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Lionel Porcheron 4 e édition Le formuLaire mpsi, mp 1 500 formules de mathématiques, physique et chimie

4 Le formuLaire mpsi, mp... 6493233 isBn 978-2-10-051941-5 lionel porcheron ingenieur de l’enseeiht à toulouse. • Toutes les formules et définitions du pro-gramme de mpsi et

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Page 1: 4 Le formuLaire mpsi, mp... 6493233 isBn 978-2-10-051941-5 lionel porcheron ingenieur de l’enseeiht à toulouse. • Toutes les formules et définitions du pro-gramme de mpsi et

jrsquointegravegre

matheacutematiques

physique

chimie

sciences de lrsquoingeacutenieur

informatique

wwwdunodcom6493233isBn 978-2-10-051941-5

lionel porcheron

ingenieur de lrsquoenseeiht agrave toulouse

bull Toutes les formules et deacutefinitions du pro-gramme de mpsi et mp en matheacutematiques physique et chimie

bull pour chaque formule la signification des termes les uniteacutes les limites drsquousage

bull de tregraves nombreux scheacutemas des exemples et des conseils

bull un index fourni pour trouver rapidement lrsquoinformation rechercheacutee

Lrsquooutil indispensable pour reacuteviser

Le formuLairempsi mp

lionel porcheron4e eacutedition

Lionel Porcheron

4e eacutedition

Le formuLairempsi mp

1 500 formulesde matheacutematiquesphysique et chimie

Le for

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1 500 formules de m

atheacutematiques physique et chim

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Porcheron 13x18indd 1 40808 145659

NordCompo
Piegravece jointe
9782100537877jpg

LE FORMULAIREMPSI MP

9782100519415_lim_P01-04 Page I Mardi 5 aoucirct 2008 314 15

9782100519415_lim_P01-04 Page II Mardi 5 aoucirct 2008 314 15

LE FORMULAIREMPSI MP

1 500 formules de matheacutematiquesphysique et chimie

4e eacutedition

Lionel PorcheronIngeacutenieur de lrsquoENSEEIHT agrave Toulouse

9782100519415_lim_P01-04 Page III Mardi 5 aoucirct 2008 314 15

copy Dunod Paris 2000 2003 2004 2008

9782100519415_lim_P01-04 Page IV Mardi 5 aoucirct 2008 314 15

ISBN 978-2-10-053787-7

Chapitre 0 mformulairetex 2772008 2251Page V

Table des matiegraveres

Avant-propos IX

Chapitre 1 Matheacutematiques 11 Algegravebre 1

11 Relations 112 Structures algeacutebriques 213 Nombres entiers nombres rationnels 514 Arithmeacutetique dans Z 715 Polynocircmes et fractions rationnelles 816 Geacuteneacuteraliteacutes sur les applications 1117 Applications lineacuteaires ndash Espaces vectoriels 1218 Matrices ndash Deacuteterminants ndash Systegravemes lineacuteaires 1719 Espaces vectoriels euclidiens 22110 Reacuteduction des endomorphismes 26

2 Analyse 2721 Espaces vectoriels normeacutes 2722 Nombres reacuteels 3123 Nombres complexes 3224 Suites 3425 Fonctions reacuteelles de la variable reacuteelle 3526 Deacuterivation 3827 Inteacutegration 4128 Eacutequations diffeacuterentielles 4429 Seacuteries 47210 Seacuteries entiegraveres 51211 Suites et seacuteries drsquoapplications 52

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Chapitre 0 mformulairetex 2772008 2251Page VI

VI Table des matiegraveres

212 Seacuteries de Fourier 57213 Fonctions de plusieurs variables 58

3 Geacuteomeacutetrie 5931 Courbes du plan 5932 Proprieacuteteacutes meacutetriques des courbes 64

Chapitre 2 Physique 65

0 Eacuteleacutements de matheacutematiques 6501 Diffeacuterentielles 6502 Eacutequations diffeacuterentielles 6603 Coniques 68

1 Eacutelectronique 6911 Lois geacuteneacuterales 6912 Reacutegime variable 7013 Montages avec amplificateur opeacuterationnel 73

2 Thermodynamique 7621 Gaz parfait 7622 Premier et second principes de la thermodynamique 7723 Changements de phase drsquoun corps pur 8124 Machines thermiques 8325 Diffusion thermique 8526 Rayonnement thermique 86

3 Meacutecanique du point 8831 Cineacutematique 8832 Changement de reacutefeacuterentiel 9033 Lois geacuteneacuterales de la meacutecanique 9134 Oscillateurs 9535 Mouvement drsquoune particule chargeacutee 9836 Systegravemes de deux points mateacuteriels 99

4 Meacutecanique du solide 10141 Cineacutematique du solide 10142 Theacuteoregravemes geacuteneacuteraux de la dynamique 10343 Contacts entre les solides 104

5 Optique 10551 Geacuteneacuteraliteacutes 10552 Optique geacuteomeacutetrique 10653 Interfeacuterences lumineuses 10954 Interfeacuteromegravetre de Michelson 11255 Autres dispositifs drsquointerfeacuterences 11556 Diffraction des ondes lumineuses 116

Chapitre 0 mformulairetex 2772008 2251Page VII

Table des matiegraveres VII

6 Eacutelectromagneacutetisme 11861 Eacutelectrostatique 11862 Magneacutetostatique 12163 Eacutequations de Maxwell dans le vide 12364 Conduction meacutetallique 12565 Induction dans un circuit fixe avec BBB variable 12666 Induction dans un circuit mobile soumis agrave BBB stationnaire 12867 Mateacuteriaux magneacutetiques 129

7 Ondes 13171 Oscillateurs coupleacutes 13172 Eacutequation de drsquoAlembert - Ondes stationnaires 13273 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans le vide 13474 Dispersion ndash Absorption 13775 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans les milieux mateacuteriels 138

Chapitre 3 Chimie 1411 Atomistique 141

11 Spectroscopie 14112 Modegravele ondulatoire 14213 Atome polyeacutelectronique 14314 Architecture moleacuteculaire 14515 Orbitales moleacuteculaires 147

2 Cineacutetique 148

3 Cristallographie 15031 Geacuteneacuteraliteacutes 15032 Mailles et sites dans les cristaux meacutetalliques 15033 Cristaux ioniques 152

4 Thermodynamique 15341 Fonctions drsquoeacutetat 15342 Potentiel chimique 15443 Grandeurs standards de reacuteaction 15544 Eacutequilibres chimiques 15745 Eacutequilibres liquidendashvapeur 16046 Reacuteactions drsquooxydoreacuteduction 163

5 Mateacuteriaux meacutetalliques 16551 Diagrammes drsquoEllingham 16552 Diagrammes potentiel-pH 16653 Courbes intensiteacutendashpotentiel 16854 Corrosion 170

Annexe A Primitives usuelles 173

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Chapitre 0 mformulairetex 2772008 2251Page VIII

VIII Table des matiegraveres

Annexe B Deacuteveloppements limiteacutes 175

Annexe C Formules trigonomeacutetriques 1771 Angles remarquables 177

2 Relations trigonomeacutetriques 178

Annexe D Opeacuterateurs vectoriels 1811 Notations 181

2 Gradient 182

3 Divergence 183

4 Rotationnel 183

5 Laplacien 184

6 Relations entre les opeacuterateurs 185

7 Theacuteoregravemes geacuteomeacutetriques 186

Annexe E Uniteacutes et constantes fondamentales 1871 Uniteacutes du Systegraveme International 187

11 Uniteacutes principales du systegraveme international 18712 Uniteacutes secondaires du systegraveme international 18813 Uniteacutes courantes du systegraveme international 18814 Multiples deacutecimaux pour les uniteacutes 188

2 Constantes fondamentales 189

3 Ordres de grandeurs 189

Annexe F Constantes chimiques 191

Annexe G Tableau peacuteriodique 193

Index 197

Chapitre 0 mformulairetex 2772008 2251Page IX

Avant-propos

La quatriegraveme eacutedition de ce formulaire rassemble les principaux reacutesultats descours de matheacutematiques de physique et de chimie eacutetablis tout au long desdeux anneacutees de classes preacuteparatoires dans la filiegravere MP Cette nouvelle eacutedi-tion srsquoameacuteliore encore un peu avec lrsquoapparition de la couleur Ce formulairesrsquoaveacuterera fort utile aussi bien pendant votre laquo preacutepa raquo que lorsque la peacuteriodefatidique des concours approchera

Il a eacuteteacute scindeacute en trois parties les parties relatives aux matheacutematiques agravela physique et agrave la chimie chacune drsquoentre elles rassemblant les principauxreacutesultats eacutetablis en cours pour chacune des filiegraveres auxquelles srsquoadresse cetouvrage Agrave la fin de lrsquoouvrage figurent en annexes les donneacutees qui ne sontpas neacutecessairement agrave connaicirctre mais qui sont neacuteanmoins fort utiles au quo-tidien

Un effort tout particulier a eacuteteacute fait pour rendre ces formules les plus laquo li-sibles raquo possible en deacutetaillant la signification de chaque symbole et en preacute-cisant bien agrave chaque fois les conditions drsquoapplication de ces formules Sou-lignons tout de mecircme que lrsquoapprentissage de ces formules ne se substituepas agrave lrsquoapprentissage du cours

Merci agrave tous ceux qui ont accepteacute de collaborer agrave cet ouvrage et en particu-lier agrave Pascal OLIVE et Jean-Marie MONIER pour leur consciencieuse relec-ture respective des parties physique et matheacutematiques agrave Bruno COURTETpour avoir parfaitement assureacute le suivi de ce nouveau venu dans la collec-tion laquo Jrsquointegravegre raquo

Lionel PORCHERONlionelporcheronfreefr

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 1

Chapitre 1Matheacutematiques

1 Algegravebre

11 Relations

Proprieacuteteacutes drsquoune relation binaireSoitR une relation binaire dans E elle est dite reacuteflexive si et seulement si forallx isin E xRx

symeacutetrique si et seulement si forall(x y) isin E2 xRy =rArr yRx

antisymeacutetrique si et seulement si forall(x y) isin E2 xRyyRx

=rArr x = y

transitive si et seulement si forall(x y z) isin E3 xRyyRz

=rArr xRz

Relation drsquoordre

Une relation binaireR de E est dite relation drsquoordre si et seulement siR est reacuteflexive antisymeacutetrique et transitive

Relation drsquoeacutequivalence

Une relation binaireR de E est une relation drsquoeacutequivalence si et seule-ment siR est reacuteflexive symeacutetrique et transitive

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 2

2 [1] Matheacutematiques

Classe drsquoeacutequivalence

SoitR une relation drsquoeacutequivalence dans E pour x isin E on appelle classedrsquoeacutequivalence de x (moduloR) lrsquoensemble deacutefini par

clR(x) = y isin E xRy

Ensemble-quotient

On appelle ensemble-quotient de E parR et on note ER lrsquoensembledes classes drsquoeacutequivalence moduloR

ER = clR x isin E

12 Structures algeacutebriques

Lois de compositions

On appelle loi interne toute application de Etimes Erarr E

Un loi lowast est dite associative si et seulement si forall(x y z) isin E3 x lowast (y lowast z) = (x lowast y) lowast z

Une loi lowast interne est dite commutative si et seulement si

forall(x y) isin E2 x lowast y = y lowast xOn dit que e est un eacuteleacutement neutre pour lowast si et seulement si

forallx isin E x lowast e = e lowast x = xOn appelle symeacutetrique de x isin E un eacutelement de E noteacute xminus1 veacuterifiant

xminus1 lowast x = x lowast xminus1 = eOn dit que rHE est stable par lowast si et seulement si

forall(x y) isin H2 x lowast y isin H

Groupe

Un ensemble muni drsquoune loi interne (G middot) est un groupe si et seule-ment si ndash middot est associative ndash middot admet un eacuteleacutement neutre e ndash tout eacuteleacutement de G admet un symeacutetrique pour la loi middotSi la loi middot est commutative on dit que le groupe G est abeacutelien ou com-mutatif

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 3

1 Algegravebre 3

Sous-groupe

Soit (G middot) un groupe Une partie H de G est un sous groupe de G si etseulement si ndash H est stable par la loi middot ndash H contient lrsquoeacuteleacutement neutre ndash forallx isin H xminus1 isin H

Groupe commutatif

ndash (ZnZ+) est un groupe commutatifndash lrsquoapplication pn Zrarr (ZnZ)

x 7rarr x mod n appeleacutee surjection canonique est

un morphisme surjectif de groupes

Geacuteneacuterateurs du groupe

Les geacuteneacuterateurs du groupe (ZnZ+) sont les k avec k isin Z et k and n =1

Groupe monogegravene ndash Groupe cyclique

ndash Un groupe G est dit monogegravene si et seulement srsquoil admet un geacuteneacutera-teur crsquoest-agrave-dire si et seulement srsquoil existe a isin G tel que G =lt a gtndash Un groupe G est dit cyclique si et seulement si G est monogegravene etfini

Anneau

Un ensemble A muni de deux lois internes noteacutees + et middot est un anneausi et seulement si ndash (A+) est un groupe commutatif drsquoeacuteleacutement neutre 0A ndash middot est associative et admet un eacuteleacutement neutre 1A ndash middot est distributive par rapport agrave + crsquoest-agrave-dire

forall(x y z) isin A3 x middot (y + z) = (x middot y) + (x middot z) (x + y) middot z = (x middot z) + (y middot z)

Si middot est commutative on dit que lrsquoanneau A est commutatifc copyDuno

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 4

4 [1] Matheacutematiques

Anneau integravegre

On dit qursquoun anneau (A+ middot) est integravegre si et seulement si A est com-mutatif et

forall(x y) isin A2 (x middot y = 0A)rArr (x = 0A ou y = 0A)

Sous-anneau

Soit (A+ middot) un anneau B une partie de A est un sous-anneau si etseulement si ndash (B+) est un sous groupe de (A+) ndash B est stable par middot ndash 1A isin B

Ideacuteal drsquoun anneau commutatif

I est dit un ideacuteal de A anneau commutatif avec I sub A si et seulementsrsquoil veacuterifie les proprieacuteteacutes

I 6= emptyforall(x y) isin I2 x + y isin Iforalla isin A forallx isin I ax isin I

Corps

Un ensemble (K+middot)muni de deux lois internes est un corps si et seule-ment si ndash (K+ middot) est un anneau commutatif ndash Tout eacuteleacutement de K0K est inversible par la loi middot

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 5

1 Algegravebre 5

Espace vectorielUn ensemble E est dit un K-espace vectoriel si E est non vide et sion dispose de deux lois une loi interne noteacutee + et drsquoune loi externe(Ktimes Erarr E) veacuterifiant (E+) est un groupe abeacutelien1 forall(λmicro) isin K2 forallx isin E (λ + micro)x = λx + microx

2 forallλ isin K forall(x y) isin E2 λ(x + y) = λx + λy

3 forall(λmicro) isin K2 forallx isin E λ(microx) = (λmicro)x4 forallx isin E 1x = x

AlgegravebreOn appelle K-algegravebre tout ensemble A muni drsquoune loi interne noteacutee +drsquoune loi externe Ktimes Ararr A et drsquoune loi interne noteacutee lowast veacuterifiant 1 (A+ middot) est un K-espace vectoriel2 lowast est distributive par rapport agrave +3 forallλ isin K forall(x y) isin A2 λ(x lowast y) = (λx) lowast y = x lowast (λy)Cette algegravebre est associative si et seulement si lowast est associative com-mutiative si et seulement si lowast est commutative unitaire si et seulementsi A admet un eacutelement neutre pour lowast

13 Nombres entiers nombres rationnels

Factorielle ndash Deacutefinition

n =n

prodk=1

k n factorielle nPar convention 0 = 1

Permutations

cardS(n) = nn factorielle n nombre de per-mutations drsquoun ensemble agrave n eacuteleacute-ments

Arrangements

Apn =

n(nminus p)

(n p) isin N2 avec p 6 n

On note Apn le nombre drsquoarrange-

ments de p eacuteleacutements agrave partir drsquounensemble de n eacuteleacutements (crsquoest-agrave-dire le nombre de p-uplets com-poseacutes drsquoeacuteleacutements deux agrave deux dis-tincts)

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 6

6 [1] Matheacutematiques

Combinaisons

Cpn =

np(nminus p)

(n p) isin N2 avec p 6 nOn appelle combinaison (noteacuteeCpn) toute partie de cardinal p drsquoun

ensemble agrave n eacuteleacutements

Combinaisons ndash Proprieacuteteacutes

Cpn = C

nminuspn forall(n p) isin NtimesN

Cpn + C

p+1n = C

p+1n+1 forall(n p) isin NtimesZ

Binocircme de Newton

(x + y)n =n

sumk=0

Cknx

kynminuskn isin N(x y) isin A2 et xy = yx avec A unanneau commutatif

Divisibiliteacute

Soit (a b) isin Z2 on dit que a divise b si et seulement si il existe c isin Ztel que b = ac

Division euclidienne

forall(a b) isin ZtimesNlowast exist(q r) isin Z2 tel que a = bq + r et 0 6 r lt b

Q est archimeacutedien

forallε isin Qlowast+ forallA isin Qlowast+ existN isin Nlowast Nε gt A

Q est dense

x lt y =rArr (existz isin Qx lt z lt y) forall(x y) isin Q2

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 7

1 Algegravebre 7

14 Arithmeacutetique dans Z

Plus Grand Commun Diviseur (PGCD)Soit (x1 xn) isin Zn une famille drsquoentiers relatifs non tous nuls la fa-mille des diviseurs communs agrave tous les (xi)iisin[1n] admet un plus grandeacuteleacutement appeleacute plus grand commun diviseur

Plus Petit Commun Multiple (PPCM)Soit (x1 xn) isin Nn la famille des multiples communs non nulsaux (xi)iisin[1n] admet un plus petit eacuteleacutement appeleacute plus petit communmultiple

Nombres premiers entre euxSoient (x1 xn) isin (Zlowast)n ces nombres sont premiers entre eux si etseulement si ils veacuterifient la proprieacuteteacute pgcd(x1 xn) = 1

Theacuteoregraveme de BezoutSoient (x1 xn) isin (Zlowast)n pour que tous ces entiers soient premiersentre eux il faut et il suffit qursquoil existe (u1 un) isin Zn tel quen

sumi=1

xiui = 1

Theacuteoregraveme de Gauss

a|bcpgcd(a b) = 1 =rArr a|c forall(a b c) isin (Zlowast)3

Produit du PGCD par le PPCM

pgcd(a b) middot ppcm(a b) = |a middot b| forall(a b) isin (Zlowast)2

Nombres premiersOn dit qursquoun entier p isin N est premier si et seulement si p gt 2 et srsquoilveacuterifie

foralla isin Nlowast (a|p =rArr (a = 1 ou a = p))

Deacutecomposition en nombres premiersTout entier n isin N 0 1 admet une deacutecomposition unique en un pro-duit de nombres premiers agrave lrsquoordre pregraves des facteurs

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8 [1] Matheacutematiques

15 Polynocircmes et fractions rationnelles

Support drsquoune suite ndash Deacutefinition drsquoun polynocircme

Pour toute suite (an)nisinN de KN on apelle support lrsquoensemble des n isinN tels que an 6= 0

On appelle polynocircme agrave une indeacutetermineacutee agrave coefficients constantstoute suite de KN agrave support fini

Polynocircme agrave une indeacutetermineacutee

On note K[X] le corps des polynocircmes agrave une indeacutetermineacutee X agrave valeursdans K Tout eacuteleacutement P de K[X] peut srsquoeacutecrire sur la base canonique(Xn)nisinN sous la forme P = sum

nanX

n

Degreacute drsquoun polynocircme ndash Deacutefinition

deg P = max n isin Nan 6= 0 deg P degreacute du polynocircme P

Degreacute drsquoun polynocircme ndash Proprieacuteteacutes

deg(P + Q) 6 max(deg P degQ)

(PQ) isin K[X]

Lorsque deg P 6= degQ alors deg(P+Q)=max(deg P+degQ)

deg(PQ) = deg P + degQ

Produit

PQ = sumncnX

n

cn =n

sump=0

apbnminusp

P = sumnanX

n isin K[X]

Q = sumnbnX

n isin K[X]

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 9

1 Algegravebre 9

Composition

P Q = P(Q) = sumnanQ

nP Q polynocircme composeacuteP = sum

nanX

n isin K[X]

Q isin K[X]

Deacuterivation

Pprime = sumngt1

nanXnminus1 P = sum

nanX

n isin K[X]

Pprime polynocircme deacuteriveacute de P

Division euclidienne

forall(A B) isin (K[X])2 exist(Q R) isin (K[X])2A = BQ + R avec deg R ltdeg BQ quotient de la division euclidienne de A par BR reste de la division euclidienne de A par B

Divisibiliteacute dans K[X]

On dit que A divise P deux polynocircmes de K[X] si et seulement srsquoilexiste Q isin K[X] tel que P = AQOn appelle plus grand commun diviseur de (Pk)kisin[1n] isin (K[X] 0)le polynocircme de plus haut degreacute parmi les diviseurs des PkSoient (PQ) isin (K[X])2 ils sont dits premiers entre eux si et seulementsi leur plus grand commun diviseur est 1

Proprieacuteteacute de Gauss Soient A B et C trois polynocircmes non nuls deK[X] si A divise BC et si A et B sont premiers entre eux alors A diviseCSi A est premier avec B et avec C alors A est premier avec BC

Eacutegaliteacute de Bezout pour deux polynocircmesSoient A et B deux polynocircmes non nuls de K[X] Ces deux polynocircmessont premiers entre eux si et seulement si il existe un unique couple(UV) de polynocircmes de K[X] tels que

AU + BV = 1

Polynocircme irreacuteductibleUn polynocircme P isin K[X] est dit irreacuteductible si et seulement si deg P gt 1et si P nrsquoadmet comme diviseurs que les eacuteleacutements non nuls du corps Ket les multiples de lui-mecircmec copyDuno

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 10

10 [1] Matheacutematiques

Fonction polynomiale

Agrave tout polynocircme P = sumnanX

n on associe la fonction polynomiale

P ξ 7rarrsumnanξ

n

Racine drsquoun polynocircme

P(α) = 0α est appeleacutee racine du polynocircmeP isin K[X] si elle veacuterifie la proprieacuteteacuteci-contre

Soit (α)iisinI famille des racines deux agrave deux distinctes du polynocircme PCe polynocircme peut alors srsquoexprimer sous la forme P = Qprod

iisinI(xminus αi)

mi

ougrave mi est la multipliciteacute de la racine αi et Q un polynocircme nrsquoayant pasde zeacutero dans K

Multipliciteacute drsquoune racine drsquoun polynocircme

P(mminus1)(α) = 0

P(m)(α) 6= 0

α est une racine P de multipli-citeacute m si elle veacuterifie la proprieacuteteacute ci-contre

Polynocircme scindeacuteUn polynocircme P isin K[X] est dit scindeacute sur K si et seulement si il existeλ isin K 0 et une famille drsquoeacuteleacutements non neacutecessairement distincts(xi)iisin[1n] tels que

P = λn

prodi=1

(Xminus xi)

Theacuteoregraveme de drsquoAlembert amp ConseacutequenceLe corps C est algeacutebriquement clos tout polynocircme non constant deK[X] admet au moins un zeacutero dans CConseacutequence Tout polynocircme non constant est scindeacute sur C

Fraction rationnelle ndash Deacutefinition

R =sumnanX

n

sumnbnX

n

R isin K(X) fraction rationnelleK(X) corps des fractions ration-nelles(an bn) isin K2 coefficients

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 11

1 Algegravebre 11

Zeacuteros et pocircles drsquoune fraction rationnelle

Soit R =P

Qisin K(X) avec (PQ) isin K[X]2 une fraction rationnelle

Si P et Q sont deux polynocircmes premiers entre eux - on appelle zeacuteros de R les zeacuteros de P- on appelle pocircles de R les zeacuteros de Q

Deacutecomposition en eacuteleacutements simples

R =P

Sα11 times middot middot middot times Sαn

n

R = E +n

sumi=1

αi

sumj=1

Cαi j

Sji

R isin K(X) une fraction ration-nelleSαi

i isin K[X] polynocircme irreacuteduc-tibles premiers deux agrave deux entreeuxforalliαi isin NlowastE isin K[X] partie entiegravere de R

16 Geacuteneacuteraliteacutes sur les applications

Application injective

forall(x y) isin E2

( f (x) = f (y) =rArr x = y)

Une application f est dite injec-tive si et seulement si elle veacuterifiela proprieacuteteacute ci-contre

Application surjective

forally isin F existx isin E f (x) = y

Une application lineacuteaire f de Edans F est dite surjective si etseulement si elle veacuterifie la pro-prieacuteteacute ci-contre

Composition de fonctions injectives de fonctions surjectives

g f injective rArr f injectiveg f surjective rArr g surjective f et g deux applicationsc copy

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12 [1] Matheacutematiques

17 Applications lineacuteaires ndash Espaces vectoriels

Espace vectoriel ndash DeacutefinitionSoit E un ensemble muni drsquoune loi interne noteacutee + drsquoune loi externeKtimes Erarr E noteacutee middot telles que (E+) est un groupe abeacutelienforallλ isin K forall(x y) isin E2 λ(x + y) = λx + λyforall(λmicro) isin K2 forallx isin E (λ + micro)x = λx + microxforall(λmicro) isin K2 forallx isin E λ(microx) = (λmicro)xforallx isin E 1x = xUn tel ensemble est appeleacute K-espace vectoriel

Sous-espace vectorielSoit E un K-espace vectoriel et F sub E F est dit sous-espace vectorielde E si et seulement si il veacuterifie les proprieacuteteacutes suivantes (1) F 6= empty(2) forall(x y) isin F2 x + y isin F(3) forallλ isin K forallx isin F λx isin F

Sous-espace engendreacute par une partie

Vect(A) =⋂

FsubEFsupA

F

E K-espace vectorielA sub EVect(A) sous-espace vectorielengendreacute par AAutrement dit Vect(A)est le pluspetit sous-espace vectoriel de Econtenant A ou si A 6= empty lrsquoen-semble des combinaisons lineacuteairesdes eacuteleacutements de E

Somme directe de sous-espaces vectoriels

E = sumiisinI

Ei

forall(i j) isin I2 Ei capsumj 6=i

E j = 0

(Ei)iisinI famille de sous-espacesvectoriels drsquoun espace vectoriel ESi la somme des Ei veacuterifie les deuxproprieacuteteacutes ci-contre elle est ditedirecteDans ce cas forallx isin E il existe uneunique deacutecomposition x = sum

iisinIxi

avec xi isin Ei

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1 Algegravebre 13

Sous-espaces vectoriels suppleacutementaires

E =oplus

iisinIEi

(Ei)iisinI famille de sous-espacesvectoriels drsquoun espace vectoriel EIls sont dits suppleacutementaires si etseulement srsquoils sont en somme di-recte et que leur somme est eacutegale agraveE

Famille geacuteneacuteratriceSoit (xi)iisinI une famille de vecteurs drsquoun espace vectoriel de E sur KOn dit que cette famille est geacuteneacuteratrice si et seulement si tout eacuteleacutementx de E peut srsquoexprimer comme combinaison lineacuteaire des xi crsquoest-agrave-direqursquoil existe une famille (λi)iisinI telle que x = sum

iisinIλixi

Famille libre

sumiisinI

λixi = 0 =rArr foralli isin I λi = 0(xi)iisinI famille de vecteurs de E(λi)iisinI famille de scalaires de KUne famille est libre si elle veacuterifiela proprieacuteteacute ci-contre

Proprieacuteteacutes fondamentales des famillesndash Toute sur-famille drsquoune famille geacuteneacuteratrice drsquoune famille geacuteneacuteratriceest geacuteneacuteratricendash Toute sous famille drsquoune famille libre est une famille libre

ndash Si (x1 xn) libre et (x1 xn xn+1) lieacutee alors xn+1 =n

sumi=1

λixi

ndash Une famille comportant le vecteur nul est lieacutee

Base drsquoun espace vectoriel ndash DeacutefinitionUne base de E est une famille de vecteurs (xi)iisinI de E libre et geacuteneacutera-triceAutres formulations une base est une famille libre maximale ou en-core une famille geacuteneacuteratrice minimale

Theacuteorie de la dimensionUn K-espace vectoriel est dit de dimension finie si et seulement si Eadmet au moins une famille geacuteneacuteratrice de dimension finieSoit E un K-espace vectoriel de dimension finie alors 1 E admet au moins une base de dimension finie2 Toutes les bases de E sont finies et ont le mecircme cardinal appeleacute di-mension de E et noteacute dim E

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14 [1] Matheacutematiques

Theacuteoregraveme de la base incomplegraveteSoit E un K-espace vectoriel de dimension n et F = (x1 xr)unefamille libre de E Il y a au moins une faccedilon de compleacuteter F par nminus rvecteurs drsquoune base de E pour obtenir une base de E

Base duale deacutefinition

elowasti (e j) = δi j =

1 si i = j0 si i 6= j

E K-espace-vectorielElowast dual de EB = (e1 en) une base de EBlowast = (elowast1 e

lowastn) base de Elowast

Blowast est appeleacute base duale de BProprieacuteteacutes des familles libres et des familles geacuteneacuteratrices

Soient E un K-espace vectoriel de dimension nndash Toute famille libre de E comporte au plus n eacuteleacutementsndash Toute famille geacuteneacuteratrice de E comporte au moins n eacuteleacutements

Droite vectorielle ndash HyperplanOn appelle droit vectorielle tout sous-espace vectoriel de dimension 1On appelle hyperplan tout sous-espace vectoriel de dimension nminus 1drsquoun espace vectoriel de dimension n

CodimensionSoit F un sous-espace vectoriel de E il est dit de codimension finiesi et seulement si F admet au moins un suppleacutementaire de dimensionfinie dans E

Application lineacuteaire ndash Deacutefinition

forall(x y) isin E2 forallλ isin K

f (x + λy) = f (x) + λ f (y)

On dit que f est une application li-neacuteaire de E dans F si et seulementsi elle veacuterifie la proprieacuteteacute ci-contre

Forme lineacuteaire ndash DeacutefinitionOn appelle forme lineacuteaire une application lineacuteaire qui va de E dans lecorps de reacutefeacuterence K

Applications lineacuteaires et famille de vecteursforall f isin L(E F) et pour toute famille finie F drsquoeacuteleacutements de E ndash f (Vect(F )) = Vect( f (F ))ndash si F est lieacutee alors f (F ) est lieacutee

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1 Algegravebre 15

ndash si f (F ) est libre alors F est librendash si f est bijective pour toute base B de E f (B) est une base de F

Image et noyau drsquoune application lineacuteaire ndash Deacutefinition

Im f = y isin Fexistx isin E f (x) = yOn appelle image de f le sous-espace vectoriel de F noteacute Im f deacute-fini ci-contre

Ker f = x isin E f (x) = 0On appelle noyau de f le sous-espace vectoriel de E noteacute Ker fdeacutefini ci-contre

Noyau drsquoune forme lineacuteaire

Le noyau drsquoune forme lineacuteaire autre que la forme nulle est un hyper-plan

Rang drsquoune application lineacuteaire ndash Deacutefinition

Soient E et F deux espaces vectoriels sur K et f une application lineacuteairede E dans F Si Im f est de dimension finie dim Im f srsquoappelle rangde f et se note rg f

Formule du rang

dim E = rg f + dim(Ker f )

E espace vectoriel de dimensionfinief application lineacuteairerg f rang de fKer f noyau de f

Isomorphisme ndash Endomorphisme ndash Automorphisme

ndash Un isomorphisme drsquoespaces vectoriels est une application lineacuteairede E dans F bijective

ndash Un endomorphisme de E est une application lineacuteaire de E dans E

ndash Un automorphisme est un endomorphisme bijectif On note GL(E)lrsquoensemble des automorphismes de E

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16 [1] Matheacutematiques

Endomorphisme nilpotentOn dit qursquoun endomorphisme f drsquoun K-espace-vectoriel E est nil-potent si et seulement si existp isin Nlowast tel que f p = 0 Lrsquoordre de nilpotenceest alors le plus petit p isin Nlowast tel que f p = 0

Applications lineacuteaires ndash Cas de la dimension finie

(1) f isomorphisme(2) f injective(3) f surjective(4) rg f = n

E et F deux espaces vectoriels demecircme dimension n sur Kf isin L(E F)Les propositions ci-contre sontdeux agrave deux eacutequivalentes

(1) f automorphisme(2) f injective(3) f surjective(4) rg f = n

E espace vectoriel de dimensionn sur Kf isin L(E)Les propositions ci-contre sontdeux agrave deux eacutequivalentes

Image et noyau drsquoune application lineacuteaire ndash Proprieacuteteacutes

f surjective lArrrArr Im f = Ff injective lArrrArr Ker f = 0 f application lineacuteaire de E dans F

Projecteur ndash Deacutefinition

p2 = p (1)

Un projecteur est une applicationlineacuteaire veacuterifiant la relation (1)p est alors le projecteur sur Im pparallegravelement agrave Ker p

Symeacutetrie ndash Deacutefinition

s2 = IdE

Une symeacutetrie est une applicationlineacuteaire veacuterifiant la relation ci-contre

p = 12 (s + IdE) est un projecteur

s est la symeacutetrie par rapportagrave Ker(s minus IdE) parallegravelement agraveKer(s + IdE)

Une symeacutetrie est une applicationlineacuteaire veacuterifiant les proprieacuteteacutes ci-contre

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1 Algegravebre 17

Formule de Grassman

dim(A + B) = dim A + dim B minus dim(A cap B) ougrave A et B sont deuxsous-espaces vectoriels de E de dimensions finies

18 Matrices ndash Deacuteterminants ndash Systegravemes lineacuteaires

Ensemble des matrices

On noteMmn(K) lrsquoensemble des matrices agrave m lignes et n colonnes

Matrices et applications lineacuteaires

f (e j) =m

sumi=1

ai j fi

f application lineacuteaire de E dans Fdeux espaces vectoriels de dimen-sion finieM = (ai j)iisin[1m] jisin[1n] matrice as-socieacutee agrave lrsquoapplication lineacuteaire fB = (e j) jisin[1n] base de E

Bprime = ( fi)iisin[1m] base de F

Somme de deux matrices

γi j = αi j + βi j

M = (αi j) isin Mmn(K)

N = (βi j) isin Mmn(K)

M + N = (γi j) isin Mmn(K)

Produit drsquoune matrice par un scalaire

M = λN

(γi j) = (λ middot αi j)

λ isin KM = (αi j) isin Mmn(K)

N = (γi j) isin Mmn(K)

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18 [1] Matheacutematiques

Produit de matrices

β1 jβ2 j

βk j

βp j

αi1αi2 middot middot middotαik middot middot middotαip

γi j

M = (αik) isin Mmp(K)N = (βk j) isin Mpn(K)

MN = (γi j) isin Mmn(K)

γi j =p

sumk=1

αik middot βk j

Proprieacuteteacutes des opeacuterations sur les matrices

(M + N)P = MP + NP (MN) isin (Mmp(K))2 P isinMpn(K)

(microM)(λN) = microλ(MN)

M isin Mmp(K)N isin Mpn(K)

(λmicro)2 isin K2

(MN)P = M(NP)

M isin Mmp(K)N isin Mpn(K)N isin Mnq(K)

Attention En geacuteneacuteral MN 6= NM

Transposeacutee drsquoune matrice

A = (ai j) iisin[1n]

jisin[1p]

tA = (a ji) jisin[1p]iisin[1n]

A isin Mnp(K)tA isin Mpn(K) matrice transpo-seacutee de A

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1 Algegravebre 19

Changement de base

Aprime = Qminus1AP

Aprime matrice drsquoune application li-neacuteaire de E (dans la base base Bprime)vers F (dans la base base C prime)A matrice de la mecircme applicationlineacuteaire de E (dans la base base B)vers F (dans la base base C)P matrice de passage de B agrave BprimeQ matrice de passage de C agrave C primeDans le cas drsquoun endomorphismeQ = P (seulement deux bases sontneacutecessaires)

Exponentielle de matrice

exp(A) =+infin

sumk=0

1kAk

A isin Mn(K)exp(A) exponentielle de la ma-trice A

Deacuteterminant ndash DeacutefinitionUn deacuteterminant est une forme multilineacuteaire alterneacuteeMultilineacuteariteacute (det(α1V1 αnVn) = α1 middot middot middot middot αn det(V1 Vn))Alterneacutee Vi = Vj avec i 6= j =rArr det(V1 Vn) = 0Dans une base B = (e1 en) de E on note detB lrsquoapplication

detB(V1 Vn) = sumσisinSn

ε(σ)aσ(1)1 middot middot middot aσ(n)n

Avec Vj =n

sumi j=1

ai j jei j j

Deacuteterminant drsquoun produit de matrices

det(M middot N) = detM middot detN M isin Mn(K)N isin Mn(K)

Deacuteterminant et matrice inversible

M inversible lArrrArr detM 6= 0c copyDuno

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20 [1] Matheacutematiques

det(Mminus1) = (detM)minus1 M isin Mn(K) inversible

Deacuteterminant de Vandermonde∣∣∣∣∣∣∣

1 x1 x21 middot middot middot xnminus11

1 xn x2n xnminus1n

∣∣∣∣∣∣∣= prod

16 jlti6n

(xi minus x j) (x1 xn) isin Kn

Matrice inversible ndash DeacutefinitionUne matrice M isin Mn(K) est dite inversible srsquoil existe une matrice Ntelle que

M middot N = N middotM = InLa matrice N est alors appeleacutee inverse de M et se note Mminus1

Matrices inversiblesSoit A isin Mn(K) et f un endomorphisme repreacutesenteacute par A dans unebase Les proprieacuteteacutes ci-dessous sont deux agrave deux eacutequivalentes (1) f est bijective(2) A est inversible agrave gauche(3) A est inversible agrave droite(4) A est inversible(5) A est reacuteguliegravere agrave gauche(6) A est reacuteguliegravere agrave droite(7) A est reacuteguliegravere

Matrice des cofacteurs ndash Comatrice

comM = (detMi j)iisin[1n]jisin[1n]

comM comatrice de M (ou ma-trice des cofacteurs)Mi j matrice M laquo priveacutee raquo de sa ie

ligne et de sa je colonne

Matrice inverse

Mminus1 =1

detM

t

com(M)

M isin Mn(K) matrice inversiblecom(M) matrice des cofacteursde M

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1 Algegravebre 21

Systegraveme lineacuteaire ndash Deacutefinition

a11x1 + middot middot middot+ a1pxp = b1

an1x1 + middot middot middot+ anpxp = bn

On peut interpreacuteter ce systegravemecomme le produit de la matriceA = (ai j)iisin[1n] jisin[1p] par le vecteurX = (xi)iisin[1p] (vecteur inconnu)Ce produit est eacutegal au vecteur se-cond membre B = (bi)iisin[1n]

Systegraveme de Cramer

forall j isin [1 p] x j =det A j(b)

det A

Dans le cas drsquoun systegraveme de Cra-mer n = p = rg ALe systegraveme admet alors une so-lution unique donneacutee par les for-mules de Cramer ci-contreA j(b) est obtenue agrave partir de A enremplaccedilant le vecteur colonne c jpar b

