champ de vecteurs : \[\vec V={1\over3\rho}\left({yz\over x^2+y^2}-{yz\over x^2+z^2},{zx\over y^2+z^2}-{zx\over y^2+x^2},{xy\over z^2+x^2}-{xy\over z^2+y^2}\right).\] Montrer que ce champ est un potentiel vecteur du champ \(\vec W=\displaystyle{\mathchoice{\overrightarrow{OM}}{\overrightarrow{OM}}{\scriptstyle \overrightarrow{\scriptstyle OM}}{\scriptscriptstyle \overrightarrow{\scriptscriptstyle OM}}\over\rho^3}\).

[planches/ex7068] mines PC 2021 Soient \(R=\pmatrix{a&b\cr c&d}\in\mathscr{M}_2(\mathbf{R})\) et \(r\) l’endomorphisme de \(\mathbf{R}^2\) canoniquement associé à \(R\). Pour toute fonction \(f\in\mathscr{C}^2(\mathbf{R}^2,\mathbf{R})\), on note \(\Delta f=\displaystyle{\partial^2f\over\partial x^2}+{\partial^2f\over\partial y^2}\).

Montrer l’équivalence entre :

1. \(\forall f\in\mathscr{C}^2(\mathbf{R}^2,\mathbf{R})\), \(\Delta(f\mathbin{\circ} r)=(\Delta f)\mathbin{\circ} r\),

2. \(R\in\mathscr{O}_2(\mathbf{R})\).

[fct.R2/ex0853] Soit \(\mathbf{P}=(x,y,z)\). Pour toute fonction \(f(u)\), montrer : \[\mathop{\vec{\mathchoice{\hbox{rot}}{\hbox{rot}}{\mathrm{rot}}{\mathrm{rot}}}}\limits\,\left(f(\|\mathbf{P}\|)\,\mathbf{P}\vphantom{()_|}\right)=\vec0.\]

[fct.R2/ex0327] Le champ de vecteurs \(\vec F(M)=(yz-x^2)\vec\imath+(zx-y^2)\vec\jmath+(xy-z^2)\vec k\), dérive-t-il d’un potentiel scalaire ? Si oui, déterminer le potentiel correspondant.