Cas ougrave rg A = n lt p

Apregraves permutation des inconnues on peut supposer que la matriceAprime = (ai j)iisin[1n]

jisin[1n]

extraite de A est inversible On eacutetablit alors le systegraveme

suivant

a11x1 + middot middot middot+ a1nxn = b1 minus (a1n+1xn+1 + middot middot middot+ a1pxp)

an1x1 + middot middot middot+ annxn = bn minus (ann+1xn+1 + middot middot middot+ anpxp)

Ce systegraveme est de Cramer et admet donc une solution unique Cetensemble est un sous-espace affine de dimension pminus n

Cas ougrave rg A lt n

Soit on peut se ramener au cas preacuteceacutedent par combinaison lineacuteaire deseacutequations soit le systegraveme nrsquoadmet pas de solutionc copyDuno

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22 [1] Matheacutematiques

19 Espaces vectoriels euclidiens

Produit scalaire ndash Deacutefinition

Un produit scalaire euclidien surE est une application ϕ de E2 dansR veacuterifiant (1) ϕ est bilineacuteaire(2) ϕ est symeacutetrique(3) forallx isin E ϕ(x x) gt 0(4) forallx isin E ϕ(x x) = 0rArr x = 0

ϕ veacuterifiant (3) est dite positiveϕ veacuterifiant (4) est dite deacutefinieϕ veacuterifiant (3) et (4) est ditedeacutefinie-positiveOn note ce produit scalaire (middot|middot)

Forme quadratique

forallx isin E q(x) = ϕ(x x)ϕ une forme bilineacuteaire symeacutetriquesur Etimes Eq E rarr R forme quadratique as-socieacutee agrave ϕ

Matrice associeacutee

MatB(ϕ) = (ϕ(ei e j))iisin[1n]jisin[1n]

MatB(ϕ) matrice de ϕ dans BB base de Eϕ E times E rarr R forme bilineacuteairesymeacutetrique

Expression matricielle

ϕ(x y) =t XAY

ϕ E times E rarr R forme bilineacuteairesymeacutetrique(x y) isin E2

X = MatB(x)Y = MatB(y)

Norme euclidienne ndash Deacutefinition

x2 =radic

(x|x) middot 2 norme euclidienne sur Ex isin E

Ineacutegaliteacute de Cauchy-Schwarz

|(x|y)| 6 x middot y forall(x y) isin E2

Il y a eacutegaliteacute si et seulement si les vecteurs x et y sont lieacutes

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1 Algegravebre 23

Ineacutegaliteacute triangulaire ou de Minkowski

x + y 6 x+ y forall(x y) isin E2

Il y a eacutegaliteacute si et seulement si les vecteurs x et y sont positivement lieacutesou si x = 0

Relations entre produit scalaire et norme

forall(x y) isin E2 1 x + y2 = x2 + 2(x|y) + y22 xminus y2 = x2 minus 2(x|y) + y2

3 (x|y) =12

(x + y2 minus x2 minus y2

)

4 (x|y) =14

(x + y2 minus xminus y2

)

Vecteurs orthogonaux

Soit (x y) isin E2 on dit que ces deux vecteurs sont orthogonaux si etseulement si (x|y) = 0

Parties orthogonales ndash Orthogonal drsquoune partie

forall(x y) isin Atimes B (x|y) = 0

Aperp = x isin Eforally isin A (x|y) = 0

x y deux vecteurs respective-ment de A et de BA B deux parties orthogonalesde EAperp orthogonal de la partie A

Ineacutegaliteacute de Bessel

n

sumj=1|(e j|x)|2 6 x2

E espace vectoriel preacutehilbertienx vecteur de E(e j) jisin[1n] famille orthonormalede E

Projecteur orthogonal

Ker p = (Im p)perp

Im p = (Ker p)perpp projecteur orthogonal sur Im pparallegravelement agrave Ker p

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24 [1] Matheacutematiques

Attention un projecteur orthogonal nrsquoest pas une application ortho-gonale

Diagonalisation drsquoune matrice symeacutetrique

forallS isin Sn(R) exist(ΩD) isin On(R)timesDn(R) S = ΩDΩminus1

Sn(R) ensemble des matrices symeacutetriques de R

On(R) groupe orthogonal

Dn(R) ensemble des matrices diagonales de R

Valeurs propres de matrices symeacutetriques

Les valeurs propres drsquoune matrice S isin Sn(R) sont reacuteelles

Endomorphisme adjoint ndash Deacutefinition

forall f isin L(E) exist f lowast isin L(E) tel que

forall(x y) isin E2 ( f (x)|y) = (x| f lowast(y))

E espace vectoriel euclidienL(E) ensemble des endomor-phismes de Ef endomorphisme de Ef lowast lrsquoadjoint de fx y deux vecteurs de E

Automorphismes orthogonaux symeacutetriques antisymeacutetriques

(1) f lowast = fminus1(2) f lowast = f(3) f lowast = minus f

Un automorphisme f veacuterifiant ndash (1) est dit orthogonalndash (2) est dit symeacutetrique ou auto-adjointndash (3) est dit antisymeacutetrique

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1 Algegravebre 25

Proprieacuteteacutes des adjoints

Ker f lowast = (Im f )perp Im f lowast = (Ker f )perp

(λ f + g)lowast = λ f lowast + glowast

(g f )lowast = f lowast glowast

(IdE)lowast = IdE

( f lowast)lowast = f

( fminus1)lowast = ( f lowast)minus1

Mat f lowast =t Mat f

( f g) isin L(E)2 endomorphismesde E admettant des adjointsf lowast endomorphisme adjoint de E

Aperp orthogonal de A A eacutetant unepartie de E

Deacutefinition et proprieacuteteacutes des automorphismes orthogonaux

(1) forall(x y) isin E2 ( f (x)| f (y)) = (x|y)(2) forallx isin E f (x) = x(3) f isin O(E)

Les proprieacuteteacutes (1) (2) et (3) sonteacutequivalentes(1) traduit la conservation du pro-duit scalaire(2) traduit la conservation de lanorme

O(E) ensemble des automor-phismes orthogonaux de Ef isin L(E)

Caracteacuterisation des automorphismes orthogonaux

tM middotM = In ou M middott M = In

f lowast f = f f lowast = IdE

M matrice orthogonale deMn(K)f automorphisme orthogonal deEIdE application identiteacute de EIn matrice identiteacute deMn(K)c copy

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26 [1] Matheacutematiques

110 Reacuteduction des endomorphismes

Valeur propre ndash Deacutefinition

existx isin E x 6= 0 tel que

f (x) = λx

f isin L(E)λ isin K valeur propre de fAutre formulation f minus λ IdE estnon injectif

Spectre drsquoun endomorphismeSoit f isin L(E) on appelle spectre de f noteacute Sp( f ) lrsquoensemble

Sp( f ) = λ isin K existx isin E 0 f (x) = λxVecteur propre ndash Deacutefinition

x 6= 0 et existλ isin K

f (x) = λx

x isin E vecteur propre de ff isin L(E)(alors λ isinSp( f ))

Sous-espace propre ndash Deacutefinition

SEP( f λ) = Ker( f minus λ IdE)

SEP( f λ) sous-espace propre as-socieacute agrave λf isin L(E)λ isin Sp( f )

Polynocircme caracteacuteristique ndash Deacutefinition

χA(λ) = det(Aminus λIn)

χ f (λ) = det( f minus λIdE)

χA(λ) polynocircme caracteacuteristiquede Aχ f (λ) polynocircme caracteacuteristiquede ff isin L(E)A matrice drsquoordre n associeacutee agrave f

Polynocircme caracteacuteristique ndash Proprieacuteteacutes

ndash Le coefficient dominant est(minus1)nndash Le coefficient de λnminus1 est(minus1)nminus1 tr Andash Le terme constant est det A

A isin Mn(K)χA(λ) polynocircme caracteacuteristiquede Aλ indeacutetermineacutee du polynocircme

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2 Analyse 27

Diagonalisabiliteacute

1 f est diagonalisable2 Il existe une base de E formeacutee devecteurs propres de f 3 La somme des sous-espacespropres pour f est eacutegale agrave E4 La somme des dimensions dessous-espaces propres pour f esteacutegale agrave dim E

Les proprieacuteteacutes ci-contre sont deuxagrave deux eacutequivalentesE espace vectoriel de dimensionfinief isin L(E)

TrigonalisationSoit f isin L(E) les deux proprieacuteteacutes suivantes sont eacutequivalentes 1 f est trigonalisable2 χ f est scindeacute sur K

Drapeau

foralli isin 1 n dim(Ei) = iforalli isin 1 nminus 1 Ei sub Ei+1

E un K-espace-vectoriel(E1 En) famille de sous-espaces vectoriels de En = dim E

Theacuteoregraveme de Cayley - Hamilton

Le polynocircme caracteacuteristique de f annule f crsquoest-agrave-dire forall f isinL(E) χ f = 0

2 Analyse

21 Espaces vectoriels normeacutes

Norme ndash Deacutefinition

On appelle norme sur un K-espace vectoriel E toute application N Erarr R veacuterifiant les trois points suivants 1 forallλ isin K forallx isin EN(λx) = |λ|N(x)2 forallx isin E N(x) = 0 =rArr x = 03 forall(x y) isin E2 N(x + y) 6 N(x) + N(y)

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28 [1] Matheacutematiques

Normes eacutequivalentesDeux normes N1 et N2 sont dites eacutequivalentes si et seulement si il existe(αβ) isin Rlowast+

2 tels que

αN1 6 N2 6 βN1

Distance ndash DeacutefinitionSoit (E middot ) un espace vectoriel normeacute on appelle distance associeacutee agravela norme middot lrsquoapplication d E2 rarr R deacutefinie par d(x y) = xminus yLa distance possegravede les proprieacuteteacutes suivantes 1 forall(x y) isin E2 d(x y) = d(y x)2 forall(x y) isin E2 d(x y) = 0 =rArr x = y3 forall(x y z) isin E3 d(x z) 6 d(x y) + d(y z)4 forall(x y) isin E2 forallλ isin K d(λx λy) = |λ|d(x y)5 forall(x y z) isin E3 d(x + z y + z) = d(x y)

Distance drsquoun point agrave une partieOn appelle distance de x isin E agrave A une partie non vide de E R espacevectoriel le reacuteel deacutefini par

d(x A) = infaisinA

d(x a)

Boule ouverte ndash Deacutefinition

B(a r) = x isin Eaminus x lt r

Boule fermeacutee ndash Deacutefinition

B(a r) = x isin Eaminus x 6 r

Partie ouverte de E

On appelle ouvert de E toute partie X de E veacuterifiant la proprieacuteteacute

forallx isin X existr isin Rlowast+ B(x r) sub X

Partie fermeacutee de E

On appelle fermeacute de E toute partie de E dont le compleacutementaire dansE est un ouvert de E

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2 Analyse 29

Partie borneacutee ndash DeacutefinitionSoit (E middot ) un K-espace vectoriel une partie A de E est dite borneacuteesi et seulement si

existM isin R+ forall(x y) isin A2 d(x y) 6 M

VoisinageSoit a isin E un K-espace vectoriel on dit que V est un voisinage de a siet seulement srsquoil existe r gt 0 tel que B(a r) sub V

Inteacuterieur ndash Frontiegravere ndash AdheacuterenceOn appelle inteacuterieur drsquoune partie A sub E avec E unK-espace vectoriel A=

Ω ouvert de EΩsubA

Ω

On appelle adheacuterence de A (noteacutee A) la partie A =⋂

F fermeacute de EFsupA

F

On appelle frontiegravere de A la partie de A noteacutee partA la partie deacutefinie par

A AValeur drsquoadheacuterence

On dit que a est valeur drsquoadheacuterence de la suite de E (un)nisinN si et seule-ment srsquoil existe une suite extraite de (un)nisinN telle que uσ(n) minusminusminusminusrarrararr+infin

a

Caracteacuterisation de la continuiteacute pour une application lineacuteaireSoit f isin L(E F) ougrave E et F sont deux K-espaces vectoriels alors lesdeux propositions suivantes sont eacutequivalentes (1) f est continue(2) existM isin R+ forallx isin E f (x)F 6 MxE

Partie compacteOn dit que X sub E E eacutetant un K-espace vectoriel est une partie com-pacte de E si et seulement toute suite drsquoeacuteleacutements de X admet au moinsune valeur drsquoadheacuterence dans X

Partie compacte en dimension finieLes parties compactes drsquoun K-espace vectoriel de dimension finie sontles parties fermeacutees borneacutees

Normes en dimension finieToutes les normes sur un K-espace vectoriel de dimension finie sonteacutequivalentes

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 30

30 [1] Matheacutematiques

Applications lineacuteaires en dimension finieSoient E et F deux K-espaces vectoriels normeacutes si E est de dimensionfinie alors toute application lineacuteaire Erarr F est continue

Suites de CauchyOn appelle suite de Cauchy dans un K-espace vectoriel normeacute toutesuite veacuterifiant

forallε gt 0 existN isin N forall(p q) isin NtimesNlowast p gt N =rArr up minus up+q 6 ε

Toute suite convergente dans un K-espace vectoriel normeacute est de Cau-chy

Partie complegravete ndash DeacutefinitionUne partie A drsquoun K-espace vectoriel normeacute est dite complegravete si etseulement si toute suite de Cauchy drsquoeacuteleacutements de A converge dans A

Partie complegravete ndash ProprieacuteteacutesToute partie X drsquoun K-espace vectoriel normeacute complet veacuterifie

X fermeacuteelArrrArr X complegraveteToute partie compacte drsquoun K-espace vectoriel normeacute est complegravete

Connexiteacute par arcsUne partie A drsquoun K-espace vectoriel normeacute de dimension finie est diteconnexe par arcs si et seulement si forall(x y) isin A2 existγ isin C0([a b] E) telque

γ(a) = x γ(b) = yforallt isin [a b]γ(t) isin A

Espace preacutehilbertien ndash Espace euclidienOn appelle espace preacutehilbertien tout couple (Eϕ) ougrave E est un K-espace vectoriel et ϕ un produit scalaire sur EOn appelle espace euclidien tout espace preacutehilbertien de dimensionfinie

Theacuteoregraveme de PythagorePour toute famille orthogonale finie (xi)iisinI drsquoun espace preacutehilbertien(E (middot|middot)) on a ∥∥∥∥∥sum

iisinIxi

∥∥∥∥∥

2

= sumiisinIxi2

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 31

2 Analyse 31

22 Nombres reacuteels

Preacutesentation

(R+ middot) est un corps commutatif

6 est une relation drsquoordre total dans R

forall(a b c) isin R3

a 6 b =rArr a + c 6 b + ca 6 b0 6 c

=rArr ac 6 bc

Toute partie non vide majoreacutee de R admet une borne supeacuterieure dansR

Distance usuelle dans R

d RtimesRrarr R(x y) 7rarr |xminus y|

Le nombre reacuteel d(x y) est la dis-tance usuelle dans R

R corps archimeacutedien

forallε isin Rlowast+ forallA isin Rlowast+ existn isin Nlowast nε gt A

Partie entiegravere ndash Deacutefinition

forallx isin R

E(x) 6 x 6 E(x) + 1

x isin RE(x) partie entiegravere de xE(x) est lrsquounique entier relatif veacute-rifiant la proprieacuteteacute ci-contre

Densiteacute

forall(x y) isin R2

(x lt y =rArr (existd isin D x lt d lt y))

D sub RCette partie D est dite dense dansR si et seulement si elle veacuterifie laproprieacuteteacute ci-contreTheacuteoregraveme Q est dense dans Rc copy

Duno

dL

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ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 32

32 [1] Matheacutematiques

23 Nombres complexes

Forme carteacutesienne Forme polaire drsquoun nombre complexe

z = a + ib

z = ρeiθ

z nombre complexe (z isin C)a partie reacuteelle de z (a isin R) on lanote aussi Re(z)b partie imaginaire de z (b isin R)on la note aussi Im(z)ρ module de z (ρ isin R+)θ argument de z (θ isin R)

Nombre complexe conjugueacute ndash Deacutefinition

z = a + ib

z = aminus ib

z isin C nombre complexez isin C nombre complexe conju-gueacute de za partie reacuteelle de z et de zb partie imaginaire de z

Nombre complexe conjugueacute ndash Proprieacuteteacutes

z + z = 2Re(z)

zminus z = 2i Im(z)

z nombre complexez nombre complexe conjugueacute dez

z = z si z est reacuteel

z = minusz si z est imaginaire pur

Module drsquoun nombre complexe

|z|2 = z middot z |z| module de z

Module drsquoun produit ndash Module drsquoun quotient

|zzprime| = |z| middot |zprime|

zprime 6= 0∣∣∣z

zprime∣∣∣ =|z||zprime|

z isin C nombre complexezprime isin C nombre complexe

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 33

2 Analyse 33

Ineacutegaliteacute triangulaire

|z + zprime| 6 |z|+ |zprime| z isin C nombre complexezprime isin C nombre complexe

Condition de cocycliciteacute ou drsquoalignement de quatre points

z4 minus z1z3 minus z1

z4 minus z2z3 minus z2

isin R

Mi point du plan drsquoaffixe zizi isin CLes points M1 M2 M3 et M4 sontcocyliques ou aligneacutes si et seule-ment si leurs affixes veacuterifient laproprieacuteteacute ci-contre

Formule de Moivre

(cos θ+ i sin θ)n = cos nθ+ i sin nθ θ isin Rn isin Z

Formule drsquoEuler

cos x =eix + eminusix

2

sin x =eix minus eminusix

2i

x isin R

Racines niegravemes drsquoun complexe

zk = nradicr(ei

ϕ+2kπn

)

Les zk sont les solutions de lrsquoeacutequa-tion zn = reiϕ(k n) isin N2 avec 0 6 k 6 nminus 1z isin Cr isin R+En particulier les racines niegravemes

de lrsquouniteacute zk = ei2kπn

Groupe des racines niegravemes de lrsquouniteacuteU = z isin C |z| = 1 est un groupe pour la multiplication

c copyDuno

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 34

34 [1] Matheacutematiques

24 Suites

Convergence ndash DeacutefinitionOn dit qursquoune suite numeacuterique (un)nisinN converge vers une limite l isin Ksi et seulement si

forallε gt 0 existN isin N foralln gt N isin N n =rArr |un minus l| 6 ε

On dit qursquoune suite numeacuterique (un)nisinN converge si et seulement si existl isin K forallε gt 0 existN isin N foralln isin N n gt N =rArr |un minus l| 6 ε

Suite borneacuteeUne suite complexe (un)nisinN est dite borneacutee si et seulement si

existM isin R+ foralln isin N |un| 6 M

Theacuteoregraveme drsquoencadrementSoient (un)nisinN (vn)nisinN (wn)nisinN trois suites reacuteelles telles que

existN isin N foralln isin N n gt N =rArr un 6 vn 6 wn

(un)n et (wn)n convergent vers une mecircme limite lAlors (vn)n converge aussi vers l

Suite arithmeacutetique

un = unminus1 + r

Sn =(u1 + un)n

2

un ne terme de la suiter raisonu1 premier terme de la suiteSn somme des n premiers termesde la suite un

Suite geacuteomeacutetrique

un = q middot unminus1

Sn =u1(q

n minus 1)qminus 1

q 6= 1

un ne terme de la suiteq raison de la suiteu1 premier terme de la suiteSn somme des n premiers termesde la suite un

Suites reacuteelles monotonesOn dit que (un)nisinN est croissante si et seulement si

foralln isin N un 6 un+1On dit que (un)nisinN est deacutecroissante si et seulement si

foralln isin N un gt un+1On dit que (un)nisinN est strictement croissante si et seulement si

foralln isin N un lt un+1On dit que (un)nisinN est strictement deacutecroissante si et seulement si

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 35

2 Analyse 35

foralln isin N un gt un+1On dit que (un)nisinN est (strictement) monotone si et seulement si(un)nisinN est (strictement) croissante ou (strictement) deacutecroissanteToute suite reacuteelle croissante (respectivement deacutecroissante) et majoreacutee(respectivement minoreacutee) est convergente

Suites adjacentes

(un)nisinN est croissante(vn)nisinN est deacutecroissante(vn minus un) minusminusminusminusrarr

nrarr+infin

0

Si deux suites reacuteelles veacuterifient lesproprieacuteteacutes ci-contre ces suites sontdites adjacentesSi deux suites sont adjacenteselles convergent vers la mecircme li-mite

Suites extraitesOn appelle suite extraite de (un)nisinN toute suite (uσ(n))nisinN ougrave σ NrarrN est une application strictement croissanteSi une suite (un)nisinN converge vers l isin K alors toute suite extraite de(un)nisinN converge aussi vers l

Valeur drsquoadheacuterenceOn dira que a est une valeur drsquoadheacuterence drsquoune suite (un)nisinN si etseulement srsquoil existe une suite extraite telle que uσ(n) minusminusminusminusrarrnrarr+infin

a

Theacuteoregraveme de Bolzano-WeiertrassDe toute suite borneacutee de R on peut extraire une suite convergente

25 Fonctions reacuteelles de la variable reacuteelle

PariteacuteSoit X sub R veacuterifiant x isin X =rArr minusx isin X

forallx isin X f (minusx) = f (x)Une fonction f est paire si et seule-ment si elle veacuterifie la relation ci-contre

forallx isin X f (minusx) = minus f (x)Une fonction f est impaire si etseulement si elle veacuterifie la relationci-contre

PeacuteriodiciteacuteSoit f X rarr K avec X sub R on dit que f est T-peacuteriodique si et seule-ment si elle veacuterifie

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 36

36 [1] Matheacutematiques

forallx isin X

x + T isin Xf (x + T) = f (x)

Application en escalierOn dit qursquoune fonction f [a b] rarr R est en escalier si et seulementsrsquoil existe une famille (ai)iisin[0n] telle que (a0 an) isin [a b]n+1 avecn isin Nlowast et une famille (λ0 λnminus1) isin Rn tels que

a = a0 lt a1 lt middot middot middot lt anminus1 lt an = bforalli isin 0 nminus 1 forallx isin]ai ai+1[ f (x) = λi

Application majoreacutee ndash minoreacutee ndash borneacuteeUne fonction f X rarr R est dite ndashmajoreacutee si et seulement srsquoil existe A isin R tel que forallx isin X f (x) 6 Andashminoreacutee si et seulement srsquoil existe B isin R tel que forallx isin X f (x) gt Bndash borneacutee si et seulement srsquoil existe (A B) isin R2 tel que forallx isin XB 6 f (x) 6 A

LimitesSoit f I rarr R une applicationOn dit que f admet une limite l en a isin I si et seulement si

forallε gt 0 existη gt 0 forallx isin I |xminus a| 6 η =rArr | f (x)minus l| 6 ε

On dit que f admet une limite l en +infin si et seulement si forallε gt 0 existA isin R forallx isin I x gt A =rArr | f (x)minus l| 6 ε

On dit que f admet comme limite +infin en a isin I si et seulement si forallA gt 0 existη gt 0 forallx isin I |xminus a| 6 η =rArr f (x) gt A

On dit que f admet comme limite +infin en +infin si et seulement si forallA gt 0 existB gt 0 forallx isin I x gt B =rArr f (x) gt A

On dit que f admet comme limite minusinfin en minusinfin si et seulement si forallA lt 0 existB lt 0 forallx isin I x 6 B =rArr f (x) 6 A

Continuiteacutesoit f I rarr K a isin I on dit que cette fonction est continue en a si etseulement si

forallε gt 0 existη gt 0 forallx isin I |xminus a| 6 η =rArr | f (x)minus f (a)| 6 ε

DiscontinuiteacuteSoit f I rarr K on dit que ndash f est discontinue en a si et seulement si elle nrsquoest pas continue en andash f admet une discontinuiteacute de premiegravere espegravece en a si et seulementsi f nrsquoest pas continue en a mais admet une limite finie agrave droite et unelimite finie agrave gauche en a

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 37

2 Analyse 37

Si f nrsquoest pas continue et ne preacutesente pas de continuiteacute de premiegravereespegravece en a on dit que f admet une discontinuiteacute de seconde espegraveceen a

Composition et continuiteacute

Soient f I rarr R et g J rarr K ougrave I et J sont deux intervalles de R telsque f (I) sub J si f et g sont respectivement continues en a et f (a) alorsg f est continue en a

Continuiteacute sur un segment

Soient (a b) isin R2 tel que a 6 b et une fonction f [a b] rarr R Si f estcontinue alors f est borneacutee et atteint ses bornes

Continuiteacute uniforme

Soit f I rarr K on dit que cette fonction est uniformeacutement continuesur I si et seulement si

forallε gt 0 existη gt 0 forall(x1 x2) isin I2 |x1 minus x2| 6 η =rArr | f (x1)minus f (x2)| 6 ε

Lrsquouniforme continuiteacute implique la continuiteacute

Theacuteoregraveme de Heine

Soient (a b) isin R2 tels que a 6 b et une fonction f [a b]rarr R Si f estcontinue sur [a b] alors f est uniformeacutement continue sur [a b]

Applications lipschitziennes

Soient f I rarr R et k isin Rlowast+ on dit que la fonction f est k-lipschitzienne si et seulement si

forall(x1 x2) isin I2 | f (x1)minus f (x2)| 6 k|x1 minus x2|Si k isin [0 1[ lrsquoapplication f est dite contractanteUne application lipschitzienne est uniformeacutement continue

c copyDuno

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 38

38 [1] Matheacutematiques

Fonctions trigonomeacutetriques circulaires reacuteciproques

Arcsin [minus1 1]rarr[minusπ

2

]

forallx isin]minus 1 1[

Arcsinprime(x) =1radic

1minus x2

Arccos [minus1 1]rarr [0π]forallx isin]minus 1 1[

Arccosprime(x) =minus1radic1minus x2

Arctan Rrarr]minusπ

2

[

forallx isin R

Arctanprime(x) =1

1 + x2

-1 1

p

2p

2p

Arcsin

Arccos

Arctan

Fonctions hyperboliques

chprime x = sh x shprime x = ch x

thprime x =1

ch2 x= 1minus th2 x

26 Deacuterivation

Deacuteriveacutee en un pointSoient un point a isin I ougrave I est un intervalle et une fonction f I rarr K

On dit que f est deacuterivable en a si et seulement si limhrarr0

f (a + h)minus f (a)

hexiste et est finie Dans ce cas cette limite est appeleacutee deacuteriveacutee de f en aet est noteacutee f prime(a)

Deacuterivation et continuiteacuteSoient un point a isin I et une fonction f I rarr K si f est deacuterivable en aalors f est continue en a

Proprieacuteteacutes des deacuteriveacuteesSoient f et g deux fonctions de I dans K deacuterivables en a alors ( f + g)prime(a) = f prime(a) + gprime(a)

(λ f )prime(a) = λ f prime(a)

( f g)prime(a) = f prime(a)g(a) + f (a)gprime(a)

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 39

2 Analyse 39

g(a) 6= 0(1g

)prime(a) = minus gprime(a)

g2(a)

g(a) 6= 0(

f

g

)prime(a) =

f prime(a)g(a)minus f (a)gprime(a)g2(a)

(g f )prime(a) = gprime( f (a)) f prime(a)

Deacuterivabiliteacute drsquoune fonction sur un intervalle

f I rarr K ougrave I est un intervalle est dite deacuterivable sur un intervalleJ sub I si et seulement si foralla isin J f est deacuterivable en a

Formule de Leibniz

f I rarr K et g I rarr E on suppose que λ et f sont deacuterivables sur I

Alors f middot g est n fois deacuterivable sur I et ( f middot g)(n) =n

sumk=0

Ckn f

(k) middot g(nminusk)

Classe drsquoune fonction

Soient f I rarr K et k isin N on dit que f est de classe Ck sur I si etseulement si f est k fois deacuterivable sur I et f (k) est continue sur ISoient f [a b] rarr K avec a 6 b et k isin N on dit que f est de classe Ckpar morceaux sur [a b] si et seulement si ndash il existe une famille (a0 ap) isin Rp+1 telle que a = a0 lt a1 lt middot middot middot lt apminus1 lt ap = b

ndash Chaque restriction de f sur ]ai ai+1[ admet un prolongement declasse Ck sur [ai ai+1] foralli isin [0 pminus 1]

Theacuteoregraveme de Rollef [a b] rarr R continue sur [a b] et deacuterivable sur ]a b[ f (a) = f (b) alors il existe c isin]a b[ tel que

f prime(c) = 0

Theacuteoregraveme des accroissements finis

f [a b] rarr R avec (a b) isin R2 et a lt b continue sur [a b] et deacuterivablesur ]a b[ Il existe c isin]a b[

f (b)minus f (a) = (bminus a) f prime(c)c copyDuno

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 40

40 [1] Matheacutematiques

Ineacutegaliteacute de Taylor-Lagrangef [a b]rarr (E ) et f de classe Cn sur [a b] (n+ 1) fois deacuterivable sur]a b[ et telle que forallt isin]a b[ f (n+1)(t) 6 M alors

∥∥∥∥∥ f (b)minusn

sumk=0

f (k)(a)

k(bminus a)k

∥∥∥∥∥ 6 M(bminus a)n+1

(n + 1)

Reste inteacutegral

f [a b]rarr (E ) de classe Cn+1 sur [a b] alors

f (b) =n

sumk=0

f (k)(a)

k(bminus a)k +

1n

int b

a(bminus t)n f (n+1)(t) dt

︸ ︷︷ ︸Reste de Laplace

Formule de Taylor-Young

f I rarr E I un intervalle de R ougrave f (n)(a) existe

f (x) =n

sumk=0

f (k)(a)

k(xminus a)k + o

xrarra((xminus a)n)

Diffeacuteomorphisme ndash DeacutefinitionSoient f I rarr J avec I J deux intervalles de R n isin Nlowast cup +infin on ditque f est un Ck-diffeacuteomorphisme de I sur J si et seulement si ndash f est de classe Ck sur Indash f est bijectivendash fminus1 est de classe Ck sur J

Convexiteacute ndash DeacutefinitionsSoit f I rarr K on dit que cette fonction est convexe si et seulement si forallθ isin [0 1] forall(x y) isin I2 f (θx + (1minus θ)y) 6 α f (x) + (1minus θ) f (y)

Ineacutegaliteacute de convexiteacute

Si f est convexe soit λ j gt 0 tel quen

sumj=1

λ j = 1 alors

f

(n

sumj=1

λ ja j

)6

n

sumj=1

λ j f (a j)

Fonction convexe ndash Fonction concaveUne fonction f est concave si et seulement si minus f est convexe

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 41

2 Analyse 41

27 Inteacutegration

Lineacuteariteacute de lrsquointeacutegrale

int b

a(λ f + g) = λ

int b

af +

int b

ag

f et g deux fonctions continuespar morceaux

Ineacutegaliteacute de la moyenne

∣∣∣∣int

[ab]f g

∣∣∣∣ 6 Sup[ab] | f |int

[ab]|g|

∣∣∣∣int

[ab]f

∣∣∣∣ 6 (bminus a) Sup[ab] | f |

f g deux fonctions continues parmorceaux sur [a b][a b] intervalle de R

Ineacutegaliteacute de Cauchy-Schwarz

(int b

af g

)2

6

(int b

af 2)(int b

ag2)

f g deux applications continuespar morceaux [a b]rarr R on a lrsquoin-eacutegaliteacute ci-contreSi exist(λmicro) isin R2(0 0) tel que λ f + microg = 0 il y a eacutegaliteacute

Sommes de Riemann

Sn =bminus a

n

nminus1sumk=0

f

(a + k

bminus a

n

)

limnrarr+infin

Sn =int b

af

f [a b] rarr E une fonction conti-nue

Inteacutegration par parties

int b

auvprime = [uv]ba minus

int b

auprimev

u v [a b] rarr E fonctions conti-nues C1 par morceaux sur [a b]c copy

Duno

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 42

42 [1] Matheacutematiques

Inteacutegrabiliteacute ndash Deacutefinition

int

Jf 6 M

f [a b] rarr R fonction positivecontinue par morceauxf est dite inteacutegrable sur [a b] si etseulement srsquoil existe un M isin R+pour tout segment J inclus dans[a b] veacuterifiant lrsquoineacutegaliteacute ci-contre

Inteacutegrabiliteacute sur un segmentSoit f une fonction positive continue par morceaux de I dans R Lesproprieacuteteacutes suivantes sont deux agrave deux eacutequivalentes (i) f est inteacutegrable sur I(ii) Il existe M isin R+ tel que pour toute suite croissante de segments

(Jn)nisinNlowast dont la reacuteunion est eacutegale agrave I foralln isin Nlowastint

Jnf 6 M

Theacuteoregraveme de domination

0 6 f 6 g (1)

0 6

int

If 6

int

Ig (2)

Soient f et g deux fonctions conti-nues par morceaux de I dans R veacute-rifiant (1) et si g inteacutegrable alors fest inteacutegrable sur I et on a lrsquoineacutega-liteacute (2)

Exemple de Riemann

Fonctions de Riemann

f (x) =1xα

Une fonction de Riemann est inteacute-grable sur [1+infin[ si et seulementsi α gt 1Une fonction de Riemann est inteacute-grable sur ]0 1] si et seulement siα lt 1

Theacuteoregraveme drsquoeacutequivalence

Soient (a b) isin Rtimes R tels que a lt b f et g deux fonctions positivescontinues par morceaux de [a b[ dans R veacuterifiant en b f sim

bg alors f

est inteacutegrable sur [a b[ si et seulement si g lrsquoest

Regravegle xα f (x)

Inteacutegrabiliteacute en +infin ndash Srsquoil existe α isin]1+infin[ veacuterifiant lim

xrarr+infin

xα f (x) = 0 alors f est inteacute-

grable sur [a+infin[ avec a gt 0

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 43

2 Analyse 43

ndash Srsquoil existe α isin] minusinfin 1] veacuterifiant limxrarr+infin

xα f (x) = +infin alors f nrsquoest

pas inteacutegrable sur [a+infin[ avec a gt 0Inteacutegrabiliteacute en 0 ndash Srsquoil existe α isin]minusinfin 1[ veacuterifiant lim

xrarr0xα f (x) = 0 alors f est inteacutegrable

sur ]0 a] avec a gt 0ndash Srsquoil existe α isin [1+infin[ veacuterifiant lim

xrarr0xα f (x) = +infin alors f nrsquoest pas

inteacutegrable sur ]0 a] avec a gt 0

Relation de Chasles

int c

af =

int b

af +

int c

bf

f une fonction continue par mor-ceaux inteacutegrable sur un intervalleI contennant les intervalles ou-verts ]a b[ ]b c[ et ]a c[

(a b c) isin R3

Croissance de lrsquointeacutegration

f 6 g =rArrint

If 6

int

Ig

f g deux fonctions continues etinteacutegrables sur I

Fonctions continues agrave valeurs complexesSoit f I rarr C une fonction continue On dira que f est inteacutegrable surI si et seulement si | f | lrsquoest

Inteacutegrale impropre

(a b) isin Rtimes (Rcup +infin)

int X

af

f fonction continue par morceauxsur [a b[On dit que cette inteacutegrale im-propre converge si et seulement sielle admet une limite finie lorsqueX tend vers b On note alors cette

inteacutegraleint b

af

Inteacutegrale deacutependant drsquoun paramegravetre ndash Deacutefinition

f (x) =int

IF(x t) dt

x paramegravetret variable drsquointeacutegrationI intervalle de R

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 44

44 [1] Matheacutematiques

Continuiteacute drsquoune inteacutegrale agrave paramegravetre

forallx isin A F(x middot) inteacutegrable sur I

f Ararr K est continue sur A

x 7rarrint

IF(x t) dt

F fonction continue sur Atimes I veacute-rifiant lrsquohypothegravese de domination Soient f g I rarr R continues

Si0 6 f 6 gg est inteacutegrable sur I alors

f est inteacutegrable sur I etint

If 6

int

Ig

Sous ces hypothegraveses F veacuterifie lesrelations ci-contre

Deacuterivation drsquoune inteacutegrale agrave paramegravetre

forallx isin A

F(x middot) et partFpartx

(x middot)inteacutegrables sur If

Ararr K est de classe C1 sur Ax 7rarr

int

IF(x t) dt

forallx isin A f prime(x) =intI

partFpartx (x t) dt

F fonction continue sur Atimes I veacute-rifiant une hypothegravese de domina-tion sur Atimes I Soient F g I rarr R continues

Si0 6 F 6 gg est inteacutegrable sur I alors

F est inteacutegrable sur I etint

IF 6

int

Ig

partFpartx

existe et est continue sur Atimes I

partFpartx

veacuterifie une hypothegravese de domi-

nation sur Atimes ISous ces hypothegraveses on a les rela-tions ci-contre

28 Eacutequations diffeacuterentielles

Eacutequations diffeacuterentielles lineacuteaires du premier ordre

αyprime + βy = γ (E)

αβγ I rarr K des applicationscontinuesy est une solution de cette eacutequa-tion sur J sub I si et seulement si yest deacuterivable sur J et si forallx isin J yveacuterifie (E)

Eacutequation reacutesolueUne eacutequation diffeacuterentielle lineacuteaire du premier ordre est dite normali-seacutee ou reacutesolue en yprime si et seulement si α = 1

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 45

2 Analyse 45

Solution drsquoune eacutequation diffeacuterentielle lineacuteaire du premier ordre

S = λeminusA + BeminusA λ isin K

La solution ci-contre est la solutionde lrsquoeacutequation reacutesolue avec α = 1A primitive de β

B primitive de γeA

La solution de (E) est la somme dela solution geacuteneacuterale de lrsquoeacutequationhomogegravene associeacutee agrave (E) et drsquounesolution particuliegravere de (E)

Meacutethode de reacutesolution de E

1 Reacutesolution de lrsquoeacutequation homogegravene associeacutee solution de la formeλy0(x)2 Reacuteinjecter la solution trouveacutee dans lrsquoeacutequation complegravete avec la meacute-thode de variation de la constante qui permet de trouver la fonctionqui veacuterifie lrsquoeacutequation complegravete

Nature de la solutionLrsquoensemble des solutions drsquoune eacutequation diffeacuterentielle lineacuteaire du pre-mier ordre est une droite affine dont la direction est donneacutee par lrsquoen-semble des solutions de lrsquoeacutequation homogegravene

Theacuteoregraveme de Cauchy-LipschitzSoient U un ouvert de Rtimes R f U rarr E une application localementlipschitzienne par rapport agrave sa seconde variable et continue un couple(t0 y0) isin USous ces conditions il existe une unique solution maximale au pro-blegraveme de Cauchy crsquoest-agrave-dire veacuterifiant

yprime = f (t y)y(t0) = y0

(problegraveme de Cauchy)

Et posseacutedant en plus les proprieacuteteacutes suivantes (solution maximale) ndash lrsquointervalle de deacutefinition est un ouvertndash toute solution du problegraveme de Cauchy est une restriction de cettesolution

Eacutequation diffeacuterentielle du second ordre homogegravene

αyprimeprime + βyprime + γy = 0αβγ fonctions continues I rarr Ky fonction de J sub I dans K solu-tion de cette eacutequation

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 46

46 [1] Matheacutematiques

Eacutequation diffeacuterentielle du second ordre agrave coefficients constants

yprimeprime + βyprime + γy = 0

(Ec) r2 + βr + γ

(βγ) isin R2 coefficients delrsquoeacutequation diffeacuterentielle

Soit (Ec) lrsquoeacutequation caracteacuteristiqueassocieacutee agrave lrsquoeacutequation diffeacuterentielleSi cette eacutequation caracteacuteristiqueadmet ndash deux racines distinctes r1 et r2les solutions de lrsquoeacutequation sont dela forme λ1er1x + λ2er2xndash une racine double r les solutionssont de la forme (λx + micro)erxndash deux racines complexes conju-gueacutees r = aplusmn ib les solutions sontde la forme(λ cos bx + micro sin bx)eax

Eacutequation du second ordre avec second membre eγxR(x)

yprimeprime + βyprime + γy = emxP(x)

(βγm) isin K3 coefficientsconstants de lrsquoeacutequation diffeacuteren-tielleP isin K[X]Lrsquoeacutequation diffeacuterentielle admetune solution de la forme emxS(x)avec S isin K[X] ndash deg S = deg P si m nrsquoest pas ra-cine de (Ec)ndash deg S = 1+ deg P si m est racinesimple de (Ec)ndash deg S = 2+ deg P si m est racinedouble de (Ec)

Reacutesolution gracircce aux seacuteries entiegraveresLorsque les coefficients et le second membre de lrsquoeacutequation diffeacuteren-tielle sont constitueacutes par des polynocircmes on peut chercher les solutionssous la forme de seacuteries entiegraveres on obtient ainsi une relation de reacutecur-rence sur les coefficients Une fois ces coefficients calculeacutes le rayon deconvergence deacutetermineacutes et si possible la somme calculeacutee on a unesolution de lrsquoeacutequation diffeacuterentielle

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 47

2 Analyse 47

Systegraveme drsquoeacutequations diffeacuterentielles du premier ordreSoit I un intervalle de R B = (bi)iisin[1n] un vecteur de E etA = (ai j)iisin[1n]

jisin[1n]

I rarr E une application continue On appelle systegraveme

drsquoeacutequations diffeacuterentielles du premier ordre le systegraveme

yprime1(t)

yprimen(t)

=

a11(t) middot middot middot a1n(t)

an1(t) middot middot middot ann(t)

y1(t)

yn(t)

+

b1(t)

bn(t)

Reacutesolution dans le cas ougrave A est diagonalisableDans le cas ougrave A isin Mn(K) si A est diagonalisable le systegraveme homo-gegravene admet une solution du type

Y =n

sumi=1

cieλitVi

λi valeur propre de Aci constante lieacutee aux conditions initialesVi colonne de la matrice de passage de A agrave la matrice diagonale asso-cieacutee

29 Seacuteries

Deacutefinition

SN =N

sumn=0

un

On appelle seacuterie le couple((un) (Sn))SN somme partielle drsquoordre Nun terme geacuteneacuteral de la seacuterie

Condition neacutecessaire de convergenceUne condition neacutecessaire mais non suffisante de convergence drsquouneseacuterie est que lim

nrarr+infin

un = 0 Si le terme geacuteneacuteral de la seacuterie ne tend pas

vers zeacutero la seacuterie est dite grossiegraverement divergente

Changement drsquoindice de deacutepart

Soit sumngt0

un une seacuterie de E et n0 isin N les seacuteries sumngt0

un et sumngtn0

un sont de

mecircme nature

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 48

48 [1] Matheacutematiques

Seacuterie geacuteomeacutetrique

S =+infin

sumn=0

un =1

1minus u0(1)

u0 terme geacuteneacuteral de la suite derang 0un terme geacuteneacuteral de la suiteun = (u0)

n

Une condition neacutecessaire et suf-fisante de convergence drsquoune telleseacuterie est |u0| lt 1 Dans ce cas laseacuterie veacuterifie (1)

Seacuterie agrave termes positifsUne seacuterie agrave termes positifs converge si et seulement sila suite dessommes partielles est majoreacutee

Seacuterie de Riemann

sumngt1

1nα

(1)

Une seacuterie veacuterifiant (1) est dite deRiemann Une telle seacuterie convergesi et seulement si

α gt 1

Valeur remarquable +infin

sumn=1

1n2

=π2

6

Seacuterie de Bertrand

+infin

sumn=2

1nα(ln n)β

On appelle seacuterie de Bertrand la seacute-rie deacutefinie ci-contreCette seacuterie converge si et seule-ment si α gt 1α = 1 et β gt 1

Comparaison de deux seacuteries agrave termes positifs

foralln isin N

0 6 un 6 vn (1)

un terme geacuteneacuteral de la seacuterie Svn terme geacuteneacuteral de la seacuterie SprimeSi (1) est veacuterifieacutee et si Sprime convergealors S convergeRemarque Si S diverge et (1) estveacuterifieacutee la seacuterie Sprime diverge

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 49

2 Analyse 49

Regravegle de drsquoAlembert

Soit une seacuterie de terme geacuteneacuteral un telle que∣∣∣∣un+1

un

∣∣∣∣ minusminusminusminusrarrnrarr+infin

β

ndash Si β lt 1 la seacuterie de terme geacuteneacuteral un converge ndash Si β gt 1 la seacuterie de terme geacuteneacuteral un diverge grossiegraverement ndash Si β = 1 on ne peut rien dire de la nature de la seacuterie

Regravegle de CauchySoit une seacuterie de terme geacuteneacuteral un reacuteel positif telle que n

radicun minusminusminusminusrarr

nrarr+infin

β

ndash Si β lt 1 la seacuterie de terme geacuteneacuteral un converge ndash Si β gt 1 la seacuterie de terme geacuteneacuteral un diverge grossiegraverement ndash Si β = 1 on ne peut rien dire de la nature de la seacuterie

Seacuteries de mecircme natureSoit sum un et sum vn deux seacuteries reacuteelles agrave termes positifs telles que au voi-sinage de +infin vn gt 0 et un sim vn Alors on a eacutegalement un gt 0 au voi-sinage de +infin et les deux seacuteries sont de mecircme nature (elles convergentou divergent en mecircme temps)

Seacuterie alterneacutee

∣∣∣∣∣+infin

sumn=p+1

un

∣∣∣∣∣ 6 |up+1|

Une seacuterie de terme geacuteneacuteral unest dite alterneacutee si et seulementsi la suite (minus1)nun est de signeconstantUne telle seacuterie converge si 1 lim

nrarr+infin

un = 0

2 la suite (|un|)nisinN est deacutecrois-santeSous ces hypothegraveses la seacuterie veacuteri-fie la relation ci-contre

Critegravere de Cauchy

forallε gt 0 existN isin N forall(p q) isin N2

N 6 p lt q =rArr∥∥∥∥∥

q

sumn=p+1

un

∥∥∥∥∥ 6 ε

Le critegravere ci-contre est une condi-tion neacutecessaire et suffisante deconvergence pour une seacuterie dansun espace de Banach (K-espacevectoriel normeacute complet)

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 50

50 [1] Matheacutematiques

Formule de Stirling

n sim(ne

)nradic2πn

n isin NLa formule de Stirling fournit uneacutequivalent simple de n en +infin

Convergence absolue ndash Semi convergenceUne seacuterie est dite absolument convergente si et seulement si la seacuteriede terme geacuteneacuteral |un| convergeUne seacuterie alterneacutee est dite semi-convergente si et seulement la seacuteriede terme geacuteneacuteral un converge alors que celle de terme geacuteneacuteral |un| di-verge

Seacuteries doubles ndash Interversion des sommationsSoit une suite double drsquoeacuteleacutements de K (upq)(pq)isinN2 que lrsquoon supposesommable (crsquoest-agrave-dire existM isin R+forallJ sub N sum

pisinJqisinJ

upq 6 M) alors

1 forallq isin N sumpgt0

upq est convergente et la seacuterie sumqgt0

(+infin

sump=0

upq

)est conver-

gente

2 forallp isin N sumqgt0

upq est convergente et la seacuterie sumpgt0

(+infin

sumq=0

upq

)est

convergente

3 sum(pq)isinN2

upq =+infin

sump=0

(+infin

sumq=0

upq

)=

+infin

sumq=0

(+infin

sump=0

upq

)

Produit de Cauchy

wn =n

sumk=0

uk middot vnminusk (1)

+infin

sumn=0

wn =

(+infin

sumn=0

un

)(+infin

sumn=0

vn

)(2)

On appelle produit de Cauchy desdeux seacuteries de terme geacuteneacuteral un etvn la seacuterie dont le terme geacuteneacuteralveacuterifie (1)Si les deux seacuteries de terme geacuteneacuteralun et vn sont absolument conver-gentes alors la seacuterie wn est elleaussi absolument convergente etveacuterifie (2)

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 51

2 Analyse 51

210 Seacuteries entiegraveres

Seacuterie entiegravere

S(z) =+infin

sumn=0

anzn

S(z) somme de la seacuterie entiegraverean coefficient de la seacuterie entiegraverez variable de la seacuterie entiegravere

Rayon de convergence ndash Deacutefinition

I = r isin R++infin

sumn=0|an|rn converge

La borne supeacuterieure de lrsquointervalleI dans R est appeleacutee rayon deconvergence de la seacuterie sum anz

n onle note R = Sup I

Seacuterie entiegravere somme

Soient deux seacuteries entiegraveres sumngt0

anzn et sum

ngt0bnz

n on appelle seacuterie entiegravere

somme la seacuterie sumngt0

(an + bn)zn

Soit Ra et Rb les deux rayons de convergence respectifs de ces deuxseacuteries on a Ra+b gt min(Ra Rb) (avec eacutegaliteacute si Ra 6= Rb)

Lemme drsquoAbel

Soit r0 gt 0 si la suite (|an|rn0)nisinN est majoreacutee alors forallr isin [0 r0[ la seacuteriesum |an|rn est convergente

Deacuterivation drsquoune seacuterie entiegravere

Sprime(x) =+infin

sumn=0

(n + 1)an+1xn

S seacuterie de terme geacuteneacuteral anxn

Sprime deacuteriveacutee de la seacuterie SLa seacuterie deacuteriveacutee a le mecircme rayonde convergence que la seacuterie agrave deacuteri-ver

Inteacutegration drsquoune seacuterie entiegravere

int x

0

(+infin

sumn=0

anzn

)dz =

+infin

sumn=0

ann + 1

xn+1La seacuterie des inteacutegrales a le mecircmerayon de convergence que la seacuterieinteacutegreacuteec copy

Duno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 52

52 [1] Matheacutematiques

Deacuteveloppement en seacuterie entiegravere drsquoune fonctionUne fonction f Rrarr R est dite deacuteveloppable en seacuterie entiegravere autourdrsquoun point x0 isin R si et srsquoil existe une seacuterie entiegravere sum

ngt0anx

n de rayon de

convergence R gt 0 telle que

forallx isin]x0 minus R x0 + R[ f (x) =+infin

sumn=0

an(xminus x0)n

Le deacuteveloppement en seacuterie entiegravere est unique

Deacuteveloppement en seacuterie entiegravere drsquoune fraction rationnelleUne fraction rationnelle R est deacuteveloppable en seacuterie entiegravere autour de0 si et seulement si 0 nrsquoest pas un pocircle de cette fraction rationnelle Lerayon de convergence du deacuteveloppement en seacuterie entiegravere est alors eacutegalau plus petit module des pocircles complexes de la fraction rationnelle

211 Suites et seacuteries drsquoapplications

Convergence simple ndash Deacutefinition

forallε gt 0 forallx isin D existn0 isin N foralln gt n0

| fn(x)minus f (x)| 6 ε

( fn X rarr E)nisinN suite drsquoapplica-tionsE un K-espace vectoriel normeacutef limite de la suite drsquoapplicationsdans D (domaine de convergence)D domaine de convergence

Convergence uniforme ndash Deacutefinition

forallε gt 0 existn0 isin N forallx isin D foralln gt n0

| fn(x)minus f (x)| 6 ε

( fn X rarr E)nisinN suite drsquoapplica-tionsE un K-espace vectoriel normeacutef limite de la suite drsquoapplicationsdans D (domaine de convergence)

Convergence uniforme et convergence simpleSi ( fn)nisinN converge uniformeacutement vers f sur X il y a eacutegalementconvergence simple de ( fn)nisinN vers f dans ce mecircme domaine

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 53

2 Analyse 53

Proprieacuteteacute de la convergence uniforme

Si les fonctions fn sont continues (respectivement admettent une li-mite en a) alors la limite uniforme (si elle existe) de ces fonctions f estcontinue (respectivement admet une limite en a)

Convergence uniforme et inteacutegration sur un segment

f est continue sur [a b]

(int b

afn

)

nisinN

converge dans E

int b

af = lim

nrarr+infin

int b

afn

( fn X rarr E)nisinN suite drsquoapplica-tions continues convergeant uni-formeacutement vers f sur XE un K-espace vectoriel normeacutef limite de la suite drsquoapplicationsSous ces hypothegraveses f veacuterifie lesproprieacuteteacutes eacutenonceacutees ci-contre

Convergence uniforme et deacuterivation

( fn)nisinN converge uniformeacutementsur tout segment de I vers f

f est de classe C1 sur If prime = g

( fn X rarr E)nisinN suite drsquoapplica-tions C1 convergeant simplementvers f sur X( f primen)nisinN converge uniformeacutementvers une application noteacutee gSous ces hypothegraveses f veacuterifie lesproprieacuteteacutes eacutenonceacutees ci-contre

Soit ( fn X rarr E)nisinN une suite drsquoapplications C1 surX convergeantsimplement vers f sur X

Soit ( f primen)nisinN une suite de fonctions qui converge uniformeacutement surtout segment de X vers une application g

Soit f la limite de la suite drsquoapplications veacuterifiant les hypothegraveses preacute-ceacutedentes Sous ces hypothegraveses on a f de classe C1 sur X et f prime = g

c copyDuno

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 54

54 [1] Matheacutematiques

Theacuteoregraveme de convergence monotone

int

If = SupnisinN

int

Ifn = lim

nrarr+infin

int

Ifn

foralln isin N fn est continue par mor-ceaux et inteacutegrable sur I( fn)nisinN veacuterifie une hypothegravese demonotonie foralln isin N fn 6 fn+1( fn)nisinN converge simplement surI vers une application noteacutee fcontinue par morceaux sur ISous ces hypothegraveses f est inteacute-grable si et seulement si la suite(int

Ifn

)

nisinN

et veacuterifie alors les pro-

prieacuteteacutes ci-contre

Theacuteoregraveme de convergence domineacutee

int

If = lim

nrarr+infin

int

Ifn

foralln isin N fn est continue par mor-ceaux sur I( fn)nisinN converge simplement surI vers une application noteacutee fcontinue par morceaux sur I( fn)nisinN veacuterifie une hypothegravese dedomination foralln isin N | fn| 6

ϕ ougrave ϕ est une fonction conti-nue par morceaux positive et inteacute-grable sur ISous ces hypothegraveses f veacuterifie laproprieacuteteacute ci-contre

Premier theacuteoregraveme de WeierstrassPour toute application continue f [a b] rarr K il existe une suite (Pn [a b] rarr K)nisinN de polynocircmes convergeant uniformeacutement vers f sur[a b]

Deuxiegraveme theacuteoregraveme de WeierstrassPour toute application continue f R rarr K et T-peacuteriodique il existeune suite (Tn [a b]rarr K)nisinN de polynocircmes trigonomeacutetriques conver-geant uniformeacutement vers f sur R

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 55

2 Analyse 55

Seacuteries drsquoapplications convergence simple ndash Deacutefinition

On dit qursquoune seacuterie drsquoapplications converge simplement si etseulement si la suite des sommes partielles (Sn(x))nisinN avec

Sn(x) =n

sumk=0

fk(x) converge simplement

Seacuteries drsquoapplications convergence absolue ndash Deacutefinition

On dit qursquoune seacuterie drsquoapplications converge absolument si etseulement si la suite des sommes partielles (Sn(x))nisinN avec

Sn(x) =n

sumk=0 fk(x) converge absolument

Seacuteries drsquoapplications convergence uniforme ndash Deacutefinition

On dit qursquoune seacuterie drsquoapplications converge uniformeacutement si et seule-ment si la suite des sommes partielles (Sn(x))nisinN avec Sn(x) =n

sumk=0

fk(x) converge uniformeacutement

Seacuteries drsquoapplications convergence normale ndash Deacutefinition

existn0 isin N

sumngtn0

fninfin converge

On dit que sumn

fn converge norma-

lement et seulement si elle veacuterifiela proprieacuteteacute ci-contre

Convergences normale uniforme et simple

La convergence normale entraicircne la convergence uniforme qui elle-mecircme entraicircne la convergence simple

Convergence uniforme ndash Limite et continuiteacute

Si sumngt0

fn converge uniformeacutement sur X et si foralln isin N fn est continue en

a (respectivement admet une limite en a) alors sumngt0

fn est continue en

a (respectivement admet une limite en a)c copyDuno

dL

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toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 56

56 [1] Matheacutematiques

Convergence uniforme et inteacutegration sur un segment

+infin

sumn=0

fn est continue sur [a b]

sumngt0

(int b

afn(x) dx

)converge dans E

int b

a

(+infin

sumn=0

fn(x)

)dx =

+infin

sumn=0

int b

afn(x) dx

( fn)nisinN seacuterie drsquoapplications avecfn continue sur [a b]+infin

sumn=0

fn converge uniformeacutement sur

[a b]Sous ces hypothegraveses la seacuterie defonctions veacuterifie les proprieacuteteacutes ci-contre

Convergence uniforme et deacuterivation

sumngt0

fn converge uniformeacutement

sur tout segment I

+infin

sumn=0

fn est de classe C1 sur I

(+infin

sumn=0

fn

)prime=

+infin

sumn=0

f primen

sumngt0

fn seacuterie drsquoapplications

convergeant simplement sur Ifn I rarr E de classe C1sumngt0

f primen converge uniformeacutement sur

tout segment de ISous ces hypothegraveses fn et f primen veacuteri-fient les proprieacuteteacutes ci-contre

Inteacutegration sur un intervalle quelconque des fonctions

+infin

sumn=0

fn est inteacutegrable sur I

int

I

∣∣∣∣∣+infin

sumn=0

fn

∣∣∣∣∣ 6+infin

sumn=

int

I| fn|

int

I

+infin

sumn=0

fn =+infin

sumn=0

int

Ifn

sumngt0

( fn) seacuterie drsquoapplications

convergeant simplement sur Ifn I rarr E fonction continue parmorceaux sur I

sumngt0

int

I| fn| converge

Sous ces hypothegraveses fn veacuterifie lesproprieacuteteacutes ci-contre

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 57

2 Analyse 57

212 Seacuteries de Fourier

Coefficients de Fourier exponentiels

cn( f ) =12π

int 2π

0f (x)eminusinx dx

cn coefficient de Fourier exponen-tielf fonction 2π-peacuteriodique conti-nue par morceaux agrave valeurs com-plexesn isin Z

Coefficients de Fourier trigonomeacutetriques

an( f ) =1π

int 2π

0f (x) cos(nx) dx

bn( f ) =1π

int 2π

0f (x) sin(nx) dx

an coefficient de Fourier trigono-meacutetrique en cosinusbn coefficient de Fourier trigono-meacutetrique en sinusf fonction dont on souhaite obte-nir les coefficients de FourierLorsque la fonction f est paire(respectivement impaire) les co-efficients bn (respectivements an)sont nuls

Theacuteoregraveme de Dirichlet

Si f est de classe C1 par morceaux et 2π-peacuteriodique pour tout reacuteel xon a lrsquoeacutegaliteacute suivante

S(x) =+infin

sumn=minusinfin

cneinx =a02

++infin

sumn=1

an cos nx ++infin

sumn=1

bn sin nx

S(x) =12

(f (xminus) + f (x+)

)

Dans ce cas il y a convergence simple de la seacuterie vers S(x)

Eacutegaliteacute de ParsevalSi f est continue par morceaux on a lrsquoeacutegaliteacute suivante

12π

int 2π

0| f (x)|2 dx =

|a0|24

++infin

sumn=1

|an|2 + |bn|22

=+infin

sumn=minusinfin

|cn|2

Convergence normale

Si f est continue et de classe C1 par morceaux sur R la seacuterie de Fourierde f est normalement convergente sur R et a pour somme f

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ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 58

58 [1] Matheacutematiques

213 Fonctions de plusieurs variables

Deacuteriveacutee partielle

D j f (a) =part fpartx j

(a) = limtrarr0t 6=0

f (a1 a j + t an)minus f (a1 an)

t

f une fonction de plusieurs variablesOn deacutefinit ci-dessus la deacuteriveacutee partielle par rapport agrave la variable x j (saje variable) de la fonction f en un point a = (a1 an)

Deacuteriveacutee selon un vecteurOn dit que f admet une deacuteriveacutee en a selon un vecteur v que lrsquoon notedv f (a) si et seulement si la limite suivante existe

limtrarr0

1t

( f (a + tv)minus f (a))

Si elle existe cette limite est dv f (a)

Theacuteoregraveme fondamental

Soit U un ouvert de Rp si f U rarr Rn est de classe C1 sur Rp alorsf admet en tout point a de Rp une deacuteriveacutee selon tout vecteur h et

Dh f (a) =p

sumj=1

h jD j f (a)

Gradient

grad f =

(part fpartx

(x y)part fparty

(x y))

f U rarr R fonction de classe C1sur UU ouvert de R2

grad f gradient de fAlors Dv f (a) = (grad f (a)) middot v

Diffeacuterentielle drsquoune fonction de deux variables

d f =part fpartx

dx +part fparty

dyf U rarr R fonction de classe C1sur UU ouvert de R2

Applications de classe CkOn dit que f est de classe Ck avec k isin Nlowast sur U si et seulement si fadmet des deacuteriveacutees partielles successives sur U jusqursquoagrave lrsquoordre k et cequel que soit lrsquoordre de deacuterivation et chacune de ces deacuteriveacutees partiellesest continue sur U

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 59

3 Geacuteomeacutetrie 59

Theacuteoregraveme de Schwarz

part2 fpartx jpartxi

=part2 f

partxipartx jf fonction C2 sur Rp

Point critique

Soit U un ouvert de R2 a isin U et f U rarr R une fonction de classe CnOn dira que a est un point critique pour f si et seulement si toutes lesdeacuteriveacutees partielles de f existent et srsquoannulent en a

Extremum local

On dira que f U rarr R2 admet un extremum local sur X sub U en unpoint a isin X si et seulement si forallx isin X f (x) 6 f (a) ( f admettant alorsun maximum en a) ou forallx isin X f (x) gt f (a) ( f admettant alors unminimum en a)

Theacuteoregraveme des fonctions implicites

Soient x = (x1 x2) isin U ougrave U est un ouvert de R2 f U rarr R une

fonction de classe Ck sur U telle que f (x) = 0 etpart fpartx2

(x) 6= 0 alors il

existe deux intervalles ouverts J et K respectivement centreacutes en x1 et x2tels qursquoil existe une unique fonction de classe C1 ϕ J rarr K telle que

forall(x y) isin J times K ( f (x y) = 0lArrrArr y = ϕ(x))

3 Geacuteomeacutetrie

31 Courbes du plan

Point reacutegulier ndash Point bireacutegulier

Un point M(t) est dit reacutegulier si et seulement srsquoil veacuterifie f prime(t) 6= 0 ilest dit bireacutegulier si et seulement si la famille ( f prime(t) f primeprime(t)) est libre

c copyDuno

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apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 60

60 [1] Matheacutematiques

Tangente ndash Deacutefinition

M0PM0PM0P = λfffprime(t0)

Si fprimefprimefprime(t0) 6= 0 la tangente en unpoint M de coordonneacutees t0 estlrsquoensemble des points P veacuterifiant laproprieacuteteacute ci-contre avec λ isin RSi cette limite nrsquoexiste qursquoent+0 (respectivement en tminus0 ) ondira que la courbe admet unedemi-tangente en M(t+0 ) (res-pectivement en M(tminus0 )) Si leslimites en t+0 ) et en tminus0 sont dif-feacuterentes la courbe admet deuxdemi-tangentes en M

Position drsquoun arc par rapport agrave la tangente

Dans les figures ci-dessous f (p)(t0) et f (q)(t0) repreacutesentent les deuxpremiers vecteurs deacuteriveacutes non nuls

f (t)(p)

f (t)(q)

M(t) f (t)(p)

f (t)(q)

M(t)

p impair q pair allure geacuteneacuterale p impair q impair point drsquoin-flexion

f (t)(p)

f (t)(q)

M(t)

f (t)(p)

f (t)(q)

M(t)

p pair q pair point de rebrousse-ment de seconde espegravece

p pair q impair point de rebrous-sement de premiegravere espegravece

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 61

3 Geacuteomeacutetrie 61

Branche infinie ndash DeacutefinitionOn dit que la courbe Γ admet une branche infinie en t0 si et seulementsi lim

trarrt0 f (t) = +infin

Direction asymtotique ndash AsymptoteSi la branche infinie forme un angle θ0 par rapport agrave lrsquoaxe des abscissespour savoir srsquoil srsquoagit drsquoune asymptote ou drsquoune direction asympto-tique on eacutetudie la limite

Y = limθrarrθ0

ρ sin(θminus θ0)

Si cette limite vaut +infin il srsquoagit drsquoune direction asymptotique si lalimite vaut 0 il srsquoagit drsquoune asymptote si la limite vaut b avec b isin Rla droite drsquoeacutequation y = θ0x + b est asymptote agrave la courbe

x

O

y

Branche paraboliqueO dira que la courbe Γ admet une branche parabolique quand t tendvers t0 si cette mecircme courbe admet une direction asymptotique quandt tend vers t0 mais pas drsquoasymptote

SymeacutetriesSoit ϕ t 7rarr ϕ(t) une fonction de changement de parameacutetrage Ondonne ci-dessous les symeacutetries classiques qui permettent de limiterlrsquointervalle drsquoeacutetude de la courbe

x(ϕ(t) = x(t)y(ϕ(t) = y(t)

Identiteacute

c copyDuno

dL

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ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 62

62 [1] Matheacutematiques

x(ϕ(t) = minusx(t)y(ϕ(t) = minusy(t) Symeacutetrie par rapport agrave lrsquoorigine

x(ϕ(t) = y(t)y(ϕ(t) = x(t)

Symeacutetrie par rapport agrave la premiegraverebissectrice

x(ϕ(t) = minusx(t)y(ϕ(t) = y(t)

Symeacutetrie par rapport agrave lrsquoaxe desordonneacutees

x(ϕ(t) = x(t)y(ϕ(t) = minusy(t)

Symeacutetrie par raport agrave lrsquoaxe desabscisses

Coordonneacutees polaires

ρ =radic

x2 + y2

x = ρ cos θ

y = ρ sin θ

Mr

ur

uq

q

xxM

yM

y

O

Eacutequations en coordonneacutees polairesLa droite

ρ =1

λ cos θ + micro sin θ

(λmicro) isin R2

Cette eacutequation repreacutesente ladroite drsquoeacutequation carteacutesienneλx + microyminus 1 = 0

Le cercle

ρ = λ cos θ + micro sin θ

(λmicro) isin R2

Cette eacutequation repreacutesente le cerclecentreacute enO drsquoeacutequation carteacutesiennex2 + y2 minus λxminus microy = 0

Conique dont le foyer est agrave lrsquoori-gine

ρ =p

1 + e cos(θminusϕ)

p paramegravetre de la coniquee excentriciteacute de la coniqueθ angle polaireϕ phase

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 63

3 Geacuteomeacutetrie 63

Branches infinies ndash DeacutefinitionsSi lim

θrarrplusmninfin

ρ = 0 on dit que O est un point-asymptote de la courbe

Si limθrarrplusmninfin

ρ = a on dit que le cercle de centre O et de rayon |a| est uncercle-asymptote agrave la courbeSi lim

θrarrplusmninfin

ρ = plusmninfin on dit que la courbe admet une branche-spirale

Si la branche infinie forme un angle θ0 par rapport agrave lrsquoaxe des abscissespour savoir srsquoil srsquoagit drsquoune asymptote ou drsquoune direction asympto-tique on eacutetudie la limite

Y = limθrarrθ0

ρ sin(θminus θ0)

Si cette limite vaut +infin il srsquoagit drsquoune direction asymptotique si lalimite vaut 0 il srsquoagit drsquoune asymptote si la limite vaut b avec b isin Rla droite drsquoeacutequation y = θ0x + b est asymptote agrave la courbe

Symeacutetries

Soit T la peacuteriode de ρ (crsquoest-agrave-dire ρ(θ + T) = ρ(θ)) Srsquoil existe Tprime telque ρ(θ + Tprime) = minusρ(θ) Tprime est appeleacute antipeacuteriode de ρ

ρ(minusθ) = ρ(θ)

Symeacutetrie par rapport agrave lrsquoaxe desabscisses On fait varier θ dans[0+infin[ avant drsquoeffectuer la symeacute-trie

ρ(αminus θ) = ρ(α)

On fait varier θ dans[α

2+infin

[

puis on effectue la symeacutetrie parrapport agrave la droite passant par Oet drsquoangle polaire α2

ρ(minusθ) = minusρ(θ)

Symeacutetrie par rapport agrave lrsquoaxe desordonneacutees On fait varier θ dans[0+infin[ avant drsquoeffectuer la symeacute-trie

ρ(αminus θ) = minusρ(α)

On fait varier θ dans[α

2+infin

[

puis on effectue la symeacutetrie parrapport agrave la droite passant par O

et drsquoangle polaireα

2+

π

2

c copyDuno

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 64

64 [1] Matheacutematiques

32 Proprieacuteteacutes meacutetriques des courbes

Abscisse curviligne

forallt isin I s(t) =int t

t0 f prime(u) du

f t 7rarr M(t)s t 7rarr s(t)

Longueur drsquoun arc

l(AB) =int b

a f prime(t) dt l(AB) longueur de lrsquoarc AB

Rayon de courbure ndash Courbure

R =dsdα

γ =1R

R rayon de courbures abscisse curviligneα = (iii TTT) ougrave TTT est le vecteur tan-gentγ courbure au point M(t)

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 65

Chapitre 2Physique

0 Eacuteleacutements de matheacutematiques

01 Diffeacuterentielles

Deacuteveloppements limiteacutes

Soit f x 7rarr f (x) alors f (x + δx) = f (x) + δx f prime(x) +(δx)2

2f primeprime(x) +

middot middot middotDiffeacuterentielle drsquoune fonction de plusieurs variables

Soit f une fonction des variables x et y alors

d f =

(part fpartx

)

y

dx +

(part fparty

)

x

dy

On peut eacutetendre cette deacutefinition de d f pour une fonction de n va-riablesOn a par deacutefinition du gradient

d f = (grad f ) middot dMMMc copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 66

66 [2] Physique

Theacuteoregraveme de Schwarz

part2 f (x y)partxparty

=part2 f (x y)

partypartx

(les deacuteriveacutees croiseacutees drsquoune fonction C2 sont eacutegales)

02 Eacutequations diffeacuterentielles

Eacutequation de relaxation

yprime(t) +y(t)

τ= γ (ougrave γ est

une constante) Sa solution esty(t) = γτ + (y(0)minus γτeminustτ

y t( )

t

Eacutequation de lrsquooscillateur harmonique

yprimeprime(t) + ω20y(t) = 0 Sa solution est

y(t) = λ cos(ω0t) + micro sin(ω0t) ouy(t) = δ cos(ω0t + ϕ)

y t( )

t

Eacutequation drsquoun systegraveme explosif

yprimeprime(t) minus ω20y(t) = 0 Sa solution est

y(t) = λ ch(ω0t) + micro sh(ω0t)

y t( )

t

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 67

0 Eacuteleacutements de matheacutematiques 67

Eacutequation de diffusionpartypartt

= D∆y Les solutions deacutependent des conditions aux limites et des

conditions initiales On la reacutesoud geacuteneacuteralement en reacutegime permanentougrave la solution est sinusoiumldale

Eacutequation de preacutecession

partuuupartt

= ωωω and uuu uuu est en rotation autour duvecteurωωω

wu

Eacutequation du second ordre

ayprimeprime(t) + byprime(t) + cy(t) = g(t)

Le discriminant de son eacutequation caracteacuteristique ((Ec) ar2 + br + c = 0)est ∆ = b2 minus 4ac Soient r1 et r2 les deux racines de cette eacutequation ca-racteacuteristiqueDans un premier temps inteacuteressons nous au cas ougrave g(t) = γ uneconstante

Si ∆ gt 0 les deux racines r1 et r2 sontreacuteelles la solution est du type apeacuteriodique

y(t) = λer1t + microer2 t +γ

c

y t( )

tSi ∆ lt 0 les deux racines de lrsquoeacutequationcaracteacuteristique sont complexes conjugueacuteesla solution est alors pseudo-peacuteriodique

y(t) = (λ cos(βt) + micro sin(βt))eαt +γ

cavec α et β respectivement partie reacuteelle etpartie imaginaire de r1

y t( )

t

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 68

68 [2] Physique

Si ∆ = 0 le reacutegime est critique lrsquoeacutequationcaracteacuteristique admet une racine double

La solution est y(t) = (λt + micro)er1t +γ

c

y t( )

tSi g(t) est une excitation sinusoiumldale on reacutesout en complexes en posanty(t) = Ye jωt pour obtenir une solution particuliegravere

03 Coniques

Eacutequation polaire drsquoune conique avec origine au foyer

r(θ) =p

1 + e cos θ

r distance du point courant agravelrsquoorigineθ angle polairep paramegravetree excentriciteacute

Nature de la conique

ndash une ellipse si 0 lt e =a

blt 1 ab

O

ndash une parabole si e = 1

ndash une hyperbole si e gt 1

Aire drsquoune ellipse

S = πabS surface de la coniquea demi grand axeb demi petit axe

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 69

1 Eacutelectronique 69

1 Eacutelectronique

11 Lois geacuteneacuterales

Loi de Pouillet

i =E

sumk

Rk

i intensiteacute du courant dans lecircuitE tension deacutelivreacutee par le geacuteneacute-rateurRk reacutesistance k du circuit

Loi des nœuds

La loi des nœuds en N srsquoeacutecrit n

sumk=1

ik = 0

Ni1

in

ik

i4

i2i3

Loi des mailles

La loi des mailles sur la maille ci-

contre srsquoeacutecrit n

sumk=1

uk = 0 u1

u2

u3

u4

unuk

Theacuteoregraveme de Millman

Le theacuteoregraveme de Millman appliqueacuteen N donne

u =

n

sumk=1

Gk middot uk +p

sumj=1

i j

n

sumk=1

Gk u1 unu2 uk

uG1 GnG2 Gk

Ni1

i2 ijip

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 70

70 [2] Physique

Theacuteoregraveme de superposition (Helmholtz)Dans un reacuteseau de dipocircles lineacuteaires comportant n sources la tensionaux bornes de chaque dipocircle est la somme algeacutebrique des tensions qursquoily aurait aux bornes de ce dipocircle si une seule source autonome fonction-nait De mecircme lrsquointensiteacute dans une branche drsquoun circuit est la sommedes intensiteacutes qui regravegneraient dans la branche si une seule source au-tonome fonctionnait

12 Reacutegime variable

Puissance reccedilue par un dipocircle

p(t) = u(t)i(t)

lt pgt=1T

int T

0p(t) dt

lt pgtsinusoiumldal= Ueff Ieff cosϕ

On se place en convention reacutecep-teurp(t) puissance instantaneacutee reccediluepar le dipocirclelt p gt puissance moyenne reccediluepar le dipocircleu(t) tension aux bornes de ce di-pocirclei(t) intensiteacute traversant le dipocircleUeff tension efficace aux bornesdu dipocircleIeff intensiteacute efficace traversant ledipocircleϕ deacutephasage entre la tension etlrsquointensiteacute ϕ = arg Z ougrave Z est lrsquoim-peacutedance complexe

Impeacutedance complexe et phase des composants usuels

Reacutesistance

Z = R

ϕ = 0

Bobine

Z = jLω

ϕ = +π

2

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 71

1 Eacutelectronique 71

Condensateur

Z =1

jCω

ϕ = minusπ

2

Z impeacutedanceR valeur de la reacutesistanceC capaciteacute du condensateurL inductance de la bobineω pulsationϕ deacutephasage de u par rapport agrave i

Fonction de transfert

H( jω) =s

e

H( jω) fonction de transferts signal de sortiee signal drsquoentreacutee

Gain en deacutecibels ndash Phase

H(ω) = |H( jω)|

GdB = 20 log |H( jω)|

ϕ = argH

H(ω) gainGdB gain en deacutecibelsH( jω) fonction de transfertϕ phase (avance de la sortie surlrsquoentreacutee)

Diagramme de BodeLe diagramme de Bode en gain (respectivement en phase) consiste agraverepreacutesenter le gain en deacutecibel (respectivement la phase) en fonction de

logω

ω0ou de logω

Filtre passe-bas du premier ordre

log(w)log(w )0

G (dB)

log(w )0 log(w)

jp2

2

4-p

-p

H(ω) =H0

1 + jω

ω0

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 72

72 [2] Physique

Filtre passe-haut du premier ordre

log(w )0

log(w)

G (dB)

log(w )0

log(w)

jp

p2

4

2-p

H(ω) =H0 j

ω

ω0

1 + jω

ω0

Filtre passe-bas du deuxiegraveme ordre

log(w )0

log(w)

Q gt Q1 2 Q gt Q2 3

Q3

G (dB) log(w )0 log(w)Q gt Q1 2

Q3

j

0

2-p

-p

Q =1 gt Q2 3Ouml2

H(ω) =H0

1 +

(jω

ω0

)2+ j

ω

Qω0

Filtre passe-haut du deuxiegraveme ordre

log(w)

Q gt Q1 2

Q gt Q2 3

Q3

G (dB)

log(w )0

log(w )0 log(w)

Q gt Q1 2

Q3

j

0

2p

p

Q =1 gt Q2 3Ouml2

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 73

1 Eacutelectronique 73

H(ω) =

H0

(jω

ω0

)

1 +

(jω

ω0

)2+ j

ω

Qω0

Filtre passe bande du deuxiegraveme ordre

log(w)

Q gt Q1 2

Q gt Q2 3

Q3

G (dB)

log(w )0

log(w )0

log(w)

Q gt Q1 2

Q3

jp

0

2

2-p

Q =1 gt Q2 3Ouml2

H(ω) =H0

1 + jQ

ω0minus ω0

ω

)

13 Montages avec amplificateur opeacuterationnel

GeacuteneacuteraliteacutesPour un amplificateur opeacuterationnel ideacuteal en reacutegime lineacuteaire ndash ε = V+ minusVminus = 0lArrrArr |uS| 6 Vsatndash Si ε lt 0 uS = minusVsat si ε gt 0 uS = Vsat on est en reacutegime satureacutendash Lrsquointensiteacute entrant par les bornes + et minus est nulle

Suiveur de tension

+yen-e

uSuE

iS

uS = uE

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 74

74 [2] Physique

Amplificateur inverseur

+yen

-

R2

uSuE

iER1 e

uS = minusR2

R1uE

Amplificateur non inverseur

+yen-

R2

uSuE

iEiS

R1 e

uS =

(1 +

R2

R1

)uE

Convertisseur courant-tension

+yen-

R

uSuE

iE iSe

uS = minusR middot iE

Comparateur simple

+yen-

uSu2 u1

e

Si u1 gt u2 uS = +VsatSi u1 lt u2 uS = minusVsat

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 75

1 Eacutelectronique 75

Inteacutegrateur theacuteorique

+yen-R

C

uSuE

e uS =

minus 1RC

int t

t0uE(t) dt + us(t0)

Deacuterivateur theacuteorique

+yen-

R

uSuE

C e

uS = minusRCduEdt

Comparateur agrave hysteacutereacutesis

ε =R1

R1 + R2uS minus uE

ndash Si uS = +Vsat rArr ε gt 0rArr uE ltR1

R1 + R2Vsat

ndash Si uS = minusVsat rArr ε lt 0rArr uE gt minus R1

R1 + R2Vsat

ndash Si uE isin]minus R1

R1 + R2Vsat

R1

R1 + R2Vsat

[alors le montage est bistable

(uS = plusmnVsat)

c copyDuno

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 76

76 [2] Physique

Sommateur inverseur

+yen-

R2

uS

uE1 uE2 uE3

uE1

i1

i2

i3

R11

R1 2

R1 3

e

ik =uEk

R1kuS = minusR2 sum

k

uEk

R1k

2 Thermodynamique

21 Gaz parfait

Eacutequation drsquoeacutetat

pV = nRT

p pression du gazV volume du gazR = N middot k constante des gaz par-faitsT tempeacuteraturen quantiteacute de matiegravere

Vitesse quadratique moyenne

12mu2 =

32kT

m masse atomique du gazu vitesse quadratique moyennek constante de BoltzmannT tempeacuterature

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 77

2 Thermodynamique 77

Coefficients thermoeacutelastiques

α =1V

(partVpartT

)

p

β =1p

(partppartT

)

V

χT = minus 1V

(partVpartp

)

T

α coefficient de dilatation isobareβ coefficient drsquoaugmentation depression agrave volume constantχT coefficient de compressibiliteacuteisothermep pressionT tempeacuteratureV volume

Relation entre les coefficients thermoeacutelastiquesα = pβχT

Modegravele de Van der Waals

(p +

n2a

V2

)(V minus nb) = nRT

a b constantes positivesn quantiteacute de matiegraverep pressionT tempeacuteratureV volumenb covolumeR constante des gaz parfaits

22 Premier et second principes de la thermodynamique

Premier principe

∆U = W + Q

∆U variation drsquoeacutenergie interneW transfert meacutecaniques reccedilus parle systegravemeQ transferts thermiques vers lesystegravemec copy

Duno

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 78

78 [2] Physique

Travail reacuteversible des forces de pression

W = minusint V f

Vi

p dV

W travail des forces de pressionVi volume initialV f volume finalp pressionSi la transformation est isobarealors W = minusp∆V

Enthalpie

H = U + pV

H enthalpieU eacutenergie internep pressionV volume du systegravemeLrsquoenthalpie est une fonction drsquoeacutetat

Premiegravere loi de Joule pour un gaz parfait

dU = CV dT

dU variation drsquoeacutenergie interneCV capaciteacute thermique agrave volumeconstantdT variation de tempeacuterature

CV =

(partUpartT

)

V

Autre formulation U ne deacutependque de T

Seconde loi de Joule pour un gaz parfait

dH = Cp dT

dH variation drsquoenthalpieCp capaciteacute thermique agrave pressionconstantedT variation de tempeacuterature

Cp =

(partHpartT

)

p

Autre formulation H ne deacutependque de T

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 79

2 Thermodynamique 79

Gaz parfait monoatomique

U =32nRT

H =52nRT

U eacutenergie interneH enthalpien quantiteacute de matiegravereR constante des gaz parfaitsT tempeacuterature

Bilan sur les eacutecoulements permanents

(h2 + ek2+ ρgz2)minus (h1 + ek1

+ ρgz1) = wm + qm

wm

qm

Cette relation est aussi appeleacuteerelation de ZeunerOn indexe par 1 et 2 les grandeursrelatives au fluide respectivementen amont et en aval de la machine

hi enthalpie massiqueeki

eacutenergie cineacutetique massiqueρgzi eacutenergie potentielle de pesan-teur massiquewm travail reccedilu par lrsquouniteacute demasse de fluide qui traverse la ma-chineqm transfert thermique reccedilu parlrsquouniteacute de masse de fluide qui tra-verse la machine

Deacutetente de Joule Gay-Lussac

eacutetat initial

eacutetat final

∆U = 0

U eacutenergie interne

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 80

80 [2] Physique

Deacutetente de JoulendashKelvin

h1 + ek1= h2 + ek2

En eacutecoulemement lent (eki≪ hi)

la deacutetente est isenthalpique (h2 =h1)

Rapport des capaciteacutes thermiques

γ =Cp

CVgt 1

Cp =γR

γminus 1

CV =R

γminus 1R constante des gaz parfaitsγ rapport des capaciteacutes ther-miques

Second principe ndash Entropie

dS =δQ

+ δSirrev

S entropieQ transferts thermiques vers lesystegravemeTΣ tempeacuterature de surface dusystegravemeδSirrev gt 0 creacuteation drsquoentropieLrsquoentropie est une mesure statis-tique du deacutesordre

Identiteacutes thermodynamiques

dU = T dSminus p dV

dH = T dS +V dp

dU variation drsquoeacutenergie internedH variation drsquoenthalpiedS variation drsquoentropiep pression du gazV volume du systegravemeT tempeacuterature

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 81

2 Thermodynamique 81

Lois de Laplace

p Vγ = cste1

T Vγminus1 = cste2

Tγp1minusγ = cste3

Ces lois deacutecrivent lrsquoeacutevolution desparamegravetres thermodynamiquespour une transformation isentro-pique (adiabatique reacuteversible) degaz parfaitp pression du gazV volume du systegravemeT tempeacuteratureγ rapport isentropique

23 Changements de phase drsquoun corps pur

Diagramme drsquoeacutetat

vapeur

C

T

T

p

liquidesolide

Le point C est le point critique au delagraveduquel on ne fait plus la diffeacuterence entrela phase liquide et la phase vapeur (eacutetatfluide)Le point T est le point triple ougrave toutes lesphases coexistentp pressionT tempeacuterature

Nomenclature des changements de phase

vapeurliquidesolidefusion

sublimation

condensation

solidification liqueacutefaction

vaporisation

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 82

82 [2] Physique

Diagramme drsquoeacutequilibre liquidendashvapeur

vapeur

T T= C

T gt TC

T lt TC

liquide+

vapeur

C

vvl

vv

VLM

p

V

liquide

courbe drsquoeacutebullition

courbe de roseacutee

vapeur

p = pC

p gt pC

p lt pC

liquide+

vapeur

C

ssl s

v

VL

M

T

S

liquide

courbe drsquoeacutebullition

courbe de roseacutee

Titre de vapeur ndash Titre de liquide

xv =mv

m=

LM

LV

xl =mlm

=MV

LV

xl titre massique de liquidexv titre massique de vapeurml mv masse de liquide et de vapeurLM LVMV distance LM LVMVmesureacutees sur un des deux diagrammesdrsquoeacutetat preacuteceacutedent

On a eacutegalement la relation xl + xv = 1

Expression des fonctions drsquoeacutetat

u = x1u1 + x2u2

h = x1h1 + x2h2

s = x1s1 + x2s2

xi le titre massique du corps pur dansla phase iui hi si lrsquoeacutenergie interne massiquelrsquoenthalpie massique et lrsquoentropie mas-sique du corps dans la phase iu h s lrsquoeacutenergie interne massique lrsquoen-thalpie massique et lrsquoentropie massiquedu corps

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 83

2 Thermodynamique 83

Chaleur latente

l1rarr2 = h2 minus h1 = T(s2 minus s1)

l1rarr2 chaleur latente massique de pas-sage de la phase 1 agrave la phase 2hi enthalpie massique du corps dans laphase isi entropie massique du corps dans laphase iT tempeacuterature de cœxistance desphases

Relation de Clapeyron

l1rarr2 = T(v2 minus v1)partppartT

l1rarr2 chaleur latente massique de pas-sage de la phase 1 agrave la phase 2vi volume massique du corps dans laphase ip pressionT tempeacuterature de changement drsquoeacutetat

24 Machines thermiques

Machines dithermes

machine

QC

W

QF

TC TF

TC tempeacuterature de la source chaudeQC transfert thermique algeacutebrique dela source chaude vers la machineTF tempeacuterature de la source froideQF transfert thermique algeacutebrique de lasource froide vers la machineW transfert meacutecanique reccedilu par la ma-chine

Premier et second principes appliqueacutes sur un cycle

∆U = 0

∆S = 0

Sur un cycle la variation drsquoeacutenergie in-terne (U) et drsquoentropie (S) est nulle(fonctions drsquoeacutetat)c copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 84

84 [2] Physique

Ineacutegaliteacute de Clausius

QC

TC+

QF

TF6 0

(Second principe appliqueacute agrave la machine)TC tempeacuterature de la source chaudeQC transfert thermique algeacutebrique dela source chaude vers la machineTF tempeacuterature de la source froideQF transfert thermique algeacutebrique de lasource froide vers la machine

Efficaciteacute de Carnot du moteur ditherme

eC = 1minus TFTC

e 6 eC

eC efficaciteacute de Carnot (machine reacutever-sible)TC tempeacuterature de la source chaudeTF tempeacuterature de la source froidee efficaciteacute reacuteelle

Efficaciteacute de Carnot du reacutefrigeacuterateur ditherme

eC =TF

TC minus TFe 6 eC

eC efficaciteacute de Carnot (machine reacutever-sible)TC tempeacuterature de la source chaudeTF tempeacuterature de la source froidee efficaciteacute reacuteelle

Efficaciteacute de Carnot de la pompe agrave chaleur

eC =TC

TC minus TFe 6 eC

eC efficaciteacute de Carnot (machine reacutever-sible)TC tempeacuterature de la source chaudeTF tempeacuterature de la source froidee efficaciteacute reacuteelle

Repreacutesentation du cycle

p

V

Le transfert meacutecanique reccedilu par la ma-chine correspond agrave lrsquoaire inteacuterieure de lacourbe dans le diagramme de Clapey-ron (pV) Cette aire doit donc ecirctre neacute-gative (parcourue dans le sens horaire)pour obtenir un moteur (w lt 0)

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 85

2 Thermodynamique 85

T

S

Le transfert thermique reccedilu correspondagrave lrsquoaire inteacuterieure agrave la courbe dans le dia-gramme (S T)

25 Diffusion thermique

Flux thermique

Φth =intint

Sjjjth middotnnn dS

Φth flux thermiquejjjth vecteur courant de diffusionthermiquennn normale agrave la surface dS

Loi de Fourier

jjjth = minusλgradT

jjjth vecteur courant de diffusionthermiqueT tempeacuteratureλ conductiviteacute thermique

Eacutequation de la chaleur

partTpartt

= κ∆T

κ =λ

ρC

κ diffusiviteacute thermiqueT tempeacuterature∆ laplacien scalaireλ conductiviteacute thermiqueρ masse volumiqueC capaciteacute thermique

Convection

jc = minush(Tint minus Text)

jc courant de convection algeacutebriqueh coefficient de convectionTint tempeacuterature inteacuterieureText tempeacuterature exteacuterieure

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 86

86 [2] Physique

Conductance thermique

Φ = G(Tint minus Text)

G = heqS

heq =

(

sumi

1hi

+ sumj

e j

λ j

)minus1

En reacutegime permanent on deacutefinitainsi la conductance thermiqueΦ flux thermique totalG conductance thermiqueTint tempeacuterature inteacuterieureText tempeacuterature exteacuterieureh coefficient de convectionλ conductiviteacute thermiquee j epaisseur de la paroi de conduc-tiviteacute λ j

26 Rayonnement thermique

Flux thermique

ϕi︸︷︷︸incident

= ϕr︸︷︷︸reacutefleacutechi

+ ϕa︸︷︷︸absorbeacute

ϕp︸︷︷︸partant

= ϕe︸︷︷︸eacutemis

+ ϕr︸︷︷︸reacutefleacutechi

+ ϕt︸︷︷︸transmis

Fi

Fr Fd

Ft

Fa

Loi de Planck

Fλ(λ T) =2πhc2

λ51

ehc

kλTminus1

Fλ(λ T) eacutemittanceλ longueur drsquoondeT tempeacuteratureh constante de Planckc vitesse de la lumiegravere dans levidek constante de Boltzmann

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 87

2 Thermodynamique 87

Repreacutesentation graphique de la loi de Planck

F ( T)l l

lieu des maximums

T T1 2gt

T T2 3gt

T T3 4gt

T4

l

Loi du deacuteplacement de Wien

λmT = 2 897 8 microm middotKλm longueur drsquoonde ougrave lrsquoeacutemis-sion est maximaleT tempeacuterature

Loi de StefanCette loi est valable pour tout corps agrave lrsquoeacutequilibre thermodynamique etagrave lrsquoeacutequilibre thermique pour ϕp

ϕe =int +infin

0Fλ(λ T) dλ

ϕe = σT4

ϕe flux eacutemisFλ(λ T) luminance (deacutecrite parla loi de Planck)σ constante de Stefanλ longueur drsquoondeT tempeacuterature

Corps noir

Un corps noir absorbe le flux incident pour toute longueur drsquoonde etquelque soit son incidence Il est en eacutequilibre radiatif (ϕp = ϕi etϕe = ϕa ougrave ϕp est le flux partant ϕi le flux incident ϕe le flux eacutemiset ϕa le flux absorbeacute) et thermique

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 88

88 [2] Physique

3 Meacutecanique du point

31 Cineacutematique

Coordonneacutees carteacutesiennes

OMOMOM = xiii + yjjj + zkkk

x abscissey ordonneacuteez cote

vvv =dOMOMOMdt

=

xyz

aaa =d2OMOMOMdt2

=

xyz

M

i

kj

z

x

zM

xM

yMy

O

Coordonneacutees cylindriques

OMOMOM = ruuur + zuuuz

r rayon polaireθ angle polairez cote

vvv =dOMOMOMdt

=

rrθz

uuur

uuuθ

uuuz

aaa =d2OMOMOMdt2

=

rminus rθ2

2rθ + rθz

uuur

uuuθ

uuuz

M

i

ur

uz

uq

kj

q

z

x

zM

xM

yM y

r

O

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 89

3 Meacutecanique du point 89

Coordonneacutees spheacuteriques

OMOMOM = ruuur

r rayonθ colatitude variant dans [0π]ϕ longitude variant dans [0 2π]

vvv =dOMOMOMdt

=

rrθ

r sin θϕ

uuur

uuuθ

uuuϕ

M

ur

uj

uq

i

k

j

j

q

x

z

r

zM

xM

yM yO

Mouvement circulaire uniforme

OMOMOM = ruuur

r rayon polaireθ angle polaireωωω vitesse angulaire uniforme(ωωω = ωuuuz)

M

v(M)

a(M)ur

uq q x

z

y

O

vvv = ωuuuz andOMOMOM = ωruuuθ aaa = minusω2ruuur = minus v2

ruuur

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 90

90 [2] Physique

32 Changement de reacutefeacuterentiel

x

xrsquo

z zrsquo

y

yrsquo

O Orsquo

Composition des vitesses

vvv(M)R = vvv(M)Rprime︸ ︷︷ ︸vitesse relative

+vvv(Oprime)R + ΩΩΩ andOprimeMOprimeMOprimeM︸ ︷︷ ︸vitesse drsquoentraicircnement

ΩΩΩ vecteur de rotation instantanneacutee de Rprime par rapport agrave R

Composition drsquoacceacuteleacuteration

aaa(M)R = aaa(M)Rprime+ 2ΩΩΩ and vvv(M)Rprime︸ ︷︷ ︸acceacuteleacuteration de Coriolis (ac)

+aaa(Oprime)R + ΩΩΩ and(ΩΩΩ andOprimeMOprimeMOprimeM

)+

dΩΩΩ

dtandOprimeMOprimeMOprimeM

︸ ︷︷ ︸acceacuteleacuteration drsquoentraicircnement (ae)

Forces associeacutees

fffe = minusmaaae

fffc = minusmaaac

fffe force drsquoentraicircnementfffc force de Coriolisaaae acceacuteleacuteration drsquoentraicircnementaaac acceacuteleacuteration de Coriolis

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 91

3 Meacutecanique du point 91

Reacutefeacuterentiel en rotation uniforme autour drsquoun axe fixe

fffe = mΩ2ruuur

(force centrifuge)

fffc = minus2mΩΩΩ and vvv(M)Rprime

W t

W

z = zrsquo

x

yrsquo

xrsquo

yO

Reacutefeacuterentiel galileacuteenDans un reacutefeacuterentiel galileacuteen un point mateacuteriel isoleacute est soit au repossoit animeacute drsquoun mouvement rectiligne uniforme

33 Lois geacuteneacuterales de la meacutecanique

Principe des actions reacuteciproques

FFF1rarr2 = minusFFF2rarr1

M1M2M1M2M1M2 and FFF1rarr2 = 000

FFFirarr j force de i sur jMi point drsquoapplication de la forceFirarr j

Principe fondamental de la dynamique

dpppdt

= sumi

fffi

ppp = mvvv quantiteacute de mouvementdu systegravemefffi force appliqueacutee au systegravemesumi

fffi reacutesultante des forces

Quantiteacute de mouvement drsquoun systegraveme fermeacute

ppp = sumi

mivvv(Pi) = Mvvv(G)

ppp quantiteacute de mouvement du sys-tegravememi masse associeacutee au point mateacute-riel PiM masse du systegravemeG centre de masse du systegraveme

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 92

92 [2] Physique

Theacuteoregraveme du moment cineacutetique en un point fixe

dLLLO

dt=MMMO

(

sumi

fffi

)LLLO moment cineacutetique au point dereacuteduction O

MMMO

(

sumi

fffi

) moment de la reacutesul-

tante des forces en O

Moment cineacutetique ndash Moment cineacutetique barycentrique

LLLB = LLLA +BABABA andmvvv(M)

LLLlowastsystegraveme = LLLG

LLLP moment cineacutetique en Pm masse du systegravemevvv(M) vitesse du point MLLLlowastsystegraveme moment cineacutetique bary-centrique du systegraveme

Theacuteoregraveme de Kœnig du moment cineacutetique

LLLA = LLLlowast +AGAGAG andMvvv(G)

LLL(P) moment cineacutetique en PLLLlowast moment cineacutetique barycen-triqueM masse du systegravemevvv(G) vitesse du centre de graviteacutedu systegraveme

Moment de forces

MMMB(fff) =MMMA(fff) +BABABA and fff MMMP moment de force en Pfff force appliqueacutee au systegraveme

Theacuteoregraveme du moment cineacutetique en un point mobile

dLLLAdt = MMMA (sumi fffi)

minusvvv(A) andmvvv(P)

LLL moment cineacutetique

MMM(

sumi

fffi

) moment de la reacutesul-

tante des forcesm masse du systegravemevvv(P) vitesse de P

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 93

3 Meacutecanique du point 93

Puissance drsquoune force

P = fff middot vvvP puissance de la force ffffff forcevvv(G) vitesse du point mateacuteriel

Eacutenergie cineacutetique drsquoun point et drsquoun systegraveme de points

Ek =12mv2

Ek = sumi

mi

2v2i

Ek eacutenergie cineacutetiquem masse du systegravememi masse du point mateacuteriel Piv vitesse du systegravemevi vitesse du point mateacuteriel Pi

Theacuteoregraveme de lrsquoeacutenergie cineacutetique

dEkdt

= PEk eacutenergie cineacutetiqueP puissance des forces appli-queacutees au systegraveme

Theacuteoregraveme de Kœnig de lrsquoeacutenergie cineacutetique

Ek = Elowastk +12mv2(G)

Ek eacutenergie cineacutetiqueElowastk eacutenergie cineacutetique barycen-triquem masse du systegravemev(G) vitesse du centre de graviteacutedu systegraveme

Eacutenergie meacutecanique

Em = Ek + Ep

Em eacutenergie meacutecaniqueEk eacutenergie cineacutetiqueEp eacutenergie potentiellec copy

Duno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 94

94 [2] Physique

Eacutenergies potentielles

ndash eacutenergie potentielle de pesanteur

Eppes = MgzG

Eppes eacutenergie potentielle de pe-santeurm masse du systegravemeg acceacuteleacuteration de la pesanteurzG cote du centre de graviteacute dusystegraveme

ndash eacutenergie potentielle eacutelastique

Epelas=

12k(∆l)2

Epelas eacutenergie potentielle eacutelastique

k constante de raideur du ressort∆l allongement du ressort

ndash eacutenergie potentielle de gravitation

Epgrav = minusGm1m2

r

Epgrav eacutenergie potentielle de gra-vitationG constante universelle de gravi-tationm1 m2 masses en interactionr distance seacuteparant les deuxmasses

ndash eacutenergie potentielle eacutelectrique

Epel= qV

Epel eacutenergie potentielle eacutelectrique

q charge ponctuelleV potentiel au point ougrave se trouvela charge

Eacutequilibre

dEp

dx(x0) = 0

x0 position drsquoeacutequilibreEp eacutenergie potentielle

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 95

3 Meacutecanique du point 95

Eacutequilibre stable ndash Eacutequilibre instable

d2 Ep

dx2(x0) gt 0

x0

Ep

xO

Minimum drsquoeacutenergie potentielle eacutequilibre stable

d2 Ep

dx2(x0) 6 0

x0

Ep

xO

Maximum drsquoeacutenergie potentielle eacutequilibre instable

Forces conservatives

FFFcons = minusgradEp Les forces conservatives deacuteriventdrsquoune eacutenergie potentielle

Theacuteoregraveme de lrsquoeacutenergie meacutecanique

dEm

dt= Pext non cons +Pint non cons

Em eacutenergie meacutecaniquePext non cons puissance des forcesexteacuterieures au systegraveme nonconservativesPint non cons puissance des forcesinteacuterieures au systegraveme (dans lecas drsquoun systegraveme de points) nonconservatives

34 OscillateursOn se reportera eacutegalement aux oscillateurs eacutelectriques dans la partie eacutelec-tronique de cet ouvrage

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 96

96 [2] Physique

Oscillateur harmonique

d2 Adt2

+ ω20A = 0

A = α cosω0t + β sinω0t

A = γ cos(ω0t + ϕ)

Un oscillateur harmonique est reacute-git par lrsquoeacutequation ci-contre ougrave A grandeur physiqueω0 pulsation de lrsquooscillateurαβγϕ constantes deacutetermineacuteespar les conditions initiales

Portrait de phase drsquoun oscillateur harmonique

A

Aw0

0

Le portrait de phase drsquoun oscilla-teur harmonique est constitueacute decercles concentriques

Oscillateur harmonique amorti

d2 Adt2

+ω0

Q

dAdt

+ ω20A = 0

A grandeur physiqueω0 pulsation de lrsquooscillateur har-moniqueQ facteur de qualiteacute de lrsquooscilla-teur

Reacuteponses drsquoun oscillateur harmonique amorti

Q gt 12 les deux racines delrsquoeacutequation caracteacuteristique r1 et r2sont reacuteelles la solution est du typeapeacuteriodique A(t) = λer1t + microer2t

A( )t

t

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 97

3 Meacutecanique du point 97

Q = 12 on est en reacutegimecritique lrsquoeacutequation caracteacuteristiqueadmet une racine double r La so-lution est A(t) = (λt + micro)ert

A( )t

t

Q lt 12 les deux racinesde lrsquoeacutequation caracteacuteristiques sontcomplexes conjugueacutees la solu-tion est alors pseudo-peacuteriodique A(t) = (λ cos(βt) + micro sin(βt))eαt

avec α et β respectivement partiesreacuteelle et imaginaire de la solution

A( )t

t

Portrait de phase drsquoun oscillateur amorti

Qgt1

2

Q=12

Q

lt12

A

Aw0

Oscillations forceacutees

d2 Adt2

+ω0

Q

dAdt

+ ω20A = E(t)

A grandeur physiqueω0 pulsation de lrsquooscillateur har-moniqueQ facteur de qualiteacute de lrsquooscilla-teurE(t) excitationSi lrsquoexcitation est sinusoiumldale onreacutesout une telle eacutequation en utili-sant la notation complexe et en po-sant A(t) = A0e

jωtIl ne peut y avoir reacutesonance que siQ gt 1

radic2

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 98

98 [2] Physique

35 Mouvement drsquoune particule chargeacutee

Force de Lorentz

FFF = q(EEE + vvv andBBB)

FFF force de Lorentzq charge de la particulevvv vitesse de la particuleBBB champ magneacutetiqueEEE champ eacutelectrique

Mouvement dans un champ magneacutetique stationnaire uniforme

R =

∣∣∣∣mv0qB

∣∣∣∣

ω =

∣∣∣∣qB

m

∣∣∣∣

Ces lois deacutecrivent la trajectoire cir-culaire drsquoune particule de masse met de charge q abandonneacutee dansun champ magneacutetique avec unevitesse vvv0 orthogonale au champmagneacutetique BBBR rayon de la trajectoireω vitesse angulaire de la parti-cule

Un champ magneacutetique ne fait que deacutevier une particule il ne lrsquoacceacutelegraverepas

Effet Hall

EEEHall = minusvvv andBBB

UHall =BI

nqℓ

EEEHall champ eacutelectrique creacuteeacute pareffet HallUHall diffeacuterence de potentiel quiapparaicirct aux bornes de la sondevvv vitesse des particulesBBB champ magneacutetiqueI intensiteacute du courant traversantla sonden densiteacute particulaireq charge de la particuleℓ largeur de la sonde

B

EHall

I l

+++++++

ndashndashndashndashndashndashndash

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 99

3 Meacutecanique du point 99

36 Systegravemes de deux points mateacuteriels

Systegraveme isoleacute de deux points mateacuterielsPour eacutetudier un systegraveme isoleacute de deux points mateacuteriels de masse m1 etm2 on eacutetudie le mouvement drsquoune particule eacutequivalente dans le reacutefeacute-

rentiel barycentrique et de masse micro =m1m2

m1 + m2situeacutee en un point M

tel que GMGMGM = M1M2M1M2M1M2 = rrr

GM1GM1GM1 =minusm2

m1 + m2M1M2M1M2M1M2

GM2GM2GM2 =m1

m1 + m2M1M2M1M2M1M2

(m1 + m2)vvv(G) = cstecstecste

mi masse de la particule se trou-vant en Mimicro masse reacuteduiteG centre de graviteacute du systegravemevvv(G) vitesse de ce centre de gra-viteacutevvvi vitesse de la particule se trou-vant en Mi

Conservation du moment cineacutetique

LLLO = mCCC

ppp = CsteCsteCste

Dans le cas drsquoun systegraveme isoleacute dedeux particules il y a conserva-tion du moment cineacutetique et de laquantiteacute de mouvementLLL moment cineacutetiqueP point fictif (repreacutesentant le mo-bile eacutequivalent)vvv(P) vitesse de ce pointm masse du systegravemeCCC constante des aires

Planeacuteiteacute de la trajectoire ndash Loi des aires

La trajectoire est plane et la vitesseareacuteolaire est constante

dAdt

=C

2laquo Pour des temps eacutegaux les airesbalayeacutees sont eacutegales raquo

v( )M

d aire balayeacuteependant dA

t

O

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 100

100 [2] Physique

Eacutenergie potentielle efficace

Elowastm =12micror2 + Epe f f = E0

Epe f f =microC2

2r2+ Epint (r)

Pour un systegraveme isoleacute de deuxpoint mateacuteriels il y a conserva-tion de lrsquoeacutenergie meacutecanique bary-centriqueElowastm eacutenergie meacutecanique barycen-triqueEpe f f eacutenergie potentielle efficaceEpint (r) eacutenergie potentielle inteacute-rieure

micro masse reacuteduite(

micro =m1m2

m1 + m2

)

r = M1M2C constante des aires

Formules de Binet

vvv = minusCdudθ

uuur + Cuuuuθ

aaa = minusC2u2

(d2 udθ2 + u

)uuur

u =1r

vvv vitesseaaa acceacuteleacuterationC constante des airesθ angle polaireuuur vecteur radialuuuθ vecteur orthoradial

Trajectoires newtonniennes en coordonneacutees polaires

r(θ) =p

1 + e cos(θminus θ0)

p paramegravetre de la coniquee excentriciteacute de la coniquee et θ0 sont deacutetermineacutes par lesconditions initiales

Lois de KeplerCes lois deacutecrivent les trajectoires des planegravetes en supposant le reacutefeacuteren-tiel de Kepler centreacute sur le soleil galileacuteen et les trajectoires des diffeacute-rentes planegravetes indeacutependantes1 Les orbites des planegravetes sont des ellipses ayant le soleil pour foyer2 La vitesse areacuteolaire est constante pour des temps eacutegaux les airesbalayeacutees sont eacutegales

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 101

4 Meacutecanique du solide 101

3 Le carreacute de la peacuteriode est proportionnelle au cube du grand axe

T2 =4π2a3

GMsoleil

4 Meacutecanique du solide

41 Cineacutematique du solide

Champ de vitesse du solide

vvv(A t) = vvv(B t) +ABABAB andΩΩΩ(t)

vvv vitesse du point du solideconsideacutereacuteΩΩΩ vecteur instantaneacute de rotationdu solide

Roulement sans glissement

vvvg S1S2= vvv(IS1 )minus vvv(IS2 ) = 000

vvv(ISk) vitesse du point appar-

tenant au solide Sk et coiumlncidentavec le point I de contact entre lesdeux solidesvvvg S1S2

vitesse de glissement deS1 par rapport agrave S2

Eacutenergie cineacutetique du solide

Ek =12mv2(G)︸ ︷︷ ︸translation

+12J∆Ω2

︸ ︷︷ ︸rotation propre

Ek eacutenergie cineacutetiquem masse du solidev(G) vitesse du centre drsquoinertieJ∆ moment drsquoinertie par rapportagrave lrsquoaxe de rotation instantaneacute dusolide dans le reacutefeacuterentiel barycen-triqueΩΩΩ vecteur vitesse de rotation ins-tantaneacute

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 102

102 [2] Physique

Moment drsquoinertie

Moment drsquoinertie par rapport agravelrsquoaxe ∆

J∆ =intintint

solider2 dm

Eacuteleacutements cineacutetiques L∆ = J∆Ω (Moment cineacutetique)Ek = 1

2 J∆Ω2 (Eacutenergie cineacutetique)D

W

r

Theacuteoregraveme drsquoHuygens

J∆ = JG + ma2

J∆ moment drsquoinertie par rapportagrave lrsquoaxe de rotationJG moment drsquoinertie par rapportagrave lrsquoaxe passant par G et parallegravele agrave∆

D

Wa

G

Quelques moments drsquoinertie classiques

D

R

D

R

h

D

l 2 l 2

sphegravere pleinehomogegravene de masse

m

cylindre pleinhomogegravene de masse

m

tige mincehomogegravene de masse

m

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 103

4 Meacutecanique du solide 103

J∆ =25mR2 J∆ =

12mR2 J∆ =

112

mℓ2

42 Theacuteoregravemes geacuteneacuteraux de la dynamique

Theacuteoregraveme du centre drsquoinertie

mdvvvGdt

= sumi

fffivvvG vitesse du centre drsquoinertie dusolidefffi force exteacuterieure appliqueacutee ausolide

Theacuteoregraveme du moment cineacutetique

dLLLO

dt= sum

i

OMOMOMi and fffi

LLLO moment cineacutetique du solideen O point immobilefffi force exteacuterieure appliqueacutee ausolideMi point drsquoapplication de la forcefi

Moment cineacutetique ndash Moment cineacutetique barycentrique

LLLB = LLLA +BABABA andmvvv(P)

LLLlowastsystegraveme = LLLG

LLL moment cineacutetiquem masse du solidevvv(P) vitesse du point PLLLlowastsystegraveme moment cineacutetique bary-centrique du solide

Theacuteoregraveme de Kœnig du moment cineacutetique

LLLA = LLLlowast +AGAGAG andmvvv(G)

LLL moment cineacutetiqueLLLlowast moment cineacutetique barycen-triquem masse du systegravemevvv(G) vitesse du centre de graviteacutedu solide

Theacuteoregraveme de lrsquoeacutenergie cineacutetique

dEkdt

= PextEk eacutenergie cineacutetiquePext puissance des forces exteacute-rieures appliqueacutees au solide

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 104

104 [2] Physique

Puissance des forces appliqueacutees agrave un solide

P = FFF middot vvv(G) +MMMG middotΩΩΩ

P puissance des forces appli-queacutees au solideFFF force reacutesultantevvv(G) vitesse du centre drsquoinertiedu solideMMM moment des forces exteacuterieuresen GΩΩΩ vecteur de rotation instantaneacuteedu solide

Theacuteoregraveme de Kœnig de lrsquoeacutenergie cineacutetique

Ek = Elowastk +12mv2(G)

Ek eacutenergie cineacutetiqueElowastk eacutenergie cineacutetique barycen-triquem masse du solidevvv(G) vitesse du centre drsquoinertiedu solide

Theacuteoregraveme de lrsquoeacutenergie meacutecanique

dEm

dt= Pext non cons

Em eacutenergie meacutecaniquePext non cons puissance des forcesexteacuterieures non conservatives

Liaison pivotPour une liaison pivot parfaiteM∆ = 0 ougraveM∆ est le moment desactions de contact

43 Contacts entre les solides

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 105

5 Optique 105

Roulement sans glissement

vvvg de S1S2= vvv(IS1 )minus vvv(IS2 ) = 000

vvv(ISk) vitesse du point appar-

tenant au solide Sk et coiumlncidentavec le point I de contact entre lesdeux solidesvvvg de S1S2

vitesse de glissementdu solide S1 par rapport au solideS2

N

T I

S1

S2

Lois de Coulomb1 La reacuteaction normale NNN est dirigeacutee vers lrsquoexteacuterieur du support2 Condition de roulement sans glissement

TTT lt fsNNNougrave TTT est la reacuteaction tangentielle ou force de frottement NNN la reacuteactionnormale et fs le coefficient de frottements statiques3 Srsquoil y a glissement TTT est dans la mecircme direction que la vitesse deglissement et de sens opposeacute Alors

TTT = fdNNNougrave fd est le coefficient de frottement dynamique souvent confonduavec fs

5 Optique

51 Geacuteneacuteraliteacutes

Propagation dans le vide drsquoune onde lumineuse

λ = cT =c

ν

λ longueur drsquoonde du signalc vitesse de la lumiegravere dans levideν freacutequence du signalT peacuteriode du signal

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 106

106 [2] Physique

Propagation dans un milieu transparent isotrope homogegravene

v =c

n

λ = vT =v

ν

v vitesse de la lumiegravere dans le mi-lieun indice du milieuT peacuteriode du signalν freacutequence du signal

Spectre

l (nm)

l (m)

f (Hz)

infrarougemicro ondes

ondes hertziennes

ultraviolet

rayons X

violet indigo bleu vert jaune orange rouge

vis

ible

10ndash9

400

1017

1016

1015

1014

1013

1012

1011

1010

10ndash8

450

10ndash7

480

10ndash6

530

10ndash5

590

10ndash4

620

10ndash3

700

10ndash2

52 Optique geacuteomeacutetrique

Loi de SnellndashDescartes

i2

i1 rn1

n2

n1 sin i1 = n2 sin i2

r = i1

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 107

5 Optique 107

Prisme

sin i1 = n sin r1

sin i2 = n sin r2

r1 + r2 = Ai1

A

D

r1

i2

n

r2

Deacuteviation du prisme

D = i1 + i2 minus A

Dm = 2 arcsin(n sin

A

2

)minus A

D deacuteviationA angle au sommet du prismeDm minimum de deacuteviationi angle drsquoincidence au minimumde deacuteviation

Approximation de GaussPour se placer dans lrsquoapproximation de Gauss il faut des faisceaux peuouverts et des angles drsquoincidence petits

Dioptre spheacuteriquen1pprimeminus n2

p=

n1 minus n2r

p abscisse du point objetpprime abscisse du point imageR = SC rayon algeacutebrique dudioptre

CS

n1 n2

I

r

Miroirs spheacuteriques

C S

I

r

CS

I

r

Miroir concave (R = SC lt 0) Miroir convexe (R = SC gt 0)

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 108

108 [2] Physique

Relation de conjugaison des miroirs spheacuteriques

1pprime

+1p

=2R

R rayon algeacutebrique du miroir(R lt 0 pour un miroir concave etR gt 0 pour un miroir divergent)pprime distance algeacutebrique de S aupoint imagep distance algeacutebrique de S aupoint objet

Miroir plan

pprime = minusp

pprime distance algeacutebrique de S aupoint imagep distance algeacutebrique de S aupoint objet

Lentilles minces

B

Brsquo

ArsquoA O FFrsquo

B

Brsquo

Arsquo

A OF

Frsquo

Lentille divergente Lentille convergente

Relation de conjugaison des lentilles minces

1pprimeminus 1

p=

1f prime

f prime distance focale de la lentille( f prime lt 0 pour une lentille diver-gente et f prime gt 0 pour une lentilleconvergente)pprime distance algeacutebrique du foyerau point imagep distance algeacutebrique du foyer aupoint objet

Relation de Descartes ndash Relation de Newton

f prime

pprime+

f

p= 1 f f prime = (pprime minus f prime)(pminus f )

(relation de Descartes) (relation de Newton)

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 109

5 Optique 109

Grandissement

γ =pprime

p

γ grandissementpprime distance algeacutebrique de O aupoint imagep distance algeacutebrique de O aupoint objet

53 Interfeacuterences lumineuses

Obtention drsquointerfeacuterencesOn ne peut obtenir drsquointerfeacuterences qursquoavec des rayons lumineux is-sus de deux sources coheacuterentes secondaires obtenues avec une seulesource par division ou du front drsquoonde ou de lrsquoamplitude

Chemin optique dans un milieu homogegravene isotrope

[SM] = c middot τSM

[SM] chemin optique de S agrave Mc vitesse de la lumiegravere dans levideτSM temps mis par le signal pourparcourir la distance SM

Diffeacuterence de marche

δ = [SP1M]minus [SP2M]δ diffeacuterence de marche[SPjM] chemin optique du rayonpassant par Pj

Vibration lumineuse

s(M) = s0 cos(ωtminusϕS minus 2π

λ [SM])

s(M) vibration lumineuse en MS0 amplitude de la vibrationω pulsation de la vibration lumi-neuseϕS phase de la vibration agrave lasourceλ longueur drsquoonde[SM] chemin optique de S agrave M

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 110

110 [2] Physique

Vibration complexe

s(M) = S0ei(ωtminusϕs)eminus

2iπλ

[SM]

s(M) vibration lumineuse com-plexe en MS0 amplitude de la vibrationω pulsation de la vibration lumi-neuseϕS phase de la vibration agrave lasourceλ longueur drsquoonde[SM] chemin optique de S agrave M

Plan drsquoondeOn appelle plan drsquoonde un plan ougrave tous les points sont dans le mecircmeeacutetat vibratoire

Theacuteoregraveme de MalusLes rayons lumineux sont perpendiculaires en tout point aux surfacesdrsquoondes

Eacuteclairement

E(M) = αs2(M)

E(M) =12αs(M)slowast(M)

E(M) eacuteclairement au point Mα = cε0 une constante positive(E est en fait le vecteur de Poytingvoir cours drsquoeacutelectromagneacutetisme)s(M) vibration lumineuse en Ms(M) vibration lumineuse com-plexe en M

Interfeacuterences

E(M) = 2E0(1 + cos∆ϕ(M))

E(M) eacuteclairementE0 eacuteclairement de la source∆ϕ(M) deacutephasage en MLrsquoeacutecran est brillant si ∆ϕ = 2kπk isin ZLrsquoeacutecran est noir si ∆ϕ = (2k + 1)

π

2 k isin Z

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 111

5 Optique 111

Ordre drsquointerfeacuterence

p =∆ϕ

2π=

δ

λ

p ordre drsquointerfeacuterence∆ϕ deacutephasage en Mδ diffeacuterence de marcheλ longueur drsquoondeLrsquoeacutecran est brillant si p isin Z

Lrsquoeacutecran est sombre si p isin Z +12

Contraste

C =Emax minus Emin

Emax + Emin

C contrasteEmax eacuteclairement maximumEmin eacuteclairement minimum

Trous drsquoYoung

M x( )

x

a

D

S

δ(x) =ax

D(diffeacuterence de marche)

E(x) = 2E0

(1 + cos

2πλ

ax

D

)

i =λD

a(interfrange)

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 112

112 [2] Physique

54 Interfeacuteromegravetre de Michelson

Scheacutema

miroir M2

miroir M1seacuteparatrice SP

source S

Scheacutemas eacutequivalents avec une source ponctuelleCoin drsquoair Lame drsquoair

M2

M1

M1rsquo

SP

M x y( )

S1

S2

S

y

x

eM2

M1

M1rsquo

SP

S

y

x

M x y( )

a

S1 S2

Source ponctuelle ndash Source eacutetendueDans la suite nous consideacutererons que lrsquointerfeacuteromegravetre est eacuteclaireacute avecune source eacutetendue les interfeacuterences sont localiseacutees agrave lrsquoinfini (ob-servables dans le plan focal image drsquoune lentille convergente) alorsqursquoelles sont deacutelocaliseacutees avec une source ponctuelle

Lame drsquoair

δ = 2e cos iδ diffeacuterence de marchei angle drsquoincidencee laquo eacutepaisseur raquo entre les miroirs

e

i

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 113

5 Optique 113

Figure drsquointerfeacuterence

rn

rn =

radicλ f prime

e

radicn

Par symeacutetrie des anneauxrn rayon du ne anneauλ longueur drsquoondee laquo eacutepaisseur raquo entre les miroirsf prime distance focale de la lentille uti-liseacutee pour lrsquoobservation(valable si le centre de la figuredrsquointerfeacuterence est brillant)

Coin drsquoair

δ = 2αxδ diffeacuterence de marcheα angle entre les deux miroirs(quelques dixiegravemes de degreacutes)x abscisse du point du miroirconsideacutereacute

x

O

a

Figure drsquointerfeacuterence

i

i =λγ

Par symeacutetrie des frangesi interfrangeλ longueur drsquoondeα angle entre les deux miroirsγ grandissement de la lentille uti-liseacutee pour lrsquoobservation

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 114

114 [2] Physique

Source eacutemettant un doublet

E(e) = 4E0

(1 +V(e) cos

(4πeλ0

))

V(e) = cos

(2π

δλ

λ20e

)

On observe des battements

E

e

Luminance

Entre les freacutequences ν et ν + dν lasource eacutemet

dE = L(ν) dν

L( )n

n

dn

n2n1

Source agrave raie spectrale

E(e) = 4E0

(1 +V(e) cos

(4πeλ0

))

V(e) = sinc

(2π

δλ

λ20e

)

E

e

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 115

5 Optique 115

55 Autres dispositifs drsquointerfeacuterences

Le FabrymdashPeacuterotS

e

i

Le FabryndashPeacuterot permet de reacutealiser des interfeacuterences entre une infiniteacutedrsquoondes il est donc drsquoune tregraves grande preacutecision

Expression de lrsquoeacuteclairement drsquoun FabryndashPeacuterot

E(Φ) =E0

1 + 4r2(1minus r2)2

sin2(

Φ2

)

Φ =4πeλ0

cos i

F =4r2

(1minus r2)2 finesse

E

F2p 4p

Miroirs de Fresnel

miroir M2

miroir M1

sourceS

zonedrsquointerfeacuterence

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 116

116 [2] Physique

Expression de lrsquoeacuteclairement des miroirs de Fresnel

E(x) =E0

2

(1 + cos

(2πδ

λ

))

δ =2dαd + D

α angle entre les miroirsx abscisse drsquoun point de lrsquoeacutecrand distance entre la source et lrsquoar-recircte des miroirsD distance entre lrsquoarrecircte des mi-roirs et lrsquoeacutecranλ longueur drsquoonde

56 Diffraction des ondes lumineuses

Principe drsquoHuygensndashFresnelQuand une onde lumineuse traverse une ouverture (Σ) qui la limite pour deacutecrire lrsquoonde diffracteacutee au delagrave de (Σ) on suppose que chaquesurface eacuteleacutementaire (dΣ) autour du point courant P de (Σ) reacuteemet verslrsquoavant une ondelette spheacuterique ndash de mecircme freacutequence que lrsquoonde incidente ndash en phase en P avec lrsquoonde incidente ndash drsquoamplitude proportionnelle agrave celle de lrsquoonde incidente et agrave (dΣ)Crsquoest la superposition de ces ondelettes qui deacutecrit lrsquoonde diffracteacutee

Conditions de FraunhoferOn observe la diffraction agrave lrsquoinfini (crsquoest-agrave-dire agrave une distance tregravesgrande devant les dimensions de lrsquoobjet diffractant ou mieux au foyerobjet drsquoune lentille convergente)

Montage de la diffraction agrave lrsquoinfini

sourcedans le

plan focalobjet de ( )

S

L0

M

u

u0

lentille( )L0

lentille( )L

objetdiffractant

eacutecran( ) dans le planfocal image de ( )E

L

S

P

O

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 117

5 Optique 117

Formulation pratique du principe drsquoHuygensndashFresnel

s(M t) = kS0ei(ωtminus 2π

λ[SOM])

intint

PisinΣt(P)ei

π

λnOPOPOP(uuuminusuuu0) dΣ

k constante de FraunhoherS0 amplitude de la vibration lumineuset(P) transparence de lrsquoobjet diffractantn indice du milieu (supposeacute homogegravene)λ longueur drsquoonde de la lumiegravere utiliseacutee

Diffraction par une ouverture rectangulaire

S

M XY( )

f

X

Y

ua

b

( )L0 ( )L

S

O

E(XY) = k2S20a2b2 sinc2

(πaX

λ f

)sinc2

(πbY

λ f

)

k constante de Fraunhofera longueur de la fenteb largeur de la fentef distance focale de la lentille utiliseacutee pour lrsquoobservationλ longueur drsquoonde de la lumiegravere utiliseacuteeOn suppose ici que t(P) = 1 en tout point de lrsquoouverture et que cettemecircme ouverture est plongeacutee dans un milieu drsquoindice uniforme 1

tache centrale

1 zeacuteroer

2 zeacuteroe

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 118

118 [2] Physique

Diffraction par un motif circulaire

La majoriteacute de la lumiegravere est dans un disque de rayon angulaire

θ = 0 61λ

r(tache drsquoAiry) ougrave θ est le rayon angulaire du premier an-

neau sombreCritegravere de seacuteparation de Rayleigh deux taches lumineuses sont seacutepa-reacutees si leur centres sont distincts de plus du rayon de la tache drsquoAiry

Diffraction par un objet opaque

On obtient la mecircme figure agrave lrsquoeacutecran que pour une ouverture de lamecircme forme si ce nrsquoest que le centre est tregraves brillant

6 Eacutelectromagneacutetisme

61 Eacutelectrostatique

Symeacutetries du champ eacutelectriqueLe champ EEE est symeacutetrique par rapport aux plans de symeacutetrie descharges et antisymeacutetrique par rapport aux plans drsquoantisymeacutetrie descharges

Champ et potentiel creacuteeacutes par une charge fixe

q

M

u

r

E(M)

V(M) =q

4πε0r

EEE(M) =q

4πε0r2uuu

EEE = minusgradV

q charge ponctuelle fixeε0 permeacuteabiliteacute du vider distance entre le point M et lachargeEEE(M) champ eacutelectrique en MV(M) potentiel eacutelectrique en M

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 119

6 Eacutelectromagneacutetisme 119

Distribution discregravete ndash Distribution continueDistribution discregravete Distribution continue

EEE(M) = sumi

14πε0

qir2iuuui EEE(M) =

intintint 14πε0

ρ

r2uuu dτ

qi charge ponctuelle situeacutee en riε0 permittiviteacute du vide

ρ densiteacute de chargeε0 permittiviteacute du vide

Eacutequation de Poisson

∆V +ρ

ε0= 0

Eacutequation veacuterifieacutee par le potentieleacutelectrique en reacutegime permanentV potentiel eacutelectriqueρ densiteacute de chargeε0 permittiviteacute du vide

Theacuteoregraveme de Gauss

intcopyint

EEE(M)nnn dS =Qint

ε0

EEE(M) champ eacutelectrique au pointMnnn normale en M agrave la surfaceQint charges inteacuterieures agrave la sur-face fermeacuteeε0 permittiviteacute du vide

Theacuteoregraveme de Gauss pour la gravitation

intcopyint

GGG(M)nnn dS = minus4πGMint

GGG(M) champ de gravitation aupoint Mnnn normale en M agrave la surfaceMint masse inteacuterieure agrave la surfacefermeacuteeG constante universelle de gravi-tation

Champ eacutelectrique creacuteeacutes par un plan infini

EEE(M) = plusmn σ

2ε0uuuz

+ si z gt 0minus si z lt 0

EEE(M) champ eacutelectrique creacuteeacute en Mpar le planσ charge surfaciqueε0 permittiviteacute du videuuuz vecteur normal agrave la surface

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 120

120 [2] Physique

Condensateur plan

EEE = 0 agrave lrsquoexteacuterieur

EEE =σ

ε0uuuz agrave lrsquointeacuterieur

EEE champ eacutelectriqueσ charge surfaciqueε0 permittiviteacute du videOn deacutefinit la capaciteacute C ducondensateur

C =ε0S

e

S surface des armaturese distance entre les armatures

Dipocircle eacutelectrostatique

ppp = qNPNPNP

V(M) =p cos θ

4πε0r2=

ppp middotOMOMOM

4πε0OM3

EEE = minusgradV

q charge positiveN barycentre des charges neacutega-tivesP barycentre des charges posi-tivesppp moment dipolaireV(M) potentiel eacutelectrique du di-pocircleEEE champ eacutelectrique

q

N O P

u

r

E(M)

lignes de champeacutequipotentielles

Eacutenergie potentielle ndash Moment subi dans un champ exteacuterieur

Ep = minusppp middotEEEext(M)

M = ppp andEEEext(M)

Ep Eacutenergie potentielleM moment reacutesultant des forceseacutelectriquesppp moment dipolaireEEEext champ eacutelectrique auquel estsoumis le dipocircle

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 121

6 Eacutelectromagneacutetisme 121

62 Magneacutetostatique

Symeacutetries du champ magneacutetiqueLe champs BBB est symeacutetrique par rapport aux plans drsquoantisymeacutetrie descourants et symeacutetrique par rapport aux plans drsquoantisymeacutetrie des cou-rants

Loi de Biot et Savart

dBdBdB(M) =micro0dCdCdC(P)

4πr2anduuuPM

dC

M

P

uPM

r

dCdCdC =

I dl pour un circuit filiformeqvvv pour une charge ponctuellejjj dτ pour un courant volumiquejjjS dS pour un courant surfacique

dBdBdB champ magneacutetique creacuteeacute parlrsquoeacuteleacutement de courant dCdCdCdCdCdC eacuteleacutement de courantmicro0 permeacuteabiliteacute du vider distance du point courant aupoint M

q charge ponctuellejjjS vecteur courant surfaciquejjj vecteur courant

Theacuteoregraveme drsquoAmpegravere

∮BBB(M) middotdldldl = micro0 Ienlaceacutee

BBB(M) champ magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du videIenlaceacutee intensiteacute enlaceacutee par lacourbe fermeacutee drsquoAmpegraveredldldl choisi en accord avec lrsquoorienta-tion de lrsquointensiteacute

Champ magneacutetique creacuteeacute par une spire circulaire

BBB(M) =micro0 I

2Rsin3 αeeez

z

P

RM

B(M)

I

a

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 122

122 [2] Physique

Champ magneacutetique agrave lrsquointeacuterieur un soleacutenoiumlde infini

BBB = micro0nIeeez

BBB = micro0 jSeeez

BBB champ agrave lrsquointeacuterieur du soleacute-noiumlden nombre de spires par uniteacute delongueurI intensiteacute du courantjS courant surfaciqueeeez vecteur directeur sur lrsquoaxe dusoleacutenoiumlde orienteacute par le sens ducourantmicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Moment magneacutetique drsquoune spire

mmm = ISnnn

mmm moment magneacutetique de laspireS surface de la spireI intensiteacute parcourant la spirennn normale agrave la spire dirigeacutee par lesens du courant

Eacutenergie potentielle ndash Moment magneacutetique

Ep = minusmmm middotBBB

M = mmm andBBB

Ep eacutenergie potentielle magneacute-tiquemmm moment de force exerceacute sur laspireBBB champ magneacutetique auquel estsoumis la spiremmm moment magneacutetique de laspire

Force de Laplace

dfdfdf = dCdCdC andBBBdfdfdf force eacuteleacutementairedCdCdC eacuteleacutement de courantBBB champ magneacutetique

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 123

6 Eacutelectromagneacutetisme 123

63 Eacutequations de Maxwell dans le vide

Vecteur courant

jjj = npqvvv = ρvvv

jjjS = σ vvv

jjj vecteur courantjjjS vecteur de courant surfaciquevvv vitesse des porteurs de chargenp densiteacute particulaire de porteursq charge drsquoun porteurρ densiteacute volumique de chargeσ densiteacute surfacique de charge

Eacutequation de conservation de la charge

div j +partρ

partt= 0

jjj vecteur courantρ charge volumique

Eacutequations de Maxwell

div E =ρ

ε0

rot E = minus partBBBpartt

div B = 000

rot B = micro0jjj + micro0ε0partEEEpartt

Ces eacutequations portent les noms res-pectifs de ndash MaxwellndashGaussndash MaxwellndashFaradayndash sans nomndash MaxwellndashAmpegravere

Le terme ε0partEEEpartt

est appeleacute courant

de deacuteplacementEEEBBB champs eacutelectrique et magneacute-tiquejjj vecteur densiteacute de courantρ charge volumiqueε0 micro0 permittiviteacute et permeacuteabiliteacutedu vide

SuperpositionLes eacutequations de Maxwell sont lineacuteaires toute combinaison lineacuteairede solutions est encore une solution

Puissance des forces eacutelectromagneacutetiques

dP = jjjEEE dτ

dP puissance eacuteleacutementaire par uniteacutede volume dτjjj vecteur courantEEE champ eacutelectrique

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 124

124 [2] Physique

Densiteacute drsquoeacutenergie eacutelectromagneacutetique

Wem =ε0E

2

2+

B2

2micro0

Wem eacutenergie eacutelectromagneacutetiqueE champ eacutelectriqueB champ magneacutetiqueε0 permittiviteacute du videmicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Vecteur de Poynting

ΠΠΠ =EEE andBBB

micro0

ΠΠΠ vecteur de PoyntingEEE champ eacutelectriqueBBB champ magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Theacuteoregraveme de Poynting forme locale

minus partpartt

(ε0E

2

2+

B2

2micro0

)= jjjEEE + div

(EEE andBBB

micro0

)

La perte drsquoeacutenergie eacutelectromagneacutetique est due agrave lrsquoeffet Joule et au rayon-nement du vecteur de Poynting

Potentiel vecteur

BBB = rot A

AAA(M) =micro0

int

circuit

i middotdldldlr

AAA potentiel vecteurBBB champ magneacutetiquei intensiteacute dans le circuit filiformer distance du point M au point cou-rant du circuitmicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Expression geacuteneacuterale du champ eacutelectrique

EEE = minusgradV minus partAAApartt

EEE champ eacutelectriqueV potentiel eacutelectriqueAAA potentiel vecteur

Jauge de Lorentz

div A + micro0ε0partVpartt

= 0

AAA potentiel vecteurV potentiel eacutelectriqueε0 permittiviteacute du videmicro0 permeacuteabiliteacute du videCette jauge permet de fixer le poten-tiel V

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 125

6 Eacutelectromagneacutetisme 125

Relations de passage

E2t = E1t

EEE2n minusEEE1n =σ

ε0nnn1rarr2

BBB2t minusBBB1t = micro0jjjS andnnn1rarr2

B2n = B1n

EEEin composante normale duchamp EEEiBBBit composante tangentielle duchamp BBBiσ charge surfaciquejjjS vecteur densiteacute de courant surfa-ciquennn1rarr2 normale agrave la surfaceε0 permittiviteacute du videmicro0 permeacuteabiliteacute du vide

64 Conduction meacutetallique

Loi drsquoOhm locale

jjj = γEEEjjj vecteur courantEEE champ eacutelectriqueγ conductiviteacute

Loi drsquoOhm globale

int B

AEEE middotdldldl = RAB middot I

EEE champ eacutelectriqueI intensiteacute circulant dans le circuit

R =ℓ

γS reacutesistance drsquoun circuit de

longueur ℓ et de section S

Proprieacuteteacutes locales des champs dans les meacutetaux1 ρ = 0 les charges sont surfaciques

2 f ≪ 1017Hz =rArr∥∥∥∥ε0

partEEEpartt

∥∥∥∥≪ jjjconduction3 En haute freacutequence les courants sont surfaciques (sur une eacutepaisseur

dite eacutepaisseur de peau δ =

radic2

micro0γω)c copy

Duno

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 126

126 [2] Physique

65 Induction dans un circuit fixe avec BBB variable

Force eacutelectromotrice

eAB =int B

A

(minus partAAA

parttmiddotdldldl)

eAB forceacute eacutelectromotriceAAA potentiel vecteur

Diffeacuterence de potentiel

V(B)minusV(A) = eAB minus RABi

eAB force eacutelectromotriceV(B) minus V(A) diffeacuterence de po-tentiel entre les points A et BRAB reacutesistance du circuit ABi intensiteacute du courant circulantdans le circuit

Flux de BBB agrave travers le circuit

Φ =intint

circuitBBB middotnnn dS

Φ flux de BBB agrave travers le circuitBBB champ magneacutetiquennn normale nnn au circuit compatibleavec le sens du courant

Loi de Faraday

ecircuit = minus partΦ

partt

Φ le flux de BBB agrave travers le circuitecircuit la force eacutelectromotrice ducircuit

Loi de LenzLes conseacutequences des pheacutenomegravenes drsquoinduction srsquoopposent toujoursaux causes qui leur ont donneacute naissance En terme de flux cela signifieque si le flux du champ magneacutetique varie lrsquoinduction va produire unchamp magneacutetique qui tendra agrave compenser cette variation de flux

Auto inductance drsquoun circuit

Φ = LiΦ flux de BBB agrave travers le circuitL coefficient drsquoauto inductancedu circuiti intensiteacute dans le circuit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 127

6 Eacutelectromagneacutetisme 127

Mutuelle inductance drsquoun circuit

Φ1rarr2 = Mi1

Φ2rarr1 = Mi2

Φirarr j flux du champ BBB induit parle circuit i agrave travers le circuit jik courant dans le circuit kM coefficient de mutuelle induc-tance

Flux total

Φ1 = Li1 + Mi2

Φ1 flux de BBB agrave travers le circuit 1L coefficient drsquoauto inductanceM coefficient de mutuelle induc-tanceik intensiteacute dans le circuit k

Eacutenergie magneacutetique

Wem =Li212

+ Mi1i2

Wem eacutenergie eacutelectromagneacutetiquestockeacutee dans le circuitL coefficient drsquoauto inductanceM coefficient de mutuelle induc-tanceik intensiteacute dans le circuit k

Proprieacuteteacutes du transformateur ideacuteal

1u2(t)

u1(t)=

N2

N1

2 Si le secondaire est en court-circuit alors∣∣∣∣i2i1

∣∣∣∣ =N1

N2

3 Le rapport de puissance du primaire au secondaire est de 100

4 On a Rvue du primaire =

(N1

N2

)2Rchargec copy

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 128

128 [2] Physique

66 Induction dans un circuit mobile soumis agrave BBB stationnaire

Changement de reacutefeacuterentiel

BBBprime = BBB

EEEprime = EEE︸︷︷︸minusgradV

+vvv andBBB

jjjsol = jjjcond

BBBprime champ magneacutetique dans le reacutefeacute-rentiel du conducteurBBB champ magneacutetique dans le reacutefeacute-rentiel du solEEEprime champ eacutelectrique dans le reacutefeacute-rentiel du conducteurEEE champ eacutelectrique dans le reacutefeacuteren-tiel du solvvv vitesse du conducteur par rap-port au soljjjsol vecteur densiteacute de courant dansle reacutefeacuterentiel lieacute au soljjjcond vecteur densiteacute de courantdans le reacutefeacuterentiel du conducteur

Champ eacutelectromoteur

EEEm = vvv andBBBEEEm champ eacutelectromoteurvvv vitesse du conducteurBBB champ magneacutetique

Force eacutelectromotrice

eAB =int B

A(vvv andBBB) middotdldldl

V(B)minusV(A) = eAB minus RABi

eAB force eacutelectromotrice du circuitRAB reacutesistance du circuiti intensiteacute du circuitvvv vitesse du conducteurBBB champ magneacutetiqueV(M) potentiel au point M

Loi de Faraday

e = minusdΦ

dte force eacutelectromotriceΦ flux de BBB agrave travers le circuit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 129

6 Eacutelectromagneacutetisme 129

67 Mateacuteriaux magneacutetiques

Aimantation

dmmm = MMMdτMMM aimantationmmm moment magneacutetique

Courants drsquoaimantation

jjjaimantation = rot M

jjjS aimantation = MMM andnnn

jjjaimantation vecteur courant drsquoai-mantationjjjS aimantation vecteur courant surfa-cique drsquoaimantationMMM aimantationnnn normale agrave la surface

Excitation magneacutetique

HHH =BBBmicro0minusMMM

BBB = micro0 (HHH +MMM)

HHH excitation magneacutetiqueBBB champ magneacutetiqueMMM aimantationmicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Eacutequation de Maxwell ndash Ampegravere en ARQS

rot H = jjjconductionHHH excitation magneacutetiquejjjconduction vecteur courant deconduction

Aimantation des mateacuteriaux lineacuteaires

MMM = χmHHHMMM aimantationHHH excitation magneacutetiqueχm susceptibiliteacute magneacutetique

Diffeacuterentes cateacutegories de mateacuteriaux magneacutetiques

ndash diamagneacutetiques χm sim minus10minus5 lt 0ndash paramagneacutetiques χm sim 10minus4 gt 0ndash ceux pour lesquels χm ≪ 1 qui ne sont pas lineacuteaires

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 130

130 [2] Physique

Champ magneacutetique dans les mateacuteriaux lineacuteaires

BBB = micro0microrHHH

micror = 1 + χm

BBB champ magneacutetiqueHHH excitation magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du videmicror permeacuteabiliteacute relativeχm susceptibiliteacute magneacutetique

Diamagneacutetiques

χm = minusnmicro0Ze2

6melt r2 gt

χm susceptibiliteacute magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du viden densiteacute particulaireZ charge du noyaue charge eacuteleacutementaireme masse de lrsquoeacutelectronlt r2 gt distance moyenne de lrsquoeacutelec-tron au noyau

Paramagneacutetiques

χm =nmicro0m

2

3kT

χm susceptibiliteacute magneacutetiquen densiteacute particulairemicro0 permittiviteacute du videm moment magneacutetiquek constante de BoltzmannT tempeacuterature

Aimantation cycle drsquohysteacuteresis

M aimantationH excitation magneacutetiqueMr aimantation reacutemanenteHc champ coercitif

Dispositif de mesure de HHH et de BBB

RRC

e t( ) u2

u1

~

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 131

7 Ondes 131

H(t) =N1

ℓRu1(t)

B(t) =RC

N2Su2(t)

H valeur de lrsquoexcitation magneacute-tiqueB valeur du champ magneacutetiqueN1 nombre de spires du primaireN2 nombre de spires du secondaireℓ longueur du toreS section du tore

7 Ondes

71 Oscillateurs coupleacutes

Couplage par un ressort

K km m

x1 x2

K mx1 = minusk(x1 minus x2)minus Kx1 (1)

mx2 = minusk(x2 minus x1)minus Kx2 (2)

ReacutesolutionDans ces cas simples on combine lineacuteairement les eacutequations (1) et (2)

s = (1) + (2)

d = (1)minus (2)

s + ω2s s = 0

d + ω2dd = 0

Modes propres

ωs =

radicK

mωd =

radic2k + K

m

Le systegraveme drsquooscillateurs coupleacutes vibre uniquement agraveωs si d = 0 crsquoest-agrave-dire si les oscillateurs sont lanceacutes en phaseLe systegraveme drsquooscillateurs coupleacutes vibre uniquement agraveωd si s = 0 crsquoest-agrave-dire si les oscillateurs sont lanceacutes en opposition de phase

c copyDuno

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 132

132 [2] Physique

BattementsSi le couplage est fort et que lrsquoon eacutecarte un seul oscillateur de lrsquoeacutequi-libre on observe un pheacutenomegravene de battements

x

t

ReacutesonanceSi on force lrsquooscillateur agrave osciller on observera aux pulsations ωs et ωddes reacutesonances

x

wws wd

72 Eacutequation de drsquoAlembert - Ondes stationnaires

Eacutequation de drsquoAlembert

∆F =1c2

part2Fpartt2

F(rrr t) une grandeur physique quiveacuterifie lrsquoeacutequation de drsquoAlembertc vitesse de propagation de lrsquoonde∆ laplacien

Solutions de lrsquoeacutequation de drsquoAlembert agrave une dimension

F(x t) = f(tminus x

c

)+ g

(t +

x

c

) f partie onde progressive de la so-lutiong partie onde reacutegressive de la solu-tion

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 133

7 Ondes 133

Onde stationnaire

F(rrr t) = f (r)g(t)Dans le cas drsquoune onde stationnaireil y a deacutecouplage entre le temps et lerepeacuterage spatial

Onde plane progressive harmonique (OPPH)

F = F0 cos (ωtminus kkk middotOMOMOM)

F = F0ei(ωtminuskkkmiddotOMOMOM)

kkk =ω

cuuu

Ces notations sont intrinsegraveques agravelrsquoOPPHF la grandeur physique qui deacutecritlrsquoondekkk vecteur drsquoonde donnant la direc-tion de propagationOMOMOM vecteur positionuuu vecteur unitaire selon la direc-tion de propagationω pulsation de lrsquoondec vitesse de propagation de lrsquoonde

Onde plane progressive harmonique notation complexe

partmiddotpartt

= iωmiddot

nablamiddot = minusikmiddot

Lorsqursquoon utilise la notationcomplexe les opeacuterateurs usuelsprennent des formes tregraves simples

Onde sur une file drsquoatomes ndash Onde sur une corde

part2ξn

partx2=

1c2

part2ξn

partt2

c =

radicka2

m

part2ypartx2

=1c2

part2ypartt2

c =

radicT0ρl

ξn le deacuteplacement du ne atomek constante de raideur des res-sortsa distance au repos entre deuxatomesm masse drsquoun atome

y ordonneacutee du pointT0 tension au repos de la cordeρl masse lineacuteique de la cordec copy

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 134

134 [2] Physique

73 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans le vide

Eacutequations de propagation des champs

∆EEE =1c2

part2EEEpartt2

∆BBB =1c2

part2BBBpartt2

c =1radic

ε0micro0

EEE champ eacutelectriqueBBB champ magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du videε0 permittiviteacute du vide

Vecteur drsquoonde drsquoune OPPH

kkk = kuuu

k =ω

c=

2πλ

kkk vecteur drsquoondeuuu vecteur unitaire directeurω pulsation de lrsquoondeλ longueur drsquoonde de lrsquoondec vitesse de propagation delrsquoonde

Champs transverses

div E = 0 = minusikkkEEE

div B = 0 = minusikkkBBB

kkk vecteur drsquoondeEEE champ eacutelectriqueBBB champ magneacutetiqueEEE et BBB sont orthogonaux agrave la di-rection de propagation

Relation de dispersion ndash Relation de structure

k =ω

cBBB =

kkkωandEEE

Repreacutesentation du champ eacutelectromagneacutetique dans le vide

z

E

B

x

y

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 135

7 Ondes 135

Polarisation

ndash elliptique

EEE(z = 0 t) =

(E0x cosωtE0y cos(ωt + ϕ)

)x

y

EOy

Eox

Egauch

e

droi te

ndash circulaire

EEE(z = 0 t) =

(E0 cosωtE0 sinωt

)

ndash rectiligne

EEE(z = 0 t) =

(E0x cosωtE0y cosωt

)x

EOy

Eox

E

y

Lames agrave retard

Une lame 14 drsquoonde deacutephase deπ2ndash une onde polariseacutee rectilignementressort de ce type de lame polariseacuteeelliptiquementndash une onde polariseacutee elliptiquementressort de ce type de lame polariseacuteerectilignement

Une lame 12 drsquoonde deacutephase deπndash une onde polariseacutee ellipti-quement droite ressort elliptiquegauche de ce type de lamendash une onde polariseacutee rectiligne-ment ressort symeacutetrique par rap-port agrave son axe lent de ce type delamec copy

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 136

136 [2] Physique

Vecteur de Poynting

ΠΠΠ = EEE and BBBmicro0

=E2

micro0cuuu =

εB2

cuuu

ΠΠΠ = EEE and BBBlowast

micro0

ΠΠΠ vecteur de PoyntingEEE champ eacutelectriqueBBB champ magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Rayonnement dipolaire

M

uq

ur

p

uj

q

jx

z

y

r

O

BBB =micro0 sin θ

4πrcp(tminus r

c

)uuuϕ

EEE =micro0 sin θ

4πrp(tminus r

c

)uuuθ

BBB champ magneacutetiqueEEE champ eacutelectriquep moment dipolairemicro0 permeacuteabiliteacute du videc vitesse de la lumiegravere dans levide

Puissance rayonneacutee en reacutegime sinusoiumldal

ltPgt=micro0p

20ω

4

12πc

p = p0 cos(ω0t + ϕ)

lt P gt puissance moyennerayonneacuteep moment dipolairec vitesse de la lumiegravere dans levidemicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 137

7 Ondes 137

74 Dispersion ndash Absorption

Relation de dispersion

k(ω) = kprime(ω) + ikprimeprime(ω)

k(ω) vecteur drsquoondekprime(ω) partie reacuteelle du vecteurdrsquoondekprimeprime(ω) partie imaginaire du vecteurdrsquoondeω pulsation de lrsquoonde

Vitesse de phase ndash Vitesse de groupe

vϕ =ω

kprime

vg =partω

partkprime

vϕ vitesse de phasevg vitesse de groupeω pulsation de lrsquoondekprime partie reacuteelle du vecteur drsquoondevϕ est la vitesse de propagation delrsquoamplitude et vg est en geacuteneacuteral lavitesse de propagation de lrsquoeacutener-gie

Absorption

δ =1|kprimeprime|

δ profondeur caracteacuteristique delrsquoabsorptionkprimeprime partie imaginaire du vecteurdrsquoonde

Repreacutesentation du champ eacutelectromagneacutetique dans les meacutetaux

z

E

B

x

y

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 138

138 [2] Physique

75 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans les milieux mateacuteriels

Polarisation

PPP =dpppdτ

ρp = minusdiv P

jjjp =partPPPpartt

ppp moment dipolairePPP polarisationρp charges dues agrave la polarisationjjjp vecteur courant de polarisation

Aimantation

MMM =dmmmdτ

jjja = rot M

mmm moment magneacutetiqueMMM aimantationjjja vecteur courant drsquoaimantation

Vecteurs HHH et DDD

HHH =BBBmicro0minusMMM

DDD = ε0EEE +PPP

HHH vecteur excitation magneacutetiqueBBB champ magneacutetiqueDDD vecteur DEEE champ eacutelectriqueMMM aimantationPPP polarisationmicro0 permeacuteabiliteacute du videε0 permittiviteacute du vide

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 139

7 Ondes 139

Milieux lineacuteaires

PPP = χeEEE

DDD = εrε0EEE

εr = 1 + χe

MMM = χmHHH

BBB = micrormicro0HHH

micror = 1 + χm

HHH vecteur excitation magneacutetiqueBBB champ magneacutetiqueDDD vecteur DMMM aimantationPPP polarisationEEE champ eacutelectriquemicro0 permeacuteabiliteacute du videmicror permeacuteabiliteacute relativeε0 permittiviteacute du videεr permittiviteacute relativeχe susceptibiliteacute eacutelectrique du mi-lieuχm susceptibiliteacute magneacutetique dumilieu

Eacutequations de Maxwell dans les milieux

div D = ρlibre

rot E = minus partBBBpartt

div B = 0

rot H = jjj +partDDDpartt

DDD vecteur DEEE champ eacutelectriqueBBB champ magneacutetiquejjj vecteur courant vraiρlibre densiteacute de charges libres

Relation de dispersion ndash Indice

k2 = εrω2

c2

n =radic

εr

vϕ =c

n

k vecteur drsquoondeεr permittiviteacute relativeω pulsation de lrsquoondec vitesse de la lumiegravere dans le viden indice du milieu(En utilisant ici comme dans les cascourants lrsquoapproximation micror sim 1)c copy

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 140

140 [2] Physique

Reacuteflexion ndash Transmission

r =n1 minus n2n1 + n2

t =2n1

n1 + n2

R = r2 =

(n1 minus n2n1 + n2

)2

T = t2 =

(2n1

n1 + n2

)2

R + T = 1

r coefficient de reacuteflexion en ampli-tudet coefficient de transmission en am-plitudeR coefficient de reacuteflexion eacutenergeacute-tiqueT coefficient de transmission eacutener-geacutetiquen1 indice du milieu de lrsquoonde inci-denten2 indice du milieu de lrsquoondetransmiseR + T = 1 traduit la conservationeacutenergeacutetique

Un changement de milieu donne naissance agrave ndash une onde progressive (onde transmise)ndash une onde reacutegressive (onde reacutefleacutechie)

Relation de continuiteacute sur la seacuteparation de deux dieacutelectriques

B2B2B2 = B1B1B1

EEE2 t = EEE1 t

εr 2EEE2 n = εr 1EEE1 n

(loi de SnellndashDescartes)

On indice par 1 les grandeurs dumilieu de lrsquoonde incidente et par 2les grandeurs du milieu de lrsquoondetransmiseLe champ magneacutetique comme lacomposante tangentielle du champeacutelectrique est continue agrave la surfacedrsquoun dieacutelectriqueLe comportement de la composantenormale du champ eacutelectrique estdeacutecrite par la loi de SnellndashDescartes

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 141

Chapitre 3Chimie

1 Atomistique

11 Spectroscopie

Spectroscopie

Lors drsquoune transition eacutelectroniqueune particule eacutemet un rayonne-ment deacutecrit par

∆E = hν

Relation de De Broglie

λ =hmv

h constante de Planckν freacutequence du rayonnementeacutemis par la particuleλ longueur drsquoonde du rayonne-ment eacutemis par la particulem masse de la particulev vitesse de la particule

c copyDuno

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Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 142

142 [3] Chimie

La relation de Ritz eacutetablit que

ν = RH middot c(

1n2minus 1

m2

)(nm) isin N2

ν freacutequence de rayonnementRH constante de Rydbergn nombre quantique principal duniveau eacutenergeacutetique final de la par-ticulem nombre quantique principaldu niveau eacutenergeacutetique initial de laparticulec vitesse de propagation de la lu-miegravere dans le videndash n = 1 correspond agrave la seacuterie deLyman (ultraviolet) ndash n = 2 corres-pond agrave la seacuterie de Balmer (visible)ndash n = 3 correspond agrave la seacuterie dePaschen (infrarouge)

E (eV)

0

-136

-339

Lyman

Balmer

Paschen-151

-085

n = yenn = 4

n = 3

n = 2

n = 1

12 Modegravele ondulatoire

Principe drsquoincertitude de Heisenberg

∆x middot∆px gth

∆x incertitude sur la position∆px incertitude sur la quantiteacute demouvement selon lrsquoaxe des xm masse de lrsquoatome

En meacutecanique quantique on ne peut pas connaicirctre preacuteciseacutement agrave lafois la position et la vitesse

Eacutequation de Schroumldinger en reacutegime stationnaire

H Ψ = E Ψ

intintint

espaceΨ2 dτ = 1

Ψ(rrr) fonction drsquoonderrr vecteur positionE eacutenergie totale de lrsquoeacutelectronH opeacuterateur hamiltonien appli-queacute agrave Ψ

|Ψ2| dτ repreacutesente la probabiliteacutede preacutesence de lrsquoeacutelectron dansun volume dτ autour drsquoun pointM(rrr)

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 143

1 Atomistique 143

Eacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegravene

En =minus13 6n2

Lrsquoeacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegraveneest quantifieacutee (n nombre quan-tique principal)

En = minus13 6Z2

n2

Deacutecrit lrsquoeacutenergie de lrsquoatome hydro-geacutenoiumlde (qui ne comporte qursquounseul eacutelectron)

Nombres quantiques

Principal n isin Nlowast

Deacutecrit le niveau eacutenergeacutetique delrsquoatome

En = minus13 6Z2

n2

Secondaire 0 6 l 6 nminus 1l isin N

Quantifie le module du momentcineacutetique LLL de lrsquoatome

|σσσ| =radic

l(l + 1)h

(h = h2π hconstante de Planck)

Magneacutetique minusl 6 m 6 lm isin Z

Quantifie la projection dumomentcineacutetique LOz = mh

Spin ms = plusmn 12

13 Atome polyeacutelectronique

Charge nucleacuteaire effective

Zlowasti = Zminus σi

Zlowasti charge nucleacuteaire effectiveZ numeacutero atomiqueσ constante drsquoeacutecran de Slaterc copy

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Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 144

144 [3] Chimie

Position de lrsquoeacutelectronσi

s et pσid

mecircme couche 0 035couche gt n 0 0couche nminus 1 085 1couches lt nminus 1 1 1

Eacutenergie

Ei = minus13 6Zlowast2i

n2

Zlowasti charge nucleacuteaire effectiveEi eacutenergie de lrsquoeacutelectronn nombre quantique principal

E = sumi

Ei Eacutenergie totale de la moleacutecule

Diagramme eacutenergeacutetique

E

K

L

M

N

1s2s

2p

3s

3p

3d4s

4p

niveauxeacutenergeacutetiques

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 145

1 Atomistique 145

Regravegles de remplissage des niveaux eacutelectroniques

Principe de stabiliteacute on remplitles orbitales atomiques par ordredrsquoeacutenergie croissante (regravegle de Kle-chkowsky)Principe de Pauli sur une mecircmeorbitale atomique les deux eacutelec-trons sont de spin opposeacutesPrincipe de Hund lorsque plu-sieurs orbitales atomiques sontde mecircme niveau eacutenergeacutetique leseacutelectrons occupent le maximumdrsquoorbitales atomiques

Regravegle de Klechkowsky

1 s2 s p3 s p d4 s p d f

Eacutenergie drsquoionisation

Crsquoest lrsquoeacutenergie de la reacuteaction drsquoar-rachement drsquoun eacutelectron drsquounemoleacutecule sous forme gazeuse

X(g) = X+(g) + eminus

Affiniteacute eacutelectronique

Crsquoest lrsquoeacutenergie libeacutereacutee par la reacuteac-tion de capture drsquoun eacutelectron parune moleacutecule sous forme gazeuse

X(g) + eminus = Xminus(g)

14 Architecture moleacuteculaire

Regravegle de lrsquooctetLes eacuteleacutements de la deuxiegraveme peacuteriode du tableau peacuteriodique peuventsrsquoentourer au maximum de huit eacutelectrons

Charge formelle

n = ni minus nen charge formelle de lrsquoatomeni nombre drsquoeacutelectrons de valence dans lrsquoatome isoleacutene nombre drsquoeacutelectrons de valence dans lrsquoatome lieacute

MeacutesomeacuterieCrsquoest lrsquoensemble des formules meacutesomegraveres qui modeacutelise la reacutealiteacute

O S O O S O O S O+ +ndashndash

c copyDuno

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Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 146

146 [3] Chimie

Niveau de repreacutesentativiteacute des formules meacutesomegraveresLes formules meacutesomegraveres qui veacuterifient la regravegle de lrsquooctet qui sontneutres ou dont la charge neacutegative est porteacutee par lrsquoatome le plus eacutelec-troneacutegatif sont plus repreacutesentatives que les autres

VSEPR

On compte les doublets drsquoun atome A AXpEq ougrave p nombre drsquoatomes directement lieacutes agrave A (X)q nombre de doublets libres porteacutes par A (E)Ces n = p + q doublets tendent agrave srsquoeacuteloigner au maximum les uns desautres (Theacuteorie de Gillepsie)

n = 2 moleacutecule lineacuteaire n = 3 moleacutecule trigonale

n = 4 moleacutecule teacutetraeacutedrique n = 5 moleacutecule bipyramidale agravebase triangulaire

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 147

1 Atomistique 147

n = 6 moleacutecule octaeacutedrique

15 Orbitales moleacuteculaires

Combinaison lineacuteaire des orbitales atomiques

La combinaison lineacuteaire de deuxorbitales atomiques de mecircmeeacutenergie donne naissance agrave deuxorbitales moleacuteculaires lrsquouneliante et lrsquoautre antiliante

Indice de liaison

i =nminus nlowast

2

n nombre drsquoeacutelectrons de lrsquoorbitalemoleacuteculaire liantenlowast nombre drsquoeacutelectrons de lrsquoorbi-tale moleacuteculaire antiliante

Diagramme des orbitales moleacuteculaires

Diagrammemoleacuteculaire des moleacute-cules A2 de la deuxiegraveme ligne dutableau peacuteriodique agrave partir de O2inclus Pour les autres moleacuteculesπx et πy sont plus stables que σp

2p

OM antiliante

OA2 OA1

OM liante

pz

pz

px

px

py

py

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Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 148

148 [3] Chimie

2 Cineacutetique

Avancement de la reacuteaction

dξ =dniνi

ξ avancement de la reacuteactionνi nombre stœchiomeacutetrique algeacute-brique (νi gt 0 pour un produit etνi lt 0 pour un reacuteactif)ni quantiteacute de matiegravere eacutechangeacutee

Quantiteacute de matiegravere en cours de reacuteaction

ni = ni0 + νiξ

ni quantiteacute de matiegravere agrave la date tni0 quantiteacute de matiegravere initialeνi nombre stœchimeacutetrique algeacute-briqueξ avancement

Vitesse de reacuteaction

r =1νi

dcidt

=1V

dt

r vitesse de la reacuteactionνi nombre stœchiomeacutetrique algeacute-briqueci concentrationξ avancementV volume du reacuteacteur

Ordre drsquoune reacuteaction

ν1A1 + ν2A2 rarr νprime1Aprime1 + νprime2A

prime2

v = k[A1]p1 [A2]

p2

k constante de vitesse de la reacuteac-tion[Ai] concentration de lrsquoespegravece Aipi ordre partiel en Ai

sumi

pi = p ordre global de la reacuteac-

tion

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 149

2 Cineacutetique 149

Deacutegeacuteneacuterescence de lrsquoordre

Si [A2]0 ≫ [A1]0 alors v =kprime[A1]

p1

kprime = k[A2]p20 constante de vitesse

apparente de la reacuteactionp1 ordre apparent de la reacuteaction

Loi de Vanrsquot HoffLorsque la reacuteaction est un processus eacuteleacutementaire les ordres partiels seconfondent avec les coefficients stœchiomeacutetriques et lrsquoordre total agrave lamoleacuteculariteacute

Loi drsquoArrheacutenius

dln k

dT=

Ea

RT2

k constante de vitesseEa eacutenergie drsquoactivationR constante des gaz parfaitsT tempeacuterature

Loi de vitesse drsquoune reacuteaction drsquoordre 1

c = c0eminuskt c concentration de lrsquoespegravece

c0 concentration initialek constante de vitesse

t12 =ln 2αk

Le temps de demi-reacuteaction estindeacutependant de c0 (α eacutetant lenombre stœchiomeacutetrique du reacuteac-tif limitant)

AEQS theacuteoregraveme de Bodenstein

d[A]

dt= 0

Conditions drsquoapplication de lrsquoAp-proximation des Eacutetats Quasi Sta-tionnaires ndash [A] tregraves faiblendash A espegravece tregraves reacuteactive (intermeacute-diaire reacuteactionnel)

Longueur de chaicircne

l =vitesse de disparition reacuteactif

vitesse drsquoinitiation

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 150

150 [3] Chimie

3 Cristallographie

31 Geacuteneacuteraliteacutes

Deacutefinitions

Reacuteseau disposition spatiale desnoeuds

Motif description des entiteacutes quioccupent ces noeuds

Compaciteacute Rapport entre le vo-lume de lamaille et le volume reacuteel-lement occupeacute par les entiteacutes de lamaille

Coordinence nombre drsquoentiteacutes encontact avec une autre entiteacute

Une maille est entiegraverement deacutecritepar son reacuteseau et son motif

32 Mailles et sites dans les cristaux meacutetalliques

Maille hexagonale compacte

Coordinence 12Compaciteacute 0 742 atomes par maille

Maille cubique agrave faces centreacutees

Coordinence 12Compaciteacute 0 744 atomes par maille

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 151

3 Cristallographie 151

Maille cubique centreacutee

Coordinence 8Compaciteacute 0 682 atomes par maille

Sites octaeacutedriques

Dimension rO = (radic2minus 1)r

ndash Au centre et au milieu de chaquearrecircte du la maille cubique face cen-treacutee (4 sites par maille)

ndash Agravec

4et

3c4

dans la maille hexago-

nale compacte (2 sites par maille)

Sites teacutetraeacutedriques

Dimension rT = (

radic32minus 1)r

ndash Au centre de huit petits cubes

drsquoarrecirctea

2dans la maille cubique

face centreacutee (8 sites par maille)

ndash Agravec

8et

7c8

sur chaque cocircteacute vertical

dans lrsquohexagonale compacte (4 sitespar maille)

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 152

152 [3] Chimie

33 Cristaux ioniques

Chlorure de ceacutesium (CsCl)

Les ions Clminus forment un reacuteseau cu-bique (1 atome par maille)Les ions Cs+ sont aux centres de cescubes (1 atome par maille)Coordination [8-8]Structure adopteacutee si radic

3minus 1 6r+rminus

lt 1

Cl-

Cs+

Chlorure de sodium (NaCl)

Les ions Clminus forment un reacuteseau cu-bique faces centreacutees (4 atomes parmaille)Les ions Na+ occupent les sites oc-taeacutedriques de ce reacuteseau (4 atomespar maille)Coordination [6-6]Structure adopteacutee si radic

2minus 1 6r+rminus

ltradic3minus 1

Cl-

Na+

Blende (ZnS)

Les ions Zn2+ forment un reacuteseaucubique faces centreacutees (4 atomes parmaille)Les ions S2minus occupent un site teacutetra-eacutedrique sur deux dans le reacuteseau preacute-ceacutedent (4 atomes par maille)Coordination [4-4]Structure adopteacutee si

0 6r+rminus

ltradic2minus 1

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 153

4 Thermodynamique 153

4 Thermodynamique

La thermodynamique a deacutejagrave eacuteteacute abordeacutee au cours du chapitre de physiqueIl est conseilleacute de se reporter agrave cette section les notions preacutealablement trai-teacutees nrsquoeacutetant pas agrave nouveau abordeacutees ici

41 Fonctions drsquoeacutetat

Deacutefinition

Xi =

(partXpartni

)

Tpn j 6=ni

X fonction drsquoeacutetat extensiveXi grandeur molaire partielle re-lative au composeacute Aini quantiteacute de matiegravere du consti-tuant Ai

Relation de GibbsndashDuhem

sumi

ni dXi Tp = 0

ni quantiteacute de matiegravere du consti-tuant AidXi Tp grandeur standard de reacute-action concernant le constituant Aiagrave T et p constantes

Grandeurs de reacuteaction associeacutees aux fonctions drsquoeacutetat

∆rX = sumi

νiXi =

(partXpartξ

)

Tp

∆rX grandeur de reacuteactionνi nombre stœchiomeacutetrique rela-tif au composeacute AiXi grandeur molaire partielle re-lative au corps Ai

Relation de GibbsndashHelmoltz

partpartT

(∆rG

T

)= minus∆rH

T2

∆rG enthalpie libre de reacuteaction∆rH enthalpie de reacuteactionT tempeacuterature

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 154

154 [3] Chimie

42 Potentiel chimique

Deacutefinition

microi =

(partGpartni

)

Tpn j 6=ni

microi =

(partUpartni

)

VSn j 6=ni

microi =

(partHpartni

)

pSn j 6=ni

microi =

(partFpartni

)

VTn j 6=ni

microi potentiel chimique du com-poseacute AiUH FG eacutenergie interne enthal-pie eacutenergie libre enthalpie libreT pV tempeacuterature pression vo-lumeni quantiteacute de matiegravere du com-poseacute Ai

Condition drsquoeacutequilibre physique

microϕ1 = microϕ2

Le potentiel chimique du corps purdans les deux phases est le mecircmemicroϕi potentiel chimique du corpspur dans la phase i

Eacutevolution vers un eacutetat drsquoeacutequilibre

Srsquoil nrsquoest pas agrave lrsquoeacutequilibre le corps pur passe irreacuteversiblement de laphase de plus haut potentiel chimique vers la phase de plus bas po-tentiel chimique et ce jusqursquoagrave lrsquoobtention de lrsquoeacutegaliteacute preacuteceacutedente

Potentiel drsquoun gaz

microi(g) = micro0i(g) + RT ln

pip0

microi(g) potentiel chimique du gazAi

micro0i(g)

potentiel chimique standard

du gaz Ai (agrave la pression p0)R constante des gaz parfaitsT tempeacuteraturepi pression partielle du gaz Ai

p0 pression standard (1 bar = 105Pa)

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 155

4 Thermodynamique 155

Potentiel drsquoun soluteacute

microi(s) = micro0i(s) + RT ln

cic0

R constante des gaz parfaitsT tempeacuteratureci concentration du composeacute Ai

c0 concentration standard(1 mol middot Lminus1)

43 Grandeurs standards de reacuteaction

Enthalpie standard de reacuteaction

∆rH0 = sum

i

νiH0i

∆rH0 enthalpie standard de reacuteac-

tionνi nombre stœchiomeacutetrique ducomposeacute Ai

H0i enthalpie standard molaire de

Ai pris dans son eacutetat standard

Entropie standard de reacuteaction

∆rS0 = sum

i

νiS0i

∆rS0 entropie standard de reacuteac-

tionνi nombre stœchiomeacutetrique ducomposeacute Ai

S0i entropie standard molaire deAi pris dans son eacutetat standard

Enthalpie libre standard de reacuteaction

∆rG0 = sum

i

νiG0i

∆rG0 enthalpie libre standard de

reacuteactionνi nombre stœchiomeacutetrique ducomposeacute Ai

G0i enthalpie libre standard mo-

laire de Ai pris dans son eacutetat stan-dard

c copyDuno

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toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 156

156 [3] Chimie

Relation entre grandeurs de reacuteaction

∆rG0 = ∆rH

0 minus T∆rS0

∆rS0 entropie standard de reacuteac-

tion∆rH

0 enthalpie standard de reacuteac-tion∆rG

0 enthalpie libre standard dereacuteactionT tempeacuterature

Premiegravere loi de Kirchhoff

d∆rH0

dT= ∆rC

0p = sum

i

νiC0pi

∆rH0 enthalpie standard de reacuteac-

tionC0pi capaciteacute thermique mo-

laire du constituant Ai agrave pressionconstanteνi nombre stœchimeacutetrique ducomposeacute AiT tempeacuterature

Deuxiegraveme loi de Kirchhoff

d∆rS0

dT=

∆rC0p

T= sum

i

νiC0pi

T

∆rS0 entropie standard de reacuteac-

tionC0pi capaciteacute thermique mo-

laire du constituant Ai agrave pressionconstanteνi nombre stœchimeacutetrique ducomposeacute AiT tempeacuterature

Relations de GibbsndashHelmoltz

∆rS0 = minusd∆rG

0

dT

∆rH0 = minusT2 d

dT

(∆rG

0

T

)

∆rS0 entropie standard de reacuteac-

tion∆rH

0 enthalpie standard de reacuteac-tion∆rG

0 enthalpie libre standard dereacuteactionT tempeacuterature

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 157

4 Thermodynamique 157

Relation de Hess

∆rH0 = sum

i

νi∆ fH0i

∆rG0 = sum

i

νi∆ fG0i

∆rH0 enthalpie standard de reacuteac-

tion∆rG

0 enthalpie libre standard dereacuteaction∆fH

0 enthalpie standard de for-mation du composeacute Ai (nulle pourles corps purs)∆fG

0 enthalpie libre standard deformation du composeacute Ai

Cycle de BornndashHaberCrsquoest un cycle thermodynamique qui permet de calculer avec la loide Hess lrsquoenthalpie de standard de reacuteaction en deacutecomposant les reacuteac-tifs en atomes et en recomposant ces mecircmes atomes pour former lesproduits

44 Eacutequilibres chimiques

Deacutefinition de lrsquoaffiniteacute chimique

A = minussumi

νimicroi = minus∆rG

A affiniteacute chimique∆rG

0 enthalpie libre standard dereacuteactionνi nombre stœchiomeacutetrique ducomposeacute Aimicroi potentiel chimique du com-poseacute Ai

Expression de lrsquoaffiniteacute

A = A0 minus RT ln

(

prodi

aνi

i

)

A affiniteacute chimiqueA0 affiniteacute chimique standardai activiteacute du composeacute Aiνi nombre stœchimeacutetrique ducomposeacute AiR constante des gaz parfaitsT tempeacuterature

c copyDuno

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nonau

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ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 158

158 [3] Chimie

Condition drsquoeacutequilibre

A = 0

Dans ce cas

A0 = RT lnK0 = RT ln

(

prodi

aνi

i

)

K0 est la constante drsquoeacutequilibre dela reacuteaction

Sens drsquoeacutevolution

A middot dξ gt 0

Si A gt 0 dξ gt 0 il y a eacutevolution

dans le sens 1minusrarrSi A lt 0 dξ lt 0 il y a eacutevolution

dans le sens 2larrminusConstante drsquoeacutequilibre

K0(T) = prodi

aνi

i eacutequilibre

K0(T) constante drsquoeacutequilibre de lareacuteaction qui ne deacutepend que de latempeacuteratureai eacutequilibre coefficient drsquoactiviteacute ducomposeacute Ai agrave lrsquoeacutequilibreνi nombre stœchiomeacutetrique ducomposeacute Ai

Tempeacuterature drsquoinversion

∆rG0(Ti) = 0

K0(Ti) = 1

Agrave cette tempeacuterature la reacuteaction

preacutepondeacuterante passe du sens 1minusrarrau sens 2larrminus

Effet de la tempeacuterature loi de Vanrsquot Hoff

dlnK0

dT=

∆rH0

RT2

K0 constante drsquoeacutequilibre de la reacute-action∆rH

0 enthalpie standard de la reacute-actionR constante des gaz parfaitsT tempeacuterature

Une augmentation de la tempeacuterature deacuteplace la reacuteaction dans le sensendothermique

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 159

4 Thermodynamique 159

Effet de la pression loi de Le ChacirctelierUne augmentation de la pression deacuteplace lrsquoeacutequilibre dans le sens dediminution de la quantiteacute de matiegravere de gaz (∆νgaz lt 0)

Introduction drsquoun constituant actif

dA = RT(

∆νgaz minusνi

xi

)dnin

dA variation de lrsquoaffiniteacuteνi nombre stœchimeacutetrique ducomposeacute Aixi titre molaire du composeacute Ain quantiteacute de matiegravere totaledni variation de quantiteacute de ma-tiegravere du composeacute Ai

Ajout drsquoun constituant inactif

dA = RT∆νgazdnn

dA variation de lrsquoaffiniteacuten quantiteacute de matiegraveredn variation de quantiteacute de ma-tiegravere du constituant introduit

Variance ndash Regravegle des phases de Gibbs

v = c + 2minusϕ

c = nminus kminus r

v variancec nombre de constituants indeacute-pendantsϕ nombre de phasesn nombre de constituantsk nombre de relations entre lesconstituantsr relation particuliegraveres (imposeacuteespar le manipulateur)

c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 160

160 [3] Chimie

45 Eacutequilibres liquidendashvapeur

Loi de Raoult

pi = plowasti xli

pi pression partielle du composeacuteAiplowasti pression saturante du com-poseacute Ai

xli titre molaire de Ai liquide

Loi de Henry

pi = kxli

pi pression partielle du composeacuteAik 6= plowasti constante de Henryxli titre molaire de Ai liquide

Solution ideacuteale deacutefinitionUne solution est dite ideacuteale si toutes les interactions entre les espegravecesqui la composent sont identiques interactions A1ndashA1A2ndashA2 et A1ndashA2

Diagramme binaire drsquoune solution ideacuteale

p2

p1

p

vapeur

liquide

courbe drsquoeacutebullition

courbe de roseacuteeliquide + vapeur

x2

Eacutequations des courbes

Courbe drsquoeacutebullition

p = plowast1 + (plowast2 minus plowast1)xl2

Courbe de roseacutee

p =plowast1plowast2

plowast2 minus (plowast2 minus plowast1)xv2

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 161

4 Thermodynamique 161

Diagrammes isothermes

p2

p

p1

vapeur

liquide

liquide + vapeur

x2

Fuseau simple

p2

p

p1 vapeur

liquide

liquide

+ vap

eur

x2

Azeacuteotrope positif

p2

p

p1

vapeur

liquideliquide + vapeur

x2

Azeacuteotrope neacutegatif

Lrsquoazeacuteotrope est la manifestation delrsquoeacutecart de la solution par rapport agravela solution ideacuteale

Diagrammes isobares

T2

T

T1

vapeur

liquide

liquide + vapeur

x2

Fuseau simple

T2

T

T1vapeur

liquide

liquide + vapeur

x2

Azeacuteotrope positifc copyDuno

dL

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 162

162 [3] Chimie

T2

T

T1

vapeur

liquide

liquide

+ vap

eur

x2

Azeacuteotrope neacutegatif

Agrave pression constante unazeacuteotrope bout agrave tempeacuteratureconstante et donne une vapeur demecircme composition

Analyse thermique

T2

N

M

T

T1

x2

T2

TM

TN

T

t

M

N

T2

T

T1

x2

TM

TN

T

t

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 163

4 Thermodynamique 163

Theacuteoregraveme des moments

T2

LS

M

T

T1

liquide

solide

sol i dus

liquidusliquide + solide

x2x2x2

l

x2

s

nlML + nvMV = 0

nl quantiteacute de matiegravere de liquidenv quantiteacute de matiegravere de vapeurML distance algeacutebrique de M agrave lacourbe drsquoeacutebullitionMV distance algeacutebrique de M agravela courbe de roseacutee

46 Reacuteactions drsquooxydoreacuteduction

Couple redox

α ox + n eminusreacuteduction

oxydation

β red

Nombre drsquooxydation ndash DeacutefinitionCrsquoest le nombre drsquoeacutelectrons laquo perdus raquo par rapport agrave lrsquoatome neutre

Nombre drsquooxydations ndash Regravegles de deacutetermination

ndash atome isoleacute neutre no 0 ndash ion simple le nombre drsquooxyda-tions est la charge de lrsquoion ndash moleacutecule ou ion complexe

ndash entre deux atomes du mecircmeeacuteleacutement on attribue agrave chacun lrsquoundes eacutelectrons du doublet de liai-son

ndash entre deux atomes diffeacuterentson attribue les eacutelectrons de liaisonau plus eacutelectroneacutegatif

Dans tous les cas sum no = q avecq la charge de lrsquoeacutedifice atomique

Oxydant ndash Reacuteducteur

Un oxydant est une espegravece dontle nombre drsquooxydation peut dimi-nuer

Un reacuteducteur est une espegravece dontle nombre drsquooxydation peut aug-menter

c copyDuno

dL

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toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 164

164 [3] Chimie

Eacutequilibrage drsquoune eacutequation redoxPour eacutequilibrer une eacutequation on procegravede en

1 deacuteterminant le nombre drsquoeacutelectrons eacutechangeacutes avec le nombre drsquooxy-dations

2 effectuant un bilan des charges et en assurant lrsquoeacutelectroneutraliteacute avecH+ et lrsquoeacutequilibre en atomes drsquooxygegravene avec H2O

3 effectuant un bilan de matiegravere

Eacutelectrode agrave hydrogegravene

Crsquoest lrsquoeacutelectrode de reacutefeacuterencepour les mesures de poten-tiels redox (agrave toute tempeacuteratureE0(H+H2) = 0 000 V) Cetteeacutelectrode est fictive

H sous 1 bar2

Pt

pH = 0

Formule de Nernst

E = E0 +RTnF ln

aαox

aβred

aox activiteacute de lrsquooxydantared activiteacute du reacuteducteurAvec ndash a = 1 pour tout solide ou un li-quide pur dans la phase

ndash a =c

c0pour un soluteacute

ndash a =pip0

la pression partielle pour

un gaz (dans le cas des solutionsdilueacutees)E potentiel de lrsquoeacutelectrodeE0 potentiel standard du coupleredoxn nombre drsquoeacutelectrons eacutechangeacutesF = N middot e nombre de FaradayR constante des gaz parfaitsT tempeacuterature

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 165

5 Mateacuteriaux meacutetalliques 165

Formule de Nernst forme usuelle

E = E0 +0 06n

logaαox

aβred

Agrave 25˚CRTF ln 10

= 0 06

Reacuteactions aux eacutelectrodes drsquoune pile

La reacuteduction se produit agrave la ca-thodeLrsquooxydation se produit agrave lrsquoanode

On symbolise une pile par

ox1 red1︸ ︷︷ ︸pocircle neacutegatif

ox2 red2︸ ︷︷ ︸pocircle positif

Force eacutelectromotrice drsquoune pile

E = E2 minus E1

E force eacutelectromotrice (feacutem) de lapileE1 potentiel du couple consti-tuant lrsquoanodeE2 potentiel du couple consti-tuant la cathode

5 Mateacuteriaux meacutetalliques

51 Diagrammes drsquoEllingham

PrincipeOn eacutetudie la formation des oxydesrameneacutee agrave une mecircme quantiteacutede dioxygegravene reacuteaction qui srsquoeacutecritsous la forme geacuteneacuterale

α red +12O2 β ox

On trace la courbe

∆rG0 = ∆rH

0 minus T∆rS0

Approximation drsquoEllingham

Pour construire ces diagrammes on considegravere que ∆rG0 ∆rH

0 et ∆rS0

sont indeacutependants de la tempeacuterature Cette approximation est appeleacuteeapproximation drsquoEllingham

c copyDuno

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toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 166

166 [3] Chimie

Allure du diagramme

DrG ( )0

T

0 T

TF TE

changement de pente marquantun changement drsquoeacutetat

oxyde

meacutetal

Affiniteacute du systegraveme

A =12RT ln

p

pe

A affiniteacute chimiquep pression du reacuteacteurpe pression drsquoeacutequilibre agrave une tem-peacuterature donneacuteeT tempeacuteratureR constante des gaz parfaits

Corrosion drsquoun meacutetalUn meacutetal est oxydeacute par un oxyde dont la droite drsquoEllingham se situeau-dessus de sa propre droite

52 Diagrammes potentiel-pH

ConventionsConvention 1 sur le domaine frontiegravere les concentrations des deuxespegraveces sont eacutegales agrave une concentration arbitrairement choisieConvention 2 on fixe la concentration totale en un eacuteleacutement donneacute Surle domaine frontiegravere les concentrations sont reacuteparties eacutequitablement

Construction du diagramme potentielndashpH

1 On deacutetermine le degreacute drsquooxydation des espegraveces mises en jeu2 On calcule le pH frontiegravere pour les espegraveces de mecircme degreacute drsquooxy-dation3 On calcule avec la formule de Nernst lrsquoeacutequation des droites seacuteparantles domaines des espegraveces de degreacute drsquooxydation distincts

Les droites verticales marquent des reacuteactions acido-basiquesLes droites horizontales marquent des reacuteactions redox

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 167

5 Mateacuteriaux meacutetalliques 167

Deacutefinition du pH

pH = minus log(

[H3O+]

c0

)La relation ci-contre nrsquoest valableqursquoen milieux dilueacutes[H3O+] concentration en ionsH3O+ dans le milieuc0 concentration standard(1 mol middot Lminus1)

Produit ionique de lrsquoeau

Ke =[H3O+] middot [OHminus]

(c0)2= 10minus14

pKe = minus log Ke = 14

Ke produit ionique de lrsquoeau[H3O+] concentration en ionsH3O+ dans le milieu[OHminus] concentration en ionsOHminus dans le milieuc0 concentration standard

Constante drsquoaciditeacute drsquoun couple acidobasique

HA + H2O Aminus + H3O+

Ka =[H3O+] middot [Aminus]

[HA] middot c0

pKa = minus log Ka

Ka constante drsquoaciditeacute du coupleacidobasique (ne deacutepend que de latempeacuterature)[H3O+] concentration en ionsH3O+ dans le milieu[HA] concentration de lrsquoespegraveceacide dans le milieu[Aminus] concentration de lrsquoespegravecebasique dans le milieuc0 concentration standard

c copyDuno

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toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 168

168 [3] Chimie

Principaux diagrammes potentiels ndash pH

E

0 1

01

pH

Fe3 +

Fe2 +

Fes

Zns

Zn2 +

Zn(OH)s

Zn(OH)4

2 -

Fe(OH)2

Fe(OH)3

Cu O2

Cu(OH)2

Cu2 +

Cus

Diagramme potentiel ndash pH de lrsquoeau

Le couple H2 H2O est repreacutesenteacute par une droite de pente minus0 06 etdrsquoordonneacutee agrave lrsquoorigine 0 00 V

Le couple H2O OHminus est repreacutesenteacute par une droite de pente minus0 06et drsquoordonneacutee agrave lrsquoorigine 1 23 V

53 Courbes intensiteacutendashpotentiel

Tension minimale agrave appliquer

U gt∆rG

2F

U tension appliqueacutee∆rG enthalpie libre de la reacuteactionF nombre de Faraday

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 169

5 Mateacuteriaux meacutetalliques 169

Intensiteacute du courant ndash Vitesse de reacuteaction

i = nFdξ

dt

v =1V

dt

i intensiteacute du courantn nombre drsquoeacutelectrons eacutechangeacutesau cours de la reacuteactionF nombre de Faradayξ avancement de la reacuteactionV volume de solution eacutelectrolyteLa vitesse de reacuteaction et lrsquointen-siteacute sont proportionnelles

Montage expeacuterimental

Egeacuteneacuterateur

microampegraveremegravetre(galvanomegravetre)

eacutelectrodes de travail

eacutelectrodede reacutefeacuterence

millivoltmegravetre

mAmV

Systegraveme lent ndash Systegraveme rapide

Systegraveme rapideSystegraveme lent (existence de surten-sions ηA et ηC respectivement ano-diques et cathodiques)

i

v

i

vhAhC

c copyDuno

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apho

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toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 170

170 [3] Chimie

Courant limite de diffusion

i

i lim

v

Le pheacutenomegravene de diffusion limitela vitesse de deacuteplacement des eacutelec-trons il existe donc un courant li-mite

Tension agrave appliquer

U = EA minus EC︸ ︷︷ ︸thermodynamique

+ ηA minus ηC︸ ︷︷ ︸cineacutetique

+ri

U tension agrave appliquerEA potentiel du couple delrsquoanodeEC potentiel du couple de la ca-thodeηA surtension anodiqueηC surtension cathodiquer reacutesistance interne de lrsquoeacutelectro-lytei intensiteacute du courant

54 Corrosion

Reacuteaction de corrosion

M + ox minusrarr Mn+ + red

M meacutetal qui va ecirctre corrodeacuteox un meilleur oxydant que lemeacutetalMn+ cation associeacute au meacutetal dansun couple redoxred reacuteducteur associeacute agrave lrsquooxydantox

Corrosion avec des eacutelectrodes diffeacuterentes

Quand les eacutelectrodes sont diffeacuterentes crsquoest le meacutetal qui a le plus petitpotentiel redox qui se corrode

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 171

5 Mateacuteriaux meacutetalliques 171

Corrosion avec des eacutelectrodes identiquesDans le cas drsquoune pile de concen-tration crsquoest le meacutetal qui plongedans la solution la plus dilueacutee quise corrode

Crsquoest le meacutetal qui plonge dans lasolution la moins aeacutereacutee qui se cor-rode

Domaines de corrosion drsquoimmuniteacute et de passivationndash On appelle domaine de corrosion le(s) domaine(s) drsquoun diagrammeEndashpH ougrave le meacutetal se retrouve sous forme drsquoionsndash On appelle domaine drsquoimmuniteacute le domaine drsquoun diagramme EndashpHougrave le meacutetal est stable (il nrsquoest pas corrodeacute)ndash On appelle domaine de passivation le domaine drsquoun diagramme EndashpH ougrave le meacutetal se retrouve sous forme de preacutecipiteacute qui est susceptiblede former une couche protectrice agrave la surface du meacutetal

c copyDuno

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apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 172

Annexe A mformulairetex 2772008 2251Page 173

Annexe APrimitives usuelles

Primitive Intervalleint dtt

= ln |t|+ k Rlowastint

cos t dt = sin t + k Rint dt

cos2 t= tan t + k R

π

2+ kπ

k isin Z

int dtcos t

= ln∣∣∣∣tan

(t

2+

π

4

)∣∣∣∣+ k R π

2+ kπ

k isin Z

inttan t dt = minus ln | cos t|+ k R

π

2+ kπ

k isin Z

intch t dt = sh t + k R

int dt

ch2 t= th t + k R

int dtch t

= 2Arctan et + k R

intth t dt = ln ch t + k R

intemt dt =

1memt + k (m isin Clowast) R

inttα dt =

tα+1

α + 1+ k (α isin Rminus minus1) R

intsin t dt = minus cos t + k R

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Annexe A mformulairetex 2772008 2251Page 174

174 [A] Primitives usuelles

int dt

sin2 t= minus cot t + k R kπ k isin Z

int dtsin t

= ln∣∣∣∣tan

t

2

∣∣∣∣+ k R kπ k isin Z

intcot t dt = ln | sin t|+ k R kπ k isin Z

intsh t dt = ch t + k R

int dt

sh2 t= minus coth t + k Rlowast

int dtsh t

= ln∣∣∣∣th

t

2

∣∣∣∣+ k Rlowast

intcoth t dt = ln | sh t|+ k R

intat dt =

at

ln a+ k (a isin Rlowast+ minus 1) R

Dans la suite on suppose a isin Rlowastint dt

t2 + a2=

1aArctan

t

a+ k R

int dtradica2 minus t2

=

Arcsin t

|a| + k

minusArccos t|a| + k

]minus a a[

int dtradict2 + a2

=

Argsh t

|a| + k

ln(t +radict2 + a2

)+ k

R

int dtradict2 minus a2

=

Argcht

|a| + k

ln(t +radic

t2 minus a2)

+ k]|a|+infin[

minusArgch∣∣∣∣t

a

∣∣∣∣+ k

ln∣∣∣t +

radict2 minus a2

∣∣∣+ k]minusinfin |a|[

int dtradict2 + b

= ln∣∣∣t +

radict2 + b

∣∣∣ + k (b isinRlowast)

R [minusb b]

int dtt2 minus a2

=

Argth t + k ]minus 1 1[12a

ln(tminus a

t + a

)+ k Rminus minusa a

Annexe B mformulairetex 2772008 2251Page 175

Annexe BDeacuteveloppements limiteacutes

Principaux deacuteveloppements limiteacutes1

1minus x= 1 + x + x2 + x3 + middot middot middot+ xn + o(xn)

(1+x)α =1+αx+α(αminus1)

2x2+middot middot middot+α(αminus1) middot middot middot (αminusn+1)

nxn+ o

xrarra(xn)

radic1+x = 1+

12xminus 1

2 middot 4 x2+middot middot middot+(minus1)nminus1 1 middot 3 middot 5 middot middot middot (2nminus3)

2 middot 4 middot 6 middot middot middot 2n xn+o(xn)

1radic1 + x

= 1 minus 12x +

1 middot 32 middot 4 x

2 + middot middot middot + (minus1)n 1 middot 3 middot 5 middot middot middot (2nminus 1)2 middot 4 middot 6 middot middot middot 2n xn +

o(xn)

ln(1 + x) = xminus x2

2+

x3

3minus x4

4+ middot middot middot+ (minus1)n+1 x

n

n+ o(xn)

ln(1minus x) = minusxminus x2

2minus x3

3minus x4

4minus middot middot middot minus xn

n+ o(xn)

ln(a + x) = ln a +x

aminus x2

2a2+

x3

3a3+ middot middot middot+ (minus1)n+1 x

n

an+ o(xn)

ex = 1 + x +x2

2+

x3

3+ middot middot middot+ xn

n+ o(xn)

c copyDuno

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ndeacutelit

Annexe B mformulairetex 2772008 2251Page 176

176 [B] Deacuteveloppements limiteacutes

cos x = 1minus x2

2+

x4

4minus x6

6+ middot middot middot+ (minus1)n x2n

(2n)+ o(x2n+1)

ch x = 1 +x2

2+

x4

4+

x6

6+ middot middot middot+ x2n

(2n)+ o(x2n+1)

sin x = xminus x3

3+

x5

5minus x7

7+ middot middot middot+ (minus1)n x2n+1

(2n + 1)+ o(x2n+2)

sh x = x +x3

3+

x5

5+

x7

7+ middot middot middot+ x2n+1

(2n + 1)+ o(x2n+2)

tan x = x +x3

3+

215

x5 +17315

x7 + o(x7)

th x = xminus x3

3+

215

x5 minus 17315

x7 + o(x7)

Arccos x =π

2minus x minus 1

2x3

3minus middot middot middot minus 1 middot 3 middot 5 middot middot middot (2nminus 1)

2 middot 4 middot 6 middot middot middot 2nx2n+1

2n + 1+

o(x2n+2)

Arcsin x = x +12x3

3+ middot middot middot+ 1 middot 3 middot 5 middot middot middot (2nminus 1)

2 middot 4 middot 6 middot middot middot 2nx2n+1

2n + 1+ o(x2n+2)

Arctan x = xminus x3

3+

x5

5minus x7

7+ middot middot middot+ (minus1)n x2n+1

(2n + 1)+ o(x2n+2)

Argch x nrsquoest pas deacutefini au voisinage de 0 et nrsquoadmet pas de deacutevelop-pement limiteacute au voisinage de 1 (tangente verticale)

Argsh = xminus 12x3

3+

1 middot 32 middot 4

x5

5+ middot middot middot+(minus1)n 1 middot 3 middot 5 middot middot middot (2nminus1)

2 middot 4 middot 6 middot middot middot 2nx2n+1

2n+1+

o(x2n+2)

Argth x = x +x3

3+

x5

5+ middot middot middot+ x2n+1

(2n + 1)+ o(x2n+2)

Annexe C mformulairetex 2772008 2251Page 177

Annexe CFormulestrigonomeacutetriques

1 Angles remarquables

sin 012

radic22

radic32

1 0

cos 1

radic32

radic22

12

0 minus1

tan 0

radic33

1radic3 0

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nonau

toriseacuteeestu

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Annexe C mformulairetex 2772008 2251Page 178

178 [C] Formules trigonomeacutetriques

2 Relations trigonomeacutetriques

Relations entre les rapports trigonomeacutetriques drsquoun mecircme arc

cos2 a + sin2 a = 1

tan a =sin a

cos acot a =

cos asin a

1 + tan2 a =1

cos2 a1 + cot2 a =

1

sin2 a

cos2 a =1

1 + tan2 asin2 a =

11 + cot2 a

Formules drsquoadditioncos(a + b) = cos a cos bminus sin a sin bcos(aminus b) = cos a cos b + sin a sin bsin(a + b) = sin a cos b + cos a sin bsin(aminus b) = sin a cos bminus cos a sin b

tan(a + b) =tan a + tan b

1minus tan a tan b

tan(aminus b) =tan aminus tan b

1 + tan a tan b

Formules de duplication

cos(2a) =

cos2 aminus sin2 a2 cos2 aminus 11minus 2 sin2 a

sin(2a) = 2 sin a cos a

tan(2a) =2 tan a

1minus tan2 a

Expression de cos a sin a tan a en fonction de tan a2

cos a =1minus tan2 a

21 + tan2 a

2

sin a =2 tan a

21 + tan2 a

2

tan a =2 tan a

21minus tan2 a

2

Transformations de produits en sommes

cos a cos b =12

(cos(aminus b) + cos(a + b))

sin a sin b =12

(cos(aminus b)minus cos(a + b))

sin a cos b =12

(sin(a + b) + sin(aminus b))

Annexe C mformulairetex 2772008 2251Page 179

2 Relations trigonomeacutetriques 179

sin b cos a =12

(sin(a + b)minus sin(aminus b))

cos2 a =1 + cos(2a)

2sin2 a =

1minus cos(2a)2

Transformation des sommes en produits

cos p + cos q = 2 cosp + q

2cos

pminus q

2

cos pminus cos q = minus2 sin p + q

2sin

pminus q

2

sin p + sin q = 2 sinp + q

2cos

pminus q

2

sin pminus sin q = 2 sinpminus q

2cos

p + q

21 + cos a = 2 cos2

a

21minus cos a = 2 sin2

a

2

Arcs associeacutescos(minusa) = cos a sin(minusa) = minus sin acos(π + a) = minus cos a sin(π + a) = minus sin acos(πminus a) = minus cos a sin(πminus a) = sin a

cos(π

2minus a)

= sin a sin(π

2minus a)

= cos a

cos(π

2+ a)

= minus sin a sin(π

2+ a)

= cos a

tan(π + a) = tan a cot(π + a) = cot a

tan(π

2minus a)

= cot a cot(π

2minus a)

= tan a

tan(π

2+ a)

= minus cot a cot(π

2+ a)

= minus tan a

Fonctions circulaires reacuteciproques

Arctan x + Arctan1x

2sgnx

forall(a b) isin R2

Arctan a + Arctan b =

Arctana + b

1minus absi ab lt 1

π

2sgn a si ab = 1

Arctana + b

1minus ab+ π sgn a si ab gt 1c copy

Duno

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nonau

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Annexe C mformulairetex 2772008 2251Page 180

180 [C] Formules trigonomeacutetriques

Arctan x + Arctan1x

2sgn x

Trigonomeacutetrie hyperbolique

sh x =ex minus eminusx

2ch x =

ex + eminusx

2ch(a + b) = ch a ch b + sh a sh b sh(a + b) = sh a ch b + ch a sh bch(aminus b) = ch a ch bminus sh a sh b sh(aminus b) = sh a ch bminus ch a sh b

th(a + b) =th a + th b

1 + th a th bth(aminus b) =

th a + th b

1minus th a th b

ch 2a =

ch2 a + sh2 a2 ch2 aminus 11 + 2 sh2 a

sh 2a = 2 sh a ch a

ch2 xminus sh2 x = 1

th 2a =2 th a

1 + th2 ach p + ch q = 2 cosh

p + q

2ch

pminus q

2

ch pminus ch q = 2 shp + q

2sh

pminus q

2

sh p + sh q = 2 shp + q

2ch

pminus q

2

sh pminus sh q = 2 coshp + q

2sh

pminus q

2

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 181

Annexe DOpeacuterateurs vectoriels

Cette annexe sert essentiellement en physique mais elle peut trouver sonutiliteacute en chimie (par exemple lrsquoHamiltonien comporte un laplacien) ou enmaths (notamment dans le cadre du chapitre des fonctions de plusieurs va-riables)

1 Notations

Opeacuterateur Nabla

On utilise tregraves souvent lrsquoopeacuterateur laquo Nabla raquo

partpartxpart

partypartpartz

Champs utiliseacutes par la suiteDans la suite on considegravere un champ vectoriel

AAA(M) =

Ax(x y z)Ay(x y z)Az(x y z)

iiijjjkkk

c copyDuno

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 182

182 [D] Opeacuterateurs vectoriels

On consideacuterera eacutegalement un champs vectoriel BBB et le champs scalaireV(x y z)

2 Gradient

Coordonneacutees carteacutesiennes

gradV =nablanablanablaV =

partVpartx

(x y z)

partVparty

(x y z)

partVpartz

(x y z)

Coordonneacutees cylindriques

gradV =nablanablanablaV =

partVpartr

1r

partVpartθ

partVpartz

uuur

uuuθ

uuuz

Coordonneacutees spheacuteriques

gradV =

partVpartr

1r

partVpartθ

1r sin θ

partVpartϕ

uuur

uuuθ

uuuϕ

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 183

4 Rotationnel 183

3 Divergence

Coordonneacutees carteacutesiennes

div A =partAx

partx+

partAy

party+

partAz

partz=nablanablanablaAAA

Coordonneacutees cylindriques

div A =1r

partpartr

(r middot Ar) +1r

partAθ

partθ+

partAz

partz

Coordonneacutees spheacuteriques

div A =1r2

partpartr

(r2 middot Ar) +1

r sin θ

partpartθ

(sin θAθ) +1

r sin θ

partAϕ

partϕ

4 Rotationnel

Coordonneacutees carteacutesiennes

rot A =nablanablanablaandAAA =

partpartxpart

partypartpartz

and

Ax

Ay

Az

=

partAz

partyminus partAy

partzpartAx

partzminus partAz

partxpartAy

partxminus partAx

party

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 184

184 [D] Opeacuterateurs vectoriels

Coordonneacutees cylindriques

rot A =

1r

partAz

partθminus partAθ

partzpartAr

partzminus partAx

partr1r

partpartr

(r middot Aθ)minus 1r

partAr

partθ

Coordonneacutees spheacuteriques

rot A =

1r sin θ

(part

partθ(Aϕ sin θ)minus partAθ

partϕ

)

1r

(1

sin θ

partAr

partϕminus part

partr(r middot Aϕ

)

1r

(partpartr

(r middot Aθ)minus partAr

partθ

)

5 Laplacien

Coordonneacutees carteacutesiennesLaplacien scalaire

∆V = nabla2V =part2Vpartx2

+part2Vparty2

+part2Vpartz2

= div (gradV)

Laplacien vectoriel

∆AAA =nablanablanabla2AAA =

∆Ax =part2Ax

partx2+

part2Ax

party2+

part2Ax

partz2

∆Ay =part2Ay

partx2+

part2Ay

party2+

part2Ay

partz2

∆Az =part2Az

partx2+

part2Az

party2+

part2Az

partz2

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 185

6 Relations entre les opeacuterateurs 185

Coordonneacutees cylindriquesLaplacien scalaire

∆V =1r

partVpartr

+part2Vpartr2

+1r2

part2Vpartθ2 +

part2Vpartz2

∆V =1r

partpartr

(r

partVpartr

)+

1r2

part2Vpartθ2 +

part2Vpartz2

Le Laplacien vectoriel nrsquoa pas ici drsquoexpression simple

Coordonneacutees spheacuteriquesLe Laplacien scalaire est

∆V =1r

partpartr2

(rV) +1

r2 sin2 θ

part2Vpartϕ2 +

1

r2 sin2 θ

partpartθ

(sin θ

partVpartθ

)

6 Relations entre les opeacuterateurs

Opeacuterateur A middot grad

(BBBgrad)AAA =

(BBBnablanablanabla) Ax

(BBBnablanablanabla) Ay

(BBBnablanablanabla) Az

=

BxpartAx

partx+ By

partAx

party+ Bz

partAx

partz

BxpartAy

partx+ By

partAy

party+ Bz

partAy

partz

BxpartAz

partx+ By

partAz

party+ Bz

partAz

partz

En coordonneacutees cylindriques et spheacuteriques lrsquoexpression nrsquoest plus li-siblec copyDuno

dL

apho

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Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 186

186 [D] Opeacuterateurs vectoriels

Autres relationsrotrotrot (gradU) = 0div (rot A) = 0∆AAA = grad(div A)minus rotrotrot (rot A)grad(U middotV) = U gradV +V gradUdiv (V middotAAA) = V div A +AAA middot gradVrotrotrot (V middotAAA) = V rot A + (gradV) andAAAdiv (AAA andBBB) = BBB middot rot AminusAAA middot rot B

7 Theacuteoregravemes geacuteomeacutetriques

Theacuteoregraveme drsquoOstrogradskiintcopyint

Misin(S)AAA(M)nnnext dS =

intintint

Misin(V)div A(M) dV

Theacuteoregraveme de Stokes∮

Misin(C)AAA(M)dM =

intint

Misin(S)rot Annn(P) dS

Theacuteoregraveme du gradientintcopyint

Misin(S)U(M)nnnext dS =

intintint

Misin(V)gradA(M) dV

Autre formulation (avec les notations adopteacutees pour le theacuteoregraveme deStokes) ∮

Misin(C)U(M)dMdMdM =

intint

Misin(S)nnn(M) and gradU(M) dS

Annexe E mformulairetex 2772008 2251Page 187

Annexe EUniteacutes et constantesfondamentales

1 Uniteacutes du Systegraveme International

On distingue trois types drsquouniteacutes dans le Systegraveme International les uniteacutesde base les uniteacutes suppleacutementaires (ces deux premiegraveres cateacutegories eacutetant di-mensionnellement indeacutependante) et les uniteacutes suppleacutementaires et deacuteriveacuteesqui peuvent srsquoexprimer en fonction des premiegraveres

11 Uniteacutes principales du systegraveme international

Grandeur physique Uniteacute SymboleLongueur megravetre mMasse kilogramme kgTemps seconde sCourant eacutelectrique ampegravere ATempeacuterature kelvin KQuantiteacute de matiegravere mole molIntensiteacute lumineuse candela cdc copy

Duno

dL

apho

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ndeacutelit

Annexe E mformulairetex 2772008 2251Page 188

188 [E] Uniteacutes et constantes fondamentales

12 Uniteacutes secondaires du systegraveme international

Grandeur physique Uniteacute SymboleAngle radian radAngle solide steradian sr

13 Uniteacutes courantes du systegraveme international

Grandeur physique Uniteacute SymboleFreacutequence hertz Hzharr sminus1

Force newton Nharr kg middotm middot sminus2Eacutenergie joule Jharr m middotNPuissance watt Wharr J middot sminus1Pression pascal Paharr N middotmminus2Charge eacutelectrique coulomb Charr A middot sDiffeacuterence de potentiel eacutelectrique volt Vharr Aminus1 middotm middotN middot sminus1Reacutesistance eacutelectrique ohm Ω harr Aminus1 middotm middotN middot sminus2Conductance eacutelectrique siemens Sharr A2 middotN middot sCapaciteacute eacutelectrique farad Fharr A2 middotmminus1 middotNminus1 middot s2Champ magneacutetique tesla Tharr Aminus1 middotmminus1 middotNInductance henry Hharr Aminus2 middotm middotNFlux magneacutetique weber Wbharr Aminus1 middotm middotNFlux lumineux lumen lmharr cd middot srIllumination lux lxharr cd middotmminus2 middot sr

14 Multiples deacutecimaux pour les uniteacutes

Facteur Preacutefixe Symbole Facteur Preacutefixe Symbole10 deacuteca- da 10minus1 deacuteci- d102 hecto- h 10minus2 centi- c103 kilo- k 10minus3 milli- m106 meacutega- M 10minus6 micro- micro

109 giga- G 10minus9 nano- n1012 tera- T 10minus12 pico- p1015 peta- P 10minus15 femto f1018 exa- E 10minus18 atto- a

Annexe E mformulairetex 2772008 2251Page 189

2 Constantes fondamentales 189

2 Constantes fondamentales

Constante ValeurConstante de gravitation G = 6 67259 middot 10minus11 m3 middot kgminus1 middot sminus2Ceacuteleacuteriteacute de la lumiegravere dans levide

c = 299792458 m middot sminus1c asymp 3 middot 108 m middot sminus1

Permeacuteabiliteacute du videmicro0 = 4π middot 10minus7 H middotmminus1micro0 asymp 1 25664 middot 10minus6 H middotmminus1

Permittiviteacute du vide ε0 asymp 8 85419 middot 10minus12 F middotmminus1

Constante de Planck h = 6 6260755 middot 10minus34 J middot sminus1h = 4 135669 middot 10minus15 eV middot s

Constante des gaz parfaits R = 8 314 J middotKminus1 middotmolminus1

Nombre drsquoAvogadro N = 6 0221367 middot 1023 molminus1

Constante de Boltzmann k = 1 380658 middot 10minus23 J middotKminus1Charge eacuteleacutementaire e = 1 602217733 middot 10minus19 CConstante de Faraday F = 96485 309 C middotmolminus1

Constante de Stefan-Boltzmann σ = 5 67051 middot 10minus8 W middotmminus2 middotKminus4

3 Ordres de grandeurs

Grandeur ValeurConductiviteacute du meacutetal σ asymp 108 Ωminus1 middotmminus1Tension de seuil pour une diode Vd asymp 0 6 VChamp de pesanteur agrave la surface de la Terre g = 9 8 m middot sminus2Rayon terrestre RT = 6400 kmMasse de la Terre MT asymp 6 middot 1024 kgAltitude drsquoun satellite geacuteostationnaire H asymp 36 000 kmDistance Terre-Soleil dTminusS asymp 1 5 middot 1011 mDistance Terre-Lune dTminusL asymp 3 8 middot 108 mMasse du soleil MS asymp 2 middot 1030 kgCoefficient de frottement acier-acier micro asymp 0 2Raideur drsquoun ressort k asymp 100 N middotmminus1Masse du proton mp = 1 673 middot 10minus27 kgMasse du neutron mn = 1 675 middot 10minus27 kgMasse de lrsquoeacutelectron me = 9 109 middot 10minus31 kg

c copyDuno

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ndeacutelit

Annexe E mformulairetex 2772008 2251Page 190

Annexe F mformulairetex 2772008 2251Page 191

Annexe FConstantes chimiques

Potentiels standards redox

(Agrave 25˚C 1013 bar pH=0)

Couples redox E0 en voltsMnOminus4 + 4H+ + 3eminus larrrarr MnO2 + 2H2O 1700MnOminus4 + 8H+ + 5eminus larrrarr Mn2+ + 4H2O 1490Cr2O

2minus7 + 14H+ + 6eminus larrrarr 2Cr3+ + 7H2O 1330

MnO2 + 4H+ + 2eminus larrrarr Mn2+ + 2H2O 1230Br2 + 2eminus larrrarr 2Brminus 1090Hg2+ + 2eminus larrrarr Hg 0850Ag+ + eminus larrrarr Ag 0798Hg+ + eminus larrrarr Hgminus 0790Fe3+ + eminus larrrarr Fe2+ 0780MnOminus4 + eminus larrrarr MnO2minus

4 0560I2 + 2eminus larrrarr 2Iminus 0540Cu2+ + 2eminus larrrarr Cu 0340Cu2+ + eminus larrrarr Cu+ 01502H+ + 2eminus larrrarr H2 0000Fe3+ + 3eminus larrrarr Fe minus0040

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192 [F] Constantes chimiques

Couples redox E0 en voltsPb2+ + 2eminus larrrarr Pb minus0120Sn2+ + 2eminus larrrarr Sn minus0140Fe2+ + 2eminus larrrarr Fe minus0441Zn2+ + 2eminus larrrarr Zn minus0762Mn2+ + 2eminus larrrarr Mn minus1180Al3+ + 3eminus larrrarr Al minus1660Na+ + eminus larrrarr Na minus2715Ca2+ + 2eminus larrrarr Ca minus2763Ba2+ + 2eminus larrrarr Ba minus2900K+ + eminus larrrarr K minus2924

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Annexe GTableau peacuteriodique

1re colonne alkalins meacutetalliques

2e colonne alkalino terreux

Colonnes 3ndash11 meacutetaux de transition

Colonne 17 halogegravenes

Colonnes 18 gaz rares

Gaz noble Meacutetaux

Meacutetaux de transition Alkalin meacutetaliques

Halogegravene Espegravece rare

Non meacutetaux Alkalino terreux

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194 [G] Tableau peacuteriodique

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1I H

hydrogegravene

10083 4 numeacutero atomique minusrarr 6

II Li Be C larrminus symbolelithium beacuteryllium nom de lrsquoeacuteleacutement minusrarr carbone

694 901 1201 larrminusmasse atomique11 12

III Na Mgsodium magneacutesium

2299 243119 20 21 22 23 24 25 26 27

IV K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Copotassium calcium scandium titane vanadium chrome manganegravese fer cobalt

3910 4008 4496 4788 5094 5200 5494 5585 589337 38 39 40 41 42 43 44 45

V Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rhrubidium strontium yttrium zirconium niobium molybdegravene techneacutetium rutheacutenium rhodium

8547 8762 8891 9122 9221 9594 9891 1011 102955 56 57 72 73 74 75 76 77

VI Cs Ba La Hf Ta W Re Os Irceacutesium baryum lanthane hafnium tantale tungstegravene rheacutenium osmium iridium

1329 1373 1389 1785 1809 1839 1862 1902 192287 88 89

VII Fr Ra Acfrancium radium actinium

2230 2260 2270

58 59 60 61 62Ce Pr Nd Pm Smceacuterium praseacuteodyme neacuteodyme promeacutethium samarium

1401 1409 1442 1449 150490 91 92 93 94Th Pa U Np Pu

thorium protactinium uranium neptunium plutonium

2320 2310 2380 2370 2441

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 195

195

10 11 12 13 14 15 16 17 18

2Heheacutelium

40035 6 7 8 9 10B C N O F Nebore carbone azote oxygegravene fluor neacuteon

1081 1201 1401 1600 1900 201813 14 15 16 17 18Al Si P S Cl Ar

aluminium silicium phosphore soufre chlore argon

2698 2809 3097 3207 3545 399528 29 30 31 32 33 34 35 36Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Krnickel cuivre zinc gallium germanium arsenic seacuteleacutenium brome krypton

5869 6355 6539 6972 7259 7492 7896 7990 838046 47 48 49 50 51 52 53 54Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

palladium argent cadmium indium eacutetain antimoine tellure iode xeacutenon

1064 1079 1124 1148 1187 1218 1276 1269 131378 79 80 81 82 83 84 85 86Pt Au Hg Ti Pb Bi Po At Rn

platine or mercure thallium plomb bismuth polonium astate radon

1951 1970 2006 2044 2072 2090 2100 2100 2220

63 64 65 66 67 68 69 70 71Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

europium gadolinium terbium dysprosium holmium erbium thulium ytterbium luteacutetium

1520 1573 1589 1625 1649 1673 1689 1730 175095 96 97 98 99 100 101 102 103Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

ameacutericium curium berkeacutelium californium einstenium fermium mendeacutelevium nobeacutelium lawrencium

2431 2471 2471 2521 2521 2571 2561 2591 2601

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Index

Abel (lemme drsquondash) 51absorption 137accroissements finis

(theacuteoregraveme des) 39activiteacute 164adheacuterence 29adiabatique (transformation ndash) 81adjoint (drsquoun

endormorphisme) 24affiniteacute 145Alembert

eacutequation drsquondash 132regravegle de drsquondash 49theacuteoregraveme de drsquondash 10

algegravebre 5Ampegravere (theacuteoregraveme drsquondash) 121amplificateur opeacuterationnel 73angles remarquables 177anneau 3application

composition 11injective 11lipschitizienne 37surjective 11

application lineacuteaire 12ndash17image 15 16noyau 15 16rang 15

application lineaire

spectre 26approximation des eacutetats quasi

stationnaires (AEQS) 149arrangement 5Arrheacutenius (loi drsquondash) 149asymptote 61asymtote 63auto-induction 126automorphisme 15automorphismes

orthogonaux 25avancement drsquoune reacuteaction 148

base 13changement de ndash 19duale 14

Bertrandseacuterie de ndash 48

Bessel (ineacutegaliteacute de ndash) 23Bezout

eacutegaliteacute de 9Bezout (theacuteoregraveme de ndash) 7binocircme (de Newton) 6Binet (formules de ndash) 100Biot et Savart (loi de ndash) 121Bolzano-Weiertrass

(theacuteoregraveme de ndash) 35boule

fermeacutee 28ouverte 28

branche infinie 61

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198 INDEX

branche parabolique 61

capaciteacutes thermiques 78Cauchy

critegravere de ndash 49produit de ndash 50regravegle de ndash 49suite de ndash 30

Cauchy-Lipschitz (theacuteoregravemede ndash) 45

Cauchy-Schwarz (ineacutegaliteacute de ndash)22

Cayley-Hamilton (theacuteoregraveme de ndash) 27

centre drsquointertie (theacuteoregravemedu ndash) 91

chaleur latente 83champ

gravitationnel 119magneacutetostatique 121

champeacutelectrostatique 118

changement de reacutefeacuterentiel 90Chasles (relation de ndash) 43cineacutetique chimique 148Clapeyron (relation de ndash) 83classe (drsquoune fonction) 39classe drsquoeacutequivalence 2codimension 14coefficients

thermoeacutelastiques 77combinaison 6compacte (partie) 29complegravete (partie ndash) 30complexe (nombre ndash) 32ndash33composition

des acceacuteleacuterations 90des vitesses 90

conduction de la chaleur 85coniques 68conjugueacute (drsquoun nombre complexe)

32connexiteacute par arcs 30constante

drsquoeacutecran 143drsquoaciditeacute 167

de vitesse (drsquoune reacuteaction) 148continuiteacute 36continuiteacute uniforme 37convection 85convegence

simple (seacuterie drsquoapplications)55

convergenceabsolue (seacuterie drsquoapplications)

55absolue (seacuterie) 50normale (seacuterie drsquoapplications)

55normale (seacuterie de Fourier) 57semi-convergence (seacuterie) 50simple (suite drsquoapplications)

52theacuteoregraveme de ndash domineacutee (suite

drsquoapplications) 54theacuteoregraveme de ndashmonotone (suite

drsquoapplications) 54uniforme (seacuterie drsquoapplications)

55uniforme (suite drsquoapplications)

52convexiteacute 40convexiteacute (ineacutegaliteacute de ndash) 40coordonneacutees

carteacutesiennes 88cylindriques 88polaires 62spheacuteriques 89

Coriolisacceacuteleacuteration de ndash 90force de ndash 90

corps 4Coulomb (lois de ndash) 105couple

redox 163courbure 64Cramer (systegraveme de ndash) 21

deacuteriveacutee 38partielle 58selon un vecteur 58

deacuterivabiliteacute 39deacuteterminant 19

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 199

INDEX 199

deacuteveloppements limiteacutes 175degreacute (drsquoun polynocircme) 8Descartes (loi de ndash) 106dieacutelectriques (milieux ndash) 138diagonalisabiliteacute 27diagramme

binaires 160ndash163drsquoEllingham 165E-pH 166intensiteacute-potentiel 168

diffeacuteomorphisme 40diffraction 116ndash118diffusion

eacutequation de ndash 67de chaleur 85

direction asymptotique 61 63Dirichlet (theacuteoregraveme de ndash) 57dispersion 137

relation de 134divisibiliteacute

dans N 6dans K[X] 9

division euclidiennedrsquoun polynocircme 9dans N 6

domination (theacuteoregraveme de ndash) 42

eacutelectrostatique 118endomorphisme 15

adjoint 24eacutenergie

cineacutetique 93cineacutetique (du solide) 101interne 77meacutecanique 93magneacutetique 127potentielle 94

enthalpie 78entropie 80eacutequation

drsquoonde 132diffeacuterentielle 66redox 164

eacutequation diffeacuterentielle 44lineacuteaire du premier ordre 44

lineacuteaire du second ordre 45eacutequilibre 94

stabiliteacute drsquoun ndash 95espace

euclidien 30preacutehilbertien 30vectoriel 5 12ndash17vectoriel normeacute 27ndash31

extremum local 59

factorielle 5famille

geacuteneacuteratrice 13libre 13

Faraday (loi de ndash) 126 128fermeacute 28filtre 71ndash73flux

du champ magneacutetique 126thermique 85

fonctionde plusieurs variables 58de transfert 71reacuteelle de la variable

reacuteelle 35ndash38trigonomeacutetrique

reacuteciproque 38fonctions implicites (theacuteoregraveme

des ndash) 59force

centrale 99drsquoinertie 90de Lorentz 98

formelineacuteaire 14quadratique 22

forttements solide 105Fourier

loi de ndash 85seacuteries de ndash 57

fraction rationnelle 10ndash11Fresnel

miroirs de ndash 115principe drsquoHuyghens ndash 116

Gaussapproximation de ndash 107

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200 INDEX

theacuteoregraveme de ndash 7 119gaz parfait 76Gibbs

regravegle des phases de ndash 159relation deGibbsndashDuhem 153relation de GibbsndashHelmoltz

153gradient 58Grassman (formule de ndash) 17groupe 2

cyclique 3geacuteneacuterateurs de ndash 3monogegravene 3

Heine (theacuteoregraveme de ndash) 37Henry (loi de ndash) 160Hess (loi de ndash) 157Hund (principe de ndash) 145hysteacuteresis 130

ideacuteal 4identiteacutes thermodynamiques 80ineacutegaliteacute de la moyenne 41induction

de Lorentz 128de Neumann 126

inertie (force drsquondash) 90injective 11inteacutegrale

deacutependant drsquoun paramegravetre43

de Riemann 42impropre 43

inteacutegration 41ndash44inteacuterieur (drsquoune partie) 29interfeacuterences 109ndash116interfeacuteromegravetre

de Fabry-Perot 115de Michelson 112

intgreacuteationpar parties 41

isomorphisme 15

jauge de Lorentz 124

Kœnig (theacuteoregravemes de ndash) 92 93103 104

Kepler (lois de ndash) 100Klechkowsky (regravegle de ndash) 145

lames agrave retard 135Laplace (force de ndash) 122Le Chacirctelier (loi de ndash) 159Leibniz (formule de ndash) 39lemme drsquoAbel 51lentille mince 108Lenz (loi de ndash) 126limite 36lipschitzienne (application ndash) 37loi

drsquoArrheacutenius 149drsquoOhm 125de Biot et Savart 121de composition 2de Faraday 126 128de Fourier 85de Hess 157de Le Chacirctelier 159de Lenz 126de Planck 86de Pouillet 69de Raoult 160de SnellndashDescartes 106 140de Stefan 87de Vanrsquot Hoff 149des mailles 69des noeuds 69

longueur (drsquoun arc) 64

machinesthermiques 83

magneacutetostatique 121Malus (theacuteoregraveme de ndash) 110mateacuteriaux magneacutetiques 129matrice 17ndash22

exponentielle de ndash 19inverse 20opeacuterations 18produit 18

Maxwelleacutequations de ndash dans le vide

123

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 201

INDEX 201

eacutequations de ndash dans lesmilieux 139

eacutequation de ndash en ARQS 129Minkowski (ineacutegaliteacute de ndash) 23miroirs

de Fresnel 115spheacuteriques 107

modes propres 131module (drsquoun nombre complexe)

32Moivre (formule de ndash) 33moment cineacutetique 92

theacuteoregraveme du ndash 92 103multipliciteacute (des racines) 10

Nernst (formule de ndash) 164Newton

binocircme de ndash 6nombre

drsquooxydations 163entier 5ndash7premier 7quantique 143rationnel 5ndash7

normeeacutequivalente 28euclidienne 22

Ohm (loi drsquondash) 125onde

eacutelectromagneacutetique 134ndash140eacutequation drsquondash 132lumineuse 109plane progressive 133stationnaire 133

orbitaleatomique 144moleacuteculaire 147

orthogonaliteacute 23oscillateurs 95

coupleacutes 131ouvert 28oxydo-reacuteduction 163

paramagneacutetisme 129Parseval (eacutegaliteacute de ndash) 57

Pauli (principe de ndash) 145pgcd dans Z 7pKa 167Planck (loi de ndash) 86point

bireacutegulier 59reacutegulier 59

polarisationdrsquoun dieacutelectrique 138de la lumiegravere 135

polynocircme 8ndash11caracteacuteristique 26scindeacute 10

potentieleacutelectrique 118chimique 154redox 164

Pouillet (loi de ndash) 69Poynting (vecteur de ndash) 124Poyting (vecteur de ndash) 136ppcm dans Z 7premier principe (thermodynamique)

77primitives usuelles 173principe fondamental de la

dynamique 91prisme 107produit scalaire 22projecteur 16puissance

drsquoune force 93 104rayonneacutee 136

puissance eacutelectromagneacutetique 123Pythagore (theacuteoregraveme de ndash) 30

reacutefeacuterentielchangement de ndash 90galileacuteen 91

reacuteflextion drsquoune onde 140reacutesultante cineacutetique (theacuteoregraveme de

la ndash) 103regravegle

de Klechkowsky 145regravegle des xα f (x) 42

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202 INDEX

racinedrsquoun polynocircme 10niegravemes drsquoun complexe 33niegravemes de lrsquouniteacute 33

rangdrsquoune application lineacuteaire 15formule du ndash 15

Raoult (loi de ndash) 160rayon de courbure 64relation

binaire 1drsquoeacutequivalence 1drsquoordre 1de conjugaison 108de dispersion 134de structure 134

Riemanninteacutegrale de ndash 42seacuterie de ndash 48somme de ndash 41

Rolle (theacuteoregraveme de ndash) 39roulement sans glissement 101 105

seacuterie 47ndash51alterneacutee 49de Bertrand 48de Fourier 57de Riemann 48geacuteomeacutetrique 48produit de Cauchy 50

seacuterie entiegravere 51ndash52deacuterivation 51inteacutegration 51rayon de convergence 51

Schwarz (theacuteoregraveme de ndash) 59SnellndashDescartes (loi de ndash) 140solide (meacutecanique du ndash) 101somme de Riemann 41somme directe 12sous-anneau 4sous-espace

suppleacutementaire 13sous-espace propre 26sous-groupe 3spectroscopie 141Stefan (loi de ndash) 87

Stirling (formule de ndash) 50suite 34ndash35

adjacente 35arithmeacutetique 34extraite 35geacuteomeacutetrique 34

suppleacutementaire (sous-espaces) 13surjective 11susceptibiliteacute

eacutelectrique 139magneacutetique 129 130

symeacutetrie 16drsquoune courbe parameacutetreacutee 61drsquoune courbe polaire 63

systegraveme lineacuteaire 21de Cramer 21

tangente (agrave une courbe) 60Taylor-Lagrange

ineacutegaliteacute de ndash 40Taylor-Young (formule de ndash) 40tempeacuterature drsquoinversion 158Theacuteoregraveme

de Dirichlet 57de Scharz 59

theacuteoregravemedrsquoeacutequivalence 42de domination 42de Rolle 39des accroissements finis 39

topologie 27torseur cineacutetique 101

valeur drsquoadheacuterence 29valeur propre 26Van der Waals (gaz de ndash) 77Vanrsquot Hoff (loi de ndash) 149variance 159vecteur propre 26vitesse

drsquoentraicircnement 90de groupe 137de phase 137de reacuteaction 148quadratique moyenne 76

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 203

INDEX 203

voisinage 29

Weierstrassdeuxiegraveme theacuteoregraveme de ndash 54premier theacuteoregraveme de ndash 54

Young (trous drsquondash) 111

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  • Table des matiegraveres
    • Avant-propos
    • Chapitre 1 Matheacutematiques
      • 1 Algegravebre
        • 11 Relations
        • 12 Structures algeacutebriques
        • 13 Nombres entiers nombres rationnels
        • 14 Arithmeacutetique dans Z
        • 15 Polynocircmes et fractions rationnelles
        • 16 Geacuteneacuteraliteacutes sur les applications
        • 17 Applications lineacuteaires ndash Espaces vectoriels
        • 18 Matrices ndash Deacuteterminants ndash Systegravemes lineacuteaires
        • 19 Espaces vectoriels euclidiens
        • 110 Reacuteduction des endomorphismes
          • 2 Analyse
            • 21 Espaces vectoriels normeacutes
            • 22 Nombres reacuteels
            • 23 Nombres complexes
            • 24 Suites
            • 25 Fonctions reacuteelles de la variable reacuteelle
            • 26 Deacuterivation
            • 27 Inteacutegration
            • 28 Eacutequations diffeacuterentielles
            • 29 Seacuteries
            • 210 Seacuteries entiegraveres
            • 211 Suites et seacuteries drsquoapplications
            • 212 Seacuteries de Fourier
            • 213 Fonctions de plusieurs variables
              • 3 Geacuteomeacutetrie
                • 31 Courbes du plan
                • 32 Proprieacuteteacutes meacutetriques des courbes
                    • Chapitre 213Physique
                      • 0 Eacuteleacutements de matheacutematiques
                        • 01 Diffeacuterentielles
                        • 02 Eacutequations diffeacuterentielles
                        • 03 Coniques
                          • 1 Eacutelectronique
                            • 11 Lois geacuteneacuterales
                            • 12 Reacutegime variable
                            • 13 Montages avec amplificateur opeacuterationnel
                              • 2 Thermodynamique
                                • 21 Gaz parfait
                                • 22 Premier et second principes de la thermodynamique
                                • 23 Changements de phase drsquoun corps pur
                                • 24 Machines thermiques
                                • 25 Diffusion thermique
                                • 26 Rayonnement thermique
                                  • 3 Meacutecanique du point
                                    • 31 Cineacutematique
                                    • 32 Changement de reacutefeacuterentiel
                                    • 33 Lois geacuteneacuterales de la meacutecanique
                                    • 34 Oscillateurs
                                    • 35 Mouvement drsquoune particule chargeacutee
                                    • 36 Systegravemes de deux points mateacuteriels
                                      • 4 Meacutecanique du solide
                                        • 41 Cineacutematique du solide
                                        • 42 Theacuteoregravemes geacuteneacuteraux de la dynamique
                                        • 43 Contacts entre les solides
                                          • 5 Optique
                                            • 51 Geacuteneacuteraliteacutes
                                            • 52 Optique geacuteomeacutetrique
                                            • 53 Interfeacuterences lumineuses
                                            • 54 Interfeacuteromegravetre de Michelson
                                            • 55 Autres dispositifs drsquointerfeacuterences
                                            • 56 Diffraction des ondes lumineuses
                                              • 6 Eacutelectromagneacutetisme
                                                • 61 Eacutelectrostatique
                                                • 62 Magneacutetostatique
                                                • 63 Eacutequations de Maxwell dans le vide
                                                • 64 Conduction meacutetallique
                                                • 65 Induction dans un circuit fixe avec B variable
                                                • 66 Induction dans un circuit mobile soumis agrave B stationnaire
                                                • 67 Mateacuteriaux magneacutetiques
                                                  • 7 Ondes
                                                    • 71 Oscillateurs coupleacutes
                                                    • 72 Eacutequation de drsquoAlembert - Ondes stationnaires
                                                    • 73 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans le vide
                                                    • 74 Dispersion ndash Absorption
                                                    • 75 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans les milieux mateacuteriels
                                                        • Chapitre 3 Chimie
                                                          • 1 Atomistique
                                                            • 11 Spectroscopie
                                                            • 12 Modegravele ondulatoire
                                                            • 13 Atome polyeacutelectronique
                                                            • 14 Architecture moleacuteculaire
                                                            • 15 Orbitales moleacuteculaires
                                                              • 2 Cineacutetique
                                                              • 3 Cristallographie
                                                                • 31 Geacuteneacuteraliteacutes
                                                                • 32 Mailles et sites dans les cristaux meacutetalliques
                                                                • 33 Cristaux ioniques
                                                                  • 4 Thermodynamique
                                                                    • 41 Fonctions drsquoeacutetat
                                                                    • 42 Potentiel chimique
                                                                    • 43 Grandeurs standards de reacuteaction
                                                                    • 44 Eacutequilibres chimiques
                                                                    • 45 Eacutequilibres liquidendashvapeur
                                                                    • 46 Reacuteactions drsquooxydoreacuteduction
                                                                      • 5 Mateacuteriaux meacutetalliques
                                                                        • 51 Diagrammes drsquoEllingham
                                                                        • 52 Diagrammes potentiel-pH
                                                                        • 53 Courbes intensiteacutendashpotentiel
                                                                        • 54 Corrosion
                                                                            • Annexe A13Primitives usuelles
                                                                            • Annexe B13Deacuteveloppements limiteacutes
                                                                            • Annexe C Formules13trigonomeacutetriques
                                                                              • 1 Angles remarquables
                                                                              • 2 Relations trigonomeacutetriques
                                                                                • Annexe D13Opeacuterateurs vectoriels
                                                                                  • 1 Notations
                                                                                  • 2 Gradient
                                                                                  • 3 Divergence
                                                                                  • 4 Rotationnel
                                                                                  • 5 Laplacien13
                                                                                  • 6 Relations entre les opeacuterateurs
                                                                                  • 7 Theacuteoregravemes geacuteomeacutetriques
                                                                                    • Annexe E Uniteacutes et constantes13fondamentales
                                                                                      • 1 Uniteacutes du Systegraveme International
                                                                                        • 11 Uniteacutes principales du systegraveme international
                                                                                        • 12 Uniteacutes secondaires du systegraveme international
                                                                                        • 13 Uniteacutes courantes du systegraveme international
                                                                                        • 14 Multiples deacutecimaux pour les uniteacutes
                                                                                          • 2 Constantes fondamentales
                                                                                          • 3 Ordres de grandeurs
                                                                                            • Annexe F13Constantes chimiques
                                                                                            • Annexe G13Tableau peacuteriodique
                                                                                              • Index
Page 2: 4 Le formuLaire mpsi, mp... 6493233 isBn 978-2-10-051941-5 lionel porcheron ingenieur de l’enseeiht à toulouse. • Toutes les formules et définitions du pro-gramme de mpsi et

LE FORMULAIREMPSI MP

9782100519415_lim_P01-04 Page I Mardi 5 aoucirct 2008 314 15

9782100519415_lim_P01-04 Page II Mardi 5 aoucirct 2008 314 15

LE FORMULAIREMPSI MP

1 500 formules de matheacutematiquesphysique et chimie

4e eacutedition

Lionel PorcheronIngeacutenieur de lrsquoENSEEIHT agrave Toulouse

9782100519415_lim_P01-04 Page III Mardi 5 aoucirct 2008 314 15

copy Dunod Paris 2000 2003 2004 2008

9782100519415_lim_P01-04 Page IV Mardi 5 aoucirct 2008 314 15

ISBN 978-2-10-053787-7

Chapitre 0 mformulairetex 2772008 2251Page V

Table des matiegraveres

Avant-propos IX

Chapitre 1 Matheacutematiques 11 Algegravebre 1

11 Relations 112 Structures algeacutebriques 213 Nombres entiers nombres rationnels 514 Arithmeacutetique dans Z 715 Polynocircmes et fractions rationnelles 816 Geacuteneacuteraliteacutes sur les applications 1117 Applications lineacuteaires ndash Espaces vectoriels 1218 Matrices ndash Deacuteterminants ndash Systegravemes lineacuteaires 1719 Espaces vectoriels euclidiens 22110 Reacuteduction des endomorphismes 26

2 Analyse 2721 Espaces vectoriels normeacutes 2722 Nombres reacuteels 3123 Nombres complexes 3224 Suites 3425 Fonctions reacuteelles de la variable reacuteelle 3526 Deacuterivation 3827 Inteacutegration 4128 Eacutequations diffeacuterentielles 4429 Seacuteries 47210 Seacuteries entiegraveres 51211 Suites et seacuteries drsquoapplications 52

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 0 mformulairetex 2772008 2251Page VI

VI Table des matiegraveres

212 Seacuteries de Fourier 57213 Fonctions de plusieurs variables 58

3 Geacuteomeacutetrie 5931 Courbes du plan 5932 Proprieacuteteacutes meacutetriques des courbes 64

Chapitre 2 Physique 65

0 Eacuteleacutements de matheacutematiques 6501 Diffeacuterentielles 6502 Eacutequations diffeacuterentielles 6603 Coniques 68

1 Eacutelectronique 6911 Lois geacuteneacuterales 6912 Reacutegime variable 7013 Montages avec amplificateur opeacuterationnel 73

2 Thermodynamique 7621 Gaz parfait 7622 Premier et second principes de la thermodynamique 7723 Changements de phase drsquoun corps pur 8124 Machines thermiques 8325 Diffusion thermique 8526 Rayonnement thermique 86

3 Meacutecanique du point 8831 Cineacutematique 8832 Changement de reacutefeacuterentiel 9033 Lois geacuteneacuterales de la meacutecanique 9134 Oscillateurs 9535 Mouvement drsquoune particule chargeacutee 9836 Systegravemes de deux points mateacuteriels 99

4 Meacutecanique du solide 10141 Cineacutematique du solide 10142 Theacuteoregravemes geacuteneacuteraux de la dynamique 10343 Contacts entre les solides 104

5 Optique 10551 Geacuteneacuteraliteacutes 10552 Optique geacuteomeacutetrique 10653 Interfeacuterences lumineuses 10954 Interfeacuteromegravetre de Michelson 11255 Autres dispositifs drsquointerfeacuterences 11556 Diffraction des ondes lumineuses 116

Chapitre 0 mformulairetex 2772008 2251Page VII

Table des matiegraveres VII

6 Eacutelectromagneacutetisme 11861 Eacutelectrostatique 11862 Magneacutetostatique 12163 Eacutequations de Maxwell dans le vide 12364 Conduction meacutetallique 12565 Induction dans un circuit fixe avec BBB variable 12666 Induction dans un circuit mobile soumis agrave BBB stationnaire 12867 Mateacuteriaux magneacutetiques 129

7 Ondes 13171 Oscillateurs coupleacutes 13172 Eacutequation de drsquoAlembert - Ondes stationnaires 13273 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans le vide 13474 Dispersion ndash Absorption 13775 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans les milieux mateacuteriels 138

Chapitre 3 Chimie 1411 Atomistique 141

11 Spectroscopie 14112 Modegravele ondulatoire 14213 Atome polyeacutelectronique 14314 Architecture moleacuteculaire 14515 Orbitales moleacuteculaires 147

2 Cineacutetique 148

3 Cristallographie 15031 Geacuteneacuteraliteacutes 15032 Mailles et sites dans les cristaux meacutetalliques 15033 Cristaux ioniques 152

4 Thermodynamique 15341 Fonctions drsquoeacutetat 15342 Potentiel chimique 15443 Grandeurs standards de reacuteaction 15544 Eacutequilibres chimiques 15745 Eacutequilibres liquidendashvapeur 16046 Reacuteactions drsquooxydoreacuteduction 163

5 Mateacuteriaux meacutetalliques 16551 Diagrammes drsquoEllingham 16552 Diagrammes potentiel-pH 16653 Courbes intensiteacutendashpotentiel 16854 Corrosion 170

Annexe A Primitives usuelles 173

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 0 mformulairetex 2772008 2251Page VIII

VIII Table des matiegraveres

Annexe B Deacuteveloppements limiteacutes 175

Annexe C Formules trigonomeacutetriques 1771 Angles remarquables 177

2 Relations trigonomeacutetriques 178

Annexe D Opeacuterateurs vectoriels 1811 Notations 181

2 Gradient 182

3 Divergence 183

4 Rotationnel 183

5 Laplacien 184

6 Relations entre les opeacuterateurs 185

7 Theacuteoregravemes geacuteomeacutetriques 186

Annexe E Uniteacutes et constantes fondamentales 1871 Uniteacutes du Systegraveme International 187

11 Uniteacutes principales du systegraveme international 18712 Uniteacutes secondaires du systegraveme international 18813 Uniteacutes courantes du systegraveme international 18814 Multiples deacutecimaux pour les uniteacutes 188

2 Constantes fondamentales 189

3 Ordres de grandeurs 189

Annexe F Constantes chimiques 191

Annexe G Tableau peacuteriodique 193

Index 197

Chapitre 0 mformulairetex 2772008 2251Page IX

Avant-propos

La quatriegraveme eacutedition de ce formulaire rassemble les principaux reacutesultats descours de matheacutematiques de physique et de chimie eacutetablis tout au long desdeux anneacutees de classes preacuteparatoires dans la filiegravere MP Cette nouvelle eacutedi-tion srsquoameacuteliore encore un peu avec lrsquoapparition de la couleur Ce formulairesrsquoaveacuterera fort utile aussi bien pendant votre laquo preacutepa raquo que lorsque la peacuteriodefatidique des concours approchera

Il a eacuteteacute scindeacute en trois parties les parties relatives aux matheacutematiques agravela physique et agrave la chimie chacune drsquoentre elles rassemblant les principauxreacutesultats eacutetablis en cours pour chacune des filiegraveres auxquelles srsquoadresse cetouvrage Agrave la fin de lrsquoouvrage figurent en annexes les donneacutees qui ne sontpas neacutecessairement agrave connaicirctre mais qui sont neacuteanmoins fort utiles au quo-tidien

Un effort tout particulier a eacuteteacute fait pour rendre ces formules les plus laquo li-sibles raquo possible en deacutetaillant la signification de chaque symbole et en preacute-cisant bien agrave chaque fois les conditions drsquoapplication de ces formules Sou-lignons tout de mecircme que lrsquoapprentissage de ces formules ne se substituepas agrave lrsquoapprentissage du cours

Merci agrave tous ceux qui ont accepteacute de collaborer agrave cet ouvrage et en particu-lier agrave Pascal OLIVE et Jean-Marie MONIER pour leur consciencieuse relec-ture respective des parties physique et matheacutematiques agrave Bruno COURTETpour avoir parfaitement assureacute le suivi de ce nouveau venu dans la collec-tion laquo Jrsquointegravegre raquo

Lionel PORCHERONlionelporcheronfreefr

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Chapitre 0 mformulairetex 2772008 2251Page X

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 1

Chapitre 1Matheacutematiques

1 Algegravebre

11 Relations

Proprieacuteteacutes drsquoune relation binaireSoitR une relation binaire dans E elle est dite reacuteflexive si et seulement si forallx isin E xRx

symeacutetrique si et seulement si forall(x y) isin E2 xRy =rArr yRx

antisymeacutetrique si et seulement si forall(x y) isin E2 xRyyRx

=rArr x = y

transitive si et seulement si forall(x y z) isin E3 xRyyRz

=rArr xRz

Relation drsquoordre

Une relation binaireR de E est dite relation drsquoordre si et seulement siR est reacuteflexive antisymeacutetrique et transitive

Relation drsquoeacutequivalence

Une relation binaireR de E est une relation drsquoeacutequivalence si et seule-ment siR est reacuteflexive symeacutetrique et transitive

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 2

2 [1] Matheacutematiques

Classe drsquoeacutequivalence

SoitR une relation drsquoeacutequivalence dans E pour x isin E on appelle classedrsquoeacutequivalence de x (moduloR) lrsquoensemble deacutefini par

clR(x) = y isin E xRy

Ensemble-quotient

On appelle ensemble-quotient de E parR et on note ER lrsquoensembledes classes drsquoeacutequivalence moduloR

ER = clR x isin E

12 Structures algeacutebriques

Lois de compositions

On appelle loi interne toute application de Etimes Erarr E

Un loi lowast est dite associative si et seulement si forall(x y z) isin E3 x lowast (y lowast z) = (x lowast y) lowast z

Une loi lowast interne est dite commutative si et seulement si

forall(x y) isin E2 x lowast y = y lowast xOn dit que e est un eacuteleacutement neutre pour lowast si et seulement si

forallx isin E x lowast e = e lowast x = xOn appelle symeacutetrique de x isin E un eacutelement de E noteacute xminus1 veacuterifiant

xminus1 lowast x = x lowast xminus1 = eOn dit que rHE est stable par lowast si et seulement si

forall(x y) isin H2 x lowast y isin H

Groupe

Un ensemble muni drsquoune loi interne (G middot) est un groupe si et seule-ment si ndash middot est associative ndash middot admet un eacuteleacutement neutre e ndash tout eacuteleacutement de G admet un symeacutetrique pour la loi middotSi la loi middot est commutative on dit que le groupe G est abeacutelien ou com-mutatif

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 3

1 Algegravebre 3

Sous-groupe

Soit (G middot) un groupe Une partie H de G est un sous groupe de G si etseulement si ndash H est stable par la loi middot ndash H contient lrsquoeacuteleacutement neutre ndash forallx isin H xminus1 isin H

Groupe commutatif

ndash (ZnZ+) est un groupe commutatifndash lrsquoapplication pn Zrarr (ZnZ)

x 7rarr x mod n appeleacutee surjection canonique est

un morphisme surjectif de groupes

Geacuteneacuterateurs du groupe

Les geacuteneacuterateurs du groupe (ZnZ+) sont les k avec k isin Z et k and n =1

Groupe monogegravene ndash Groupe cyclique

ndash Un groupe G est dit monogegravene si et seulement srsquoil admet un geacuteneacutera-teur crsquoest-agrave-dire si et seulement srsquoil existe a isin G tel que G =lt a gtndash Un groupe G est dit cyclique si et seulement si G est monogegravene etfini

Anneau

Un ensemble A muni de deux lois internes noteacutees + et middot est un anneausi et seulement si ndash (A+) est un groupe commutatif drsquoeacuteleacutement neutre 0A ndash middot est associative et admet un eacuteleacutement neutre 1A ndash middot est distributive par rapport agrave + crsquoest-agrave-dire

forall(x y z) isin A3 x middot (y + z) = (x middot y) + (x middot z) (x + y) middot z = (x middot z) + (y middot z)

Si middot est commutative on dit que lrsquoanneau A est commutatifc copyDuno

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 4

4 [1] Matheacutematiques

Anneau integravegre

On dit qursquoun anneau (A+ middot) est integravegre si et seulement si A est com-mutatif et

forall(x y) isin A2 (x middot y = 0A)rArr (x = 0A ou y = 0A)

Sous-anneau

Soit (A+ middot) un anneau B une partie de A est un sous-anneau si etseulement si ndash (B+) est un sous groupe de (A+) ndash B est stable par middot ndash 1A isin B

Ideacuteal drsquoun anneau commutatif

I est dit un ideacuteal de A anneau commutatif avec I sub A si et seulementsrsquoil veacuterifie les proprieacuteteacutes

I 6= emptyforall(x y) isin I2 x + y isin Iforalla isin A forallx isin I ax isin I

Corps

Un ensemble (K+middot)muni de deux lois internes est un corps si et seule-ment si ndash (K+ middot) est un anneau commutatif ndash Tout eacuteleacutement de K0K est inversible par la loi middot

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 5

1 Algegravebre 5

Espace vectorielUn ensemble E est dit un K-espace vectoriel si E est non vide et sion dispose de deux lois une loi interne noteacutee + et drsquoune loi externe(Ktimes Erarr E) veacuterifiant (E+) est un groupe abeacutelien1 forall(λmicro) isin K2 forallx isin E (λ + micro)x = λx + microx

2 forallλ isin K forall(x y) isin E2 λ(x + y) = λx + λy

3 forall(λmicro) isin K2 forallx isin E λ(microx) = (λmicro)x4 forallx isin E 1x = x

AlgegravebreOn appelle K-algegravebre tout ensemble A muni drsquoune loi interne noteacutee +drsquoune loi externe Ktimes Ararr A et drsquoune loi interne noteacutee lowast veacuterifiant 1 (A+ middot) est un K-espace vectoriel2 lowast est distributive par rapport agrave +3 forallλ isin K forall(x y) isin A2 λ(x lowast y) = (λx) lowast y = x lowast (λy)Cette algegravebre est associative si et seulement si lowast est associative com-mutiative si et seulement si lowast est commutative unitaire si et seulementsi A admet un eacutelement neutre pour lowast

13 Nombres entiers nombres rationnels

Factorielle ndash Deacutefinition

n =n

prodk=1

k n factorielle nPar convention 0 = 1

Permutations

cardS(n) = nn factorielle n nombre de per-mutations drsquoun ensemble agrave n eacuteleacute-ments

Arrangements

Apn =

n(nminus p)

(n p) isin N2 avec p 6 n

On note Apn le nombre drsquoarrange-

ments de p eacuteleacutements agrave partir drsquounensemble de n eacuteleacutements (crsquoest-agrave-dire le nombre de p-uplets com-poseacutes drsquoeacuteleacutements deux agrave deux dis-tincts)

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 6

6 [1] Matheacutematiques

Combinaisons

Cpn =

np(nminus p)

(n p) isin N2 avec p 6 nOn appelle combinaison (noteacuteeCpn) toute partie de cardinal p drsquoun

ensemble agrave n eacuteleacutements

Combinaisons ndash Proprieacuteteacutes

Cpn = C

nminuspn forall(n p) isin NtimesN

Cpn + C

p+1n = C

p+1n+1 forall(n p) isin NtimesZ

Binocircme de Newton

(x + y)n =n

sumk=0

Cknx

kynminuskn isin N(x y) isin A2 et xy = yx avec A unanneau commutatif

Divisibiliteacute

Soit (a b) isin Z2 on dit que a divise b si et seulement si il existe c isin Ztel que b = ac

Division euclidienne

forall(a b) isin ZtimesNlowast exist(q r) isin Z2 tel que a = bq + r et 0 6 r lt b

Q est archimeacutedien

forallε isin Qlowast+ forallA isin Qlowast+ existN isin Nlowast Nε gt A

Q est dense

x lt y =rArr (existz isin Qx lt z lt y) forall(x y) isin Q2

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 7

1 Algegravebre 7

14 Arithmeacutetique dans Z

Plus Grand Commun Diviseur (PGCD)Soit (x1 xn) isin Zn une famille drsquoentiers relatifs non tous nuls la fa-mille des diviseurs communs agrave tous les (xi)iisin[1n] admet un plus grandeacuteleacutement appeleacute plus grand commun diviseur

Plus Petit Commun Multiple (PPCM)Soit (x1 xn) isin Nn la famille des multiples communs non nulsaux (xi)iisin[1n] admet un plus petit eacuteleacutement appeleacute plus petit communmultiple

Nombres premiers entre euxSoient (x1 xn) isin (Zlowast)n ces nombres sont premiers entre eux si etseulement si ils veacuterifient la proprieacuteteacute pgcd(x1 xn) = 1

Theacuteoregraveme de BezoutSoient (x1 xn) isin (Zlowast)n pour que tous ces entiers soient premiersentre eux il faut et il suffit qursquoil existe (u1 un) isin Zn tel quen

sumi=1

xiui = 1

Theacuteoregraveme de Gauss

a|bcpgcd(a b) = 1 =rArr a|c forall(a b c) isin (Zlowast)3

Produit du PGCD par le PPCM

pgcd(a b) middot ppcm(a b) = |a middot b| forall(a b) isin (Zlowast)2

Nombres premiersOn dit qursquoun entier p isin N est premier si et seulement si p gt 2 et srsquoilveacuterifie

foralla isin Nlowast (a|p =rArr (a = 1 ou a = p))

Deacutecomposition en nombres premiersTout entier n isin N 0 1 admet une deacutecomposition unique en un pro-duit de nombres premiers agrave lrsquoordre pregraves des facteurs

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 8

8 [1] Matheacutematiques

15 Polynocircmes et fractions rationnelles

Support drsquoune suite ndash Deacutefinition drsquoun polynocircme

Pour toute suite (an)nisinN de KN on apelle support lrsquoensemble des n isinN tels que an 6= 0

On appelle polynocircme agrave une indeacutetermineacutee agrave coefficients constantstoute suite de KN agrave support fini

Polynocircme agrave une indeacutetermineacutee

On note K[X] le corps des polynocircmes agrave une indeacutetermineacutee X agrave valeursdans K Tout eacuteleacutement P de K[X] peut srsquoeacutecrire sur la base canonique(Xn)nisinN sous la forme P = sum

nanX

n

Degreacute drsquoun polynocircme ndash Deacutefinition

deg P = max n isin Nan 6= 0 deg P degreacute du polynocircme P

Degreacute drsquoun polynocircme ndash Proprieacuteteacutes

deg(P + Q) 6 max(deg P degQ)

(PQ) isin K[X]

Lorsque deg P 6= degQ alors deg(P+Q)=max(deg P+degQ)

deg(PQ) = deg P + degQ

Produit

PQ = sumncnX

n

cn =n

sump=0

apbnminusp

P = sumnanX

n isin K[X]

Q = sumnbnX

n isin K[X]

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 9

1 Algegravebre 9

Composition

P Q = P(Q) = sumnanQ

nP Q polynocircme composeacuteP = sum

nanX

n isin K[X]

Q isin K[X]

Deacuterivation

Pprime = sumngt1

nanXnminus1 P = sum

nanX

n isin K[X]

Pprime polynocircme deacuteriveacute de P

Division euclidienne

forall(A B) isin (K[X])2 exist(Q R) isin (K[X])2A = BQ + R avec deg R ltdeg BQ quotient de la division euclidienne de A par BR reste de la division euclidienne de A par B

Divisibiliteacute dans K[X]

On dit que A divise P deux polynocircmes de K[X] si et seulement srsquoilexiste Q isin K[X] tel que P = AQOn appelle plus grand commun diviseur de (Pk)kisin[1n] isin (K[X] 0)le polynocircme de plus haut degreacute parmi les diviseurs des PkSoient (PQ) isin (K[X])2 ils sont dits premiers entre eux si et seulementsi leur plus grand commun diviseur est 1

Proprieacuteteacute de Gauss Soient A B et C trois polynocircmes non nuls deK[X] si A divise BC et si A et B sont premiers entre eux alors A diviseCSi A est premier avec B et avec C alors A est premier avec BC

Eacutegaliteacute de Bezout pour deux polynocircmesSoient A et B deux polynocircmes non nuls de K[X] Ces deux polynocircmessont premiers entre eux si et seulement si il existe un unique couple(UV) de polynocircmes de K[X] tels que

AU + BV = 1

Polynocircme irreacuteductibleUn polynocircme P isin K[X] est dit irreacuteductible si et seulement si deg P gt 1et si P nrsquoadmet comme diviseurs que les eacuteleacutements non nuls du corps Ket les multiples de lui-mecircmec copyDuno

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 10

10 [1] Matheacutematiques

Fonction polynomiale

Agrave tout polynocircme P = sumnanX

n on associe la fonction polynomiale

P ξ 7rarrsumnanξ

n

Racine drsquoun polynocircme

P(α) = 0α est appeleacutee racine du polynocircmeP isin K[X] si elle veacuterifie la proprieacuteteacuteci-contre

Soit (α)iisinI famille des racines deux agrave deux distinctes du polynocircme PCe polynocircme peut alors srsquoexprimer sous la forme P = Qprod

iisinI(xminus αi)

mi

ougrave mi est la multipliciteacute de la racine αi et Q un polynocircme nrsquoayant pasde zeacutero dans K

Multipliciteacute drsquoune racine drsquoun polynocircme

P(mminus1)(α) = 0

P(m)(α) 6= 0

α est une racine P de multipli-citeacute m si elle veacuterifie la proprieacuteteacute ci-contre

Polynocircme scindeacuteUn polynocircme P isin K[X] est dit scindeacute sur K si et seulement si il existeλ isin K 0 et une famille drsquoeacuteleacutements non neacutecessairement distincts(xi)iisin[1n] tels que

P = λn

prodi=1

(Xminus xi)

Theacuteoregraveme de drsquoAlembert amp ConseacutequenceLe corps C est algeacutebriquement clos tout polynocircme non constant deK[X] admet au moins un zeacutero dans CConseacutequence Tout polynocircme non constant est scindeacute sur C

Fraction rationnelle ndash Deacutefinition

R =sumnanX

n

sumnbnX

n

R isin K(X) fraction rationnelleK(X) corps des fractions ration-nelles(an bn) isin K2 coefficients

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 11

1 Algegravebre 11

Zeacuteros et pocircles drsquoune fraction rationnelle

Soit R =P

Qisin K(X) avec (PQ) isin K[X]2 une fraction rationnelle

Si P et Q sont deux polynocircmes premiers entre eux - on appelle zeacuteros de R les zeacuteros de P- on appelle pocircles de R les zeacuteros de Q

Deacutecomposition en eacuteleacutements simples

R =P

Sα11 times middot middot middot times Sαn

n

R = E +n

sumi=1

αi

sumj=1

Cαi j

Sji

R isin K(X) une fraction ration-nelleSαi

i isin K[X] polynocircme irreacuteduc-tibles premiers deux agrave deux entreeuxforalliαi isin NlowastE isin K[X] partie entiegravere de R

16 Geacuteneacuteraliteacutes sur les applications

Application injective

forall(x y) isin E2

( f (x) = f (y) =rArr x = y)

Une application f est dite injec-tive si et seulement si elle veacuterifiela proprieacuteteacute ci-contre

Application surjective

forally isin F existx isin E f (x) = y

Une application lineacuteaire f de Edans F est dite surjective si etseulement si elle veacuterifie la pro-prieacuteteacute ci-contre

Composition de fonctions injectives de fonctions surjectives

g f injective rArr f injectiveg f surjective rArr g surjective f et g deux applicationsc copy

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 12

12 [1] Matheacutematiques

17 Applications lineacuteaires ndash Espaces vectoriels

Espace vectoriel ndash DeacutefinitionSoit E un ensemble muni drsquoune loi interne noteacutee + drsquoune loi externeKtimes Erarr E noteacutee middot telles que (E+) est un groupe abeacutelienforallλ isin K forall(x y) isin E2 λ(x + y) = λx + λyforall(λmicro) isin K2 forallx isin E (λ + micro)x = λx + microxforall(λmicro) isin K2 forallx isin E λ(microx) = (λmicro)xforallx isin E 1x = xUn tel ensemble est appeleacute K-espace vectoriel

Sous-espace vectorielSoit E un K-espace vectoriel et F sub E F est dit sous-espace vectorielde E si et seulement si il veacuterifie les proprieacuteteacutes suivantes (1) F 6= empty(2) forall(x y) isin F2 x + y isin F(3) forallλ isin K forallx isin F λx isin F

Sous-espace engendreacute par une partie

Vect(A) =⋂

FsubEFsupA

F

E K-espace vectorielA sub EVect(A) sous-espace vectorielengendreacute par AAutrement dit Vect(A)est le pluspetit sous-espace vectoriel de Econtenant A ou si A 6= empty lrsquoen-semble des combinaisons lineacuteairesdes eacuteleacutements de E

Somme directe de sous-espaces vectoriels

E = sumiisinI

Ei

forall(i j) isin I2 Ei capsumj 6=i

E j = 0

(Ei)iisinI famille de sous-espacesvectoriels drsquoun espace vectoriel ESi la somme des Ei veacuterifie les deuxproprieacuteteacutes ci-contre elle est ditedirecteDans ce cas forallx isin E il existe uneunique deacutecomposition x = sum

iisinIxi

avec xi isin Ei

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 13

1 Algegravebre 13

Sous-espaces vectoriels suppleacutementaires

E =oplus

iisinIEi

(Ei)iisinI famille de sous-espacesvectoriels drsquoun espace vectoriel EIls sont dits suppleacutementaires si etseulement srsquoils sont en somme di-recte et que leur somme est eacutegale agraveE

Famille geacuteneacuteratriceSoit (xi)iisinI une famille de vecteurs drsquoun espace vectoriel de E sur KOn dit que cette famille est geacuteneacuteratrice si et seulement si tout eacuteleacutementx de E peut srsquoexprimer comme combinaison lineacuteaire des xi crsquoest-agrave-direqursquoil existe une famille (λi)iisinI telle que x = sum

iisinIλixi

Famille libre

sumiisinI

λixi = 0 =rArr foralli isin I λi = 0(xi)iisinI famille de vecteurs de E(λi)iisinI famille de scalaires de KUne famille est libre si elle veacuterifiela proprieacuteteacute ci-contre

Proprieacuteteacutes fondamentales des famillesndash Toute sur-famille drsquoune famille geacuteneacuteratrice drsquoune famille geacuteneacuteratriceest geacuteneacuteratricendash Toute sous famille drsquoune famille libre est une famille libre

ndash Si (x1 xn) libre et (x1 xn xn+1) lieacutee alors xn+1 =n

sumi=1

λixi

ndash Une famille comportant le vecteur nul est lieacutee

Base drsquoun espace vectoriel ndash DeacutefinitionUne base de E est une famille de vecteurs (xi)iisinI de E libre et geacuteneacutera-triceAutres formulations une base est une famille libre maximale ou en-core une famille geacuteneacuteratrice minimale

Theacuteorie de la dimensionUn K-espace vectoriel est dit de dimension finie si et seulement si Eadmet au moins une famille geacuteneacuteratrice de dimension finieSoit E un K-espace vectoriel de dimension finie alors 1 E admet au moins une base de dimension finie2 Toutes les bases de E sont finies et ont le mecircme cardinal appeleacute di-mension de E et noteacute dim E

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 14

14 [1] Matheacutematiques

Theacuteoregraveme de la base incomplegraveteSoit E un K-espace vectoriel de dimension n et F = (x1 xr)unefamille libre de E Il y a au moins une faccedilon de compleacuteter F par nminus rvecteurs drsquoune base de E pour obtenir une base de E

Base duale deacutefinition

elowasti (e j) = δi j =

1 si i = j0 si i 6= j

E K-espace-vectorielElowast dual de EB = (e1 en) une base de EBlowast = (elowast1 e

lowastn) base de Elowast

Blowast est appeleacute base duale de BProprieacuteteacutes des familles libres et des familles geacuteneacuteratrices

Soient E un K-espace vectoriel de dimension nndash Toute famille libre de E comporte au plus n eacuteleacutementsndash Toute famille geacuteneacuteratrice de E comporte au moins n eacuteleacutements

Droite vectorielle ndash HyperplanOn appelle droit vectorielle tout sous-espace vectoriel de dimension 1On appelle hyperplan tout sous-espace vectoriel de dimension nminus 1drsquoun espace vectoriel de dimension n

CodimensionSoit F un sous-espace vectoriel de E il est dit de codimension finiesi et seulement si F admet au moins un suppleacutementaire de dimensionfinie dans E

Application lineacuteaire ndash Deacutefinition

forall(x y) isin E2 forallλ isin K

f (x + λy) = f (x) + λ f (y)

On dit que f est une application li-neacuteaire de E dans F si et seulementsi elle veacuterifie la proprieacuteteacute ci-contre

Forme lineacuteaire ndash DeacutefinitionOn appelle forme lineacuteaire une application lineacuteaire qui va de E dans lecorps de reacutefeacuterence K

Applications lineacuteaires et famille de vecteursforall f isin L(E F) et pour toute famille finie F drsquoeacuteleacutements de E ndash f (Vect(F )) = Vect( f (F ))ndash si F est lieacutee alors f (F ) est lieacutee

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 15

1 Algegravebre 15

ndash si f (F ) est libre alors F est librendash si f est bijective pour toute base B de E f (B) est une base de F

Image et noyau drsquoune application lineacuteaire ndash Deacutefinition

Im f = y isin Fexistx isin E f (x) = yOn appelle image de f le sous-espace vectoriel de F noteacute Im f deacute-fini ci-contre

Ker f = x isin E f (x) = 0On appelle noyau de f le sous-espace vectoriel de E noteacute Ker fdeacutefini ci-contre

Noyau drsquoune forme lineacuteaire

Le noyau drsquoune forme lineacuteaire autre que la forme nulle est un hyper-plan

Rang drsquoune application lineacuteaire ndash Deacutefinition

Soient E et F deux espaces vectoriels sur K et f une application lineacuteairede E dans F Si Im f est de dimension finie dim Im f srsquoappelle rangde f et se note rg f

Formule du rang

dim E = rg f + dim(Ker f )

E espace vectoriel de dimensionfinief application lineacuteairerg f rang de fKer f noyau de f

Isomorphisme ndash Endomorphisme ndash Automorphisme

ndash Un isomorphisme drsquoespaces vectoriels est une application lineacuteairede E dans F bijective

ndash Un endomorphisme de E est une application lineacuteaire de E dans E

ndash Un automorphisme est un endomorphisme bijectif On note GL(E)lrsquoensemble des automorphismes de E

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 16

16 [1] Matheacutematiques

Endomorphisme nilpotentOn dit qursquoun endomorphisme f drsquoun K-espace-vectoriel E est nil-potent si et seulement si existp isin Nlowast tel que f p = 0 Lrsquoordre de nilpotenceest alors le plus petit p isin Nlowast tel que f p = 0

Applications lineacuteaires ndash Cas de la dimension finie

(1) f isomorphisme(2) f injective(3) f surjective(4) rg f = n

E et F deux espaces vectoriels demecircme dimension n sur Kf isin L(E F)Les propositions ci-contre sontdeux agrave deux eacutequivalentes

(1) f automorphisme(2) f injective(3) f surjective(4) rg f = n

E espace vectoriel de dimensionn sur Kf isin L(E)Les propositions ci-contre sontdeux agrave deux eacutequivalentes

Image et noyau drsquoune application lineacuteaire ndash Proprieacuteteacutes

f surjective lArrrArr Im f = Ff injective lArrrArr Ker f = 0 f application lineacuteaire de E dans F

Projecteur ndash Deacutefinition

p2 = p (1)

Un projecteur est une applicationlineacuteaire veacuterifiant la relation (1)p est alors le projecteur sur Im pparallegravelement agrave Ker p

Symeacutetrie ndash Deacutefinition

s2 = IdE

Une symeacutetrie est une applicationlineacuteaire veacuterifiant la relation ci-contre

p = 12 (s + IdE) est un projecteur

s est la symeacutetrie par rapportagrave Ker(s minus IdE) parallegravelement agraveKer(s + IdE)

Une symeacutetrie est une applicationlineacuteaire veacuterifiant les proprieacuteteacutes ci-contre

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 17

1 Algegravebre 17

Formule de Grassman

dim(A + B) = dim A + dim B minus dim(A cap B) ougrave A et B sont deuxsous-espaces vectoriels de E de dimensions finies

18 Matrices ndash Deacuteterminants ndash Systegravemes lineacuteaires

Ensemble des matrices

On noteMmn(K) lrsquoensemble des matrices agrave m lignes et n colonnes

Matrices et applications lineacuteaires

f (e j) =m

sumi=1

ai j fi

f application lineacuteaire de E dans Fdeux espaces vectoriels de dimen-sion finieM = (ai j)iisin[1m] jisin[1n] matrice as-socieacutee agrave lrsquoapplication lineacuteaire fB = (e j) jisin[1n] base de E

Bprime = ( fi)iisin[1m] base de F

Somme de deux matrices

γi j = αi j + βi j

M = (αi j) isin Mmn(K)

N = (βi j) isin Mmn(K)

M + N = (γi j) isin Mmn(K)

Produit drsquoune matrice par un scalaire

M = λN

(γi j) = (λ middot αi j)

λ isin KM = (αi j) isin Mmn(K)

N = (γi j) isin Mmn(K)

c copyDuno

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toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 18

18 [1] Matheacutematiques

Produit de matrices

β1 jβ2 j

βk j

βp j

αi1αi2 middot middot middotαik middot middot middotαip

γi j

M = (αik) isin Mmp(K)N = (βk j) isin Mpn(K)

MN = (γi j) isin Mmn(K)

γi j =p

sumk=1

αik middot βk j

Proprieacuteteacutes des opeacuterations sur les matrices

(M + N)P = MP + NP (MN) isin (Mmp(K))2 P isinMpn(K)

(microM)(λN) = microλ(MN)

M isin Mmp(K)N isin Mpn(K)

(λmicro)2 isin K2

(MN)P = M(NP)

M isin Mmp(K)N isin Mpn(K)N isin Mnq(K)

Attention En geacuteneacuteral MN 6= NM

Transposeacutee drsquoune matrice

A = (ai j) iisin[1n]

jisin[1p]

tA = (a ji) jisin[1p]iisin[1n]

A isin Mnp(K)tA isin Mpn(K) matrice transpo-seacutee de A

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 19

1 Algegravebre 19

Changement de base

Aprime = Qminus1AP

Aprime matrice drsquoune application li-neacuteaire de E (dans la base base Bprime)vers F (dans la base base C prime)A matrice de la mecircme applicationlineacuteaire de E (dans la base base B)vers F (dans la base base C)P matrice de passage de B agrave BprimeQ matrice de passage de C agrave C primeDans le cas drsquoun endomorphismeQ = P (seulement deux bases sontneacutecessaires)

Exponentielle de matrice

exp(A) =+infin

sumk=0

1kAk

A isin Mn(K)exp(A) exponentielle de la ma-trice A

Deacuteterminant ndash DeacutefinitionUn deacuteterminant est une forme multilineacuteaire alterneacuteeMultilineacuteariteacute (det(α1V1 αnVn) = α1 middot middot middot middot αn det(V1 Vn))Alterneacutee Vi = Vj avec i 6= j =rArr det(V1 Vn) = 0Dans une base B = (e1 en) de E on note detB lrsquoapplication

detB(V1 Vn) = sumσisinSn

ε(σ)aσ(1)1 middot middot middot aσ(n)n

Avec Vj =n

sumi j=1

ai j jei j j

Deacuteterminant drsquoun produit de matrices

det(M middot N) = detM middot detN M isin Mn(K)N isin Mn(K)

Deacuteterminant et matrice inversible

M inversible lArrrArr detM 6= 0c copyDuno

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 20

20 [1] Matheacutematiques

det(Mminus1) = (detM)minus1 M isin Mn(K) inversible

Deacuteterminant de Vandermonde∣∣∣∣∣∣∣

1 x1 x21 middot middot middot xnminus11

1 xn x2n xnminus1n

∣∣∣∣∣∣∣= prod

16 jlti6n

(xi minus x j) (x1 xn) isin Kn

Matrice inversible ndash DeacutefinitionUne matrice M isin Mn(K) est dite inversible srsquoil existe une matrice Ntelle que

M middot N = N middotM = InLa matrice N est alors appeleacutee inverse de M et se note Mminus1

Matrices inversiblesSoit A isin Mn(K) et f un endomorphisme repreacutesenteacute par A dans unebase Les proprieacuteteacutes ci-dessous sont deux agrave deux eacutequivalentes (1) f est bijective(2) A est inversible agrave gauche(3) A est inversible agrave droite(4) A est inversible(5) A est reacuteguliegravere agrave gauche(6) A est reacuteguliegravere agrave droite(7) A est reacuteguliegravere

Matrice des cofacteurs ndash Comatrice

comM = (detMi j)iisin[1n]jisin[1n]

comM comatrice de M (ou ma-trice des cofacteurs)Mi j matrice M laquo priveacutee raquo de sa ie

ligne et de sa je colonne

Matrice inverse

Mminus1 =1

detM

t

com(M)

M isin Mn(K) matrice inversiblecom(M) matrice des cofacteursde M

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 21

1 Algegravebre 21

Systegraveme lineacuteaire ndash Deacutefinition

a11x1 + middot middot middot+ a1pxp = b1

an1x1 + middot middot middot+ anpxp = bn

On peut interpreacuteter ce systegravemecomme le produit de la matriceA = (ai j)iisin[1n] jisin[1p] par le vecteurX = (xi)iisin[1p] (vecteur inconnu)Ce produit est eacutegal au vecteur se-cond membre B = (bi)iisin[1n]

Systegraveme de Cramer

forall j isin [1 p] x j =det A j(b)

det A

Dans le cas drsquoun systegraveme de Cra-mer n = p = rg ALe systegraveme admet alors une so-lution unique donneacutee par les for-mules de Cramer ci-contreA j(b) est obtenue agrave partir de A enremplaccedilant le vecteur colonne c jpar b

Cas ougrave rg A = n lt p

Apregraves permutation des inconnues on peut supposer que la matriceAprime = (ai j)iisin[1n]

jisin[1n]

extraite de A est inversible On eacutetablit alors le systegraveme

suivant

a11x1 + middot middot middot+ a1nxn = b1 minus (a1n+1xn+1 + middot middot middot+ a1pxp)

an1x1 + middot middot middot+ annxn = bn minus (ann+1xn+1 + middot middot middot+ anpxp)

Ce systegraveme est de Cramer et admet donc une solution unique Cetensemble est un sous-espace affine de dimension pminus n

Cas ougrave rg A lt n

Soit on peut se ramener au cas preacuteceacutedent par combinaison lineacuteaire deseacutequations soit le systegraveme nrsquoadmet pas de solutionc copyDuno

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22 [1] Matheacutematiques

19 Espaces vectoriels euclidiens

Produit scalaire ndash Deacutefinition

Un produit scalaire euclidien surE est une application ϕ de E2 dansR veacuterifiant (1) ϕ est bilineacuteaire(2) ϕ est symeacutetrique(3) forallx isin E ϕ(x x) gt 0(4) forallx isin E ϕ(x x) = 0rArr x = 0

ϕ veacuterifiant (3) est dite positiveϕ veacuterifiant (4) est dite deacutefinieϕ veacuterifiant (3) et (4) est ditedeacutefinie-positiveOn note ce produit scalaire (middot|middot)

Forme quadratique

forallx isin E q(x) = ϕ(x x)ϕ une forme bilineacuteaire symeacutetriquesur Etimes Eq E rarr R forme quadratique as-socieacutee agrave ϕ

Matrice associeacutee

MatB(ϕ) = (ϕ(ei e j))iisin[1n]jisin[1n]

MatB(ϕ) matrice de ϕ dans BB base de Eϕ E times E rarr R forme bilineacuteairesymeacutetrique

Expression matricielle

ϕ(x y) =t XAY

ϕ E times E rarr R forme bilineacuteairesymeacutetrique(x y) isin E2

X = MatB(x)Y = MatB(y)

Norme euclidienne ndash Deacutefinition

x2 =radic

(x|x) middot 2 norme euclidienne sur Ex isin E

Ineacutegaliteacute de Cauchy-Schwarz

|(x|y)| 6 x middot y forall(x y) isin E2

Il y a eacutegaliteacute si et seulement si les vecteurs x et y sont lieacutes

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 23

1 Algegravebre 23

Ineacutegaliteacute triangulaire ou de Minkowski

x + y 6 x+ y forall(x y) isin E2

Il y a eacutegaliteacute si et seulement si les vecteurs x et y sont positivement lieacutesou si x = 0

Relations entre produit scalaire et norme

forall(x y) isin E2 1 x + y2 = x2 + 2(x|y) + y22 xminus y2 = x2 minus 2(x|y) + y2

3 (x|y) =12

(x + y2 minus x2 minus y2

)

4 (x|y) =14

(x + y2 minus xminus y2

)

Vecteurs orthogonaux

Soit (x y) isin E2 on dit que ces deux vecteurs sont orthogonaux si etseulement si (x|y) = 0

Parties orthogonales ndash Orthogonal drsquoune partie

forall(x y) isin Atimes B (x|y) = 0

Aperp = x isin Eforally isin A (x|y) = 0

x y deux vecteurs respective-ment de A et de BA B deux parties orthogonalesde EAperp orthogonal de la partie A

Ineacutegaliteacute de Bessel

n

sumj=1|(e j|x)|2 6 x2

E espace vectoriel preacutehilbertienx vecteur de E(e j) jisin[1n] famille orthonormalede E

Projecteur orthogonal

Ker p = (Im p)perp

Im p = (Ker p)perpp projecteur orthogonal sur Im pparallegravelement agrave Ker p

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 24

24 [1] Matheacutematiques

Attention un projecteur orthogonal nrsquoest pas une application ortho-gonale

Diagonalisation drsquoune matrice symeacutetrique

forallS isin Sn(R) exist(ΩD) isin On(R)timesDn(R) S = ΩDΩminus1

Sn(R) ensemble des matrices symeacutetriques de R

On(R) groupe orthogonal

Dn(R) ensemble des matrices diagonales de R

Valeurs propres de matrices symeacutetriques

Les valeurs propres drsquoune matrice S isin Sn(R) sont reacuteelles

Endomorphisme adjoint ndash Deacutefinition

forall f isin L(E) exist f lowast isin L(E) tel que

forall(x y) isin E2 ( f (x)|y) = (x| f lowast(y))

E espace vectoriel euclidienL(E) ensemble des endomor-phismes de Ef endomorphisme de Ef lowast lrsquoadjoint de fx y deux vecteurs de E

Automorphismes orthogonaux symeacutetriques antisymeacutetriques

(1) f lowast = fminus1(2) f lowast = f(3) f lowast = minus f

Un automorphisme f veacuterifiant ndash (1) est dit orthogonalndash (2) est dit symeacutetrique ou auto-adjointndash (3) est dit antisymeacutetrique

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 25

1 Algegravebre 25

Proprieacuteteacutes des adjoints

Ker f lowast = (Im f )perp Im f lowast = (Ker f )perp

(λ f + g)lowast = λ f lowast + glowast

(g f )lowast = f lowast glowast

(IdE)lowast = IdE

( f lowast)lowast = f

( fminus1)lowast = ( f lowast)minus1

Mat f lowast =t Mat f

( f g) isin L(E)2 endomorphismesde E admettant des adjointsf lowast endomorphisme adjoint de E

Aperp orthogonal de A A eacutetant unepartie de E

Deacutefinition et proprieacuteteacutes des automorphismes orthogonaux

(1) forall(x y) isin E2 ( f (x)| f (y)) = (x|y)(2) forallx isin E f (x) = x(3) f isin O(E)

Les proprieacuteteacutes (1) (2) et (3) sonteacutequivalentes(1) traduit la conservation du pro-duit scalaire(2) traduit la conservation de lanorme

O(E) ensemble des automor-phismes orthogonaux de Ef isin L(E)

Caracteacuterisation des automorphismes orthogonaux

tM middotM = In ou M middott M = In

f lowast f = f f lowast = IdE

M matrice orthogonale deMn(K)f automorphisme orthogonal deEIdE application identiteacute de EIn matrice identiteacute deMn(K)c copy

Duno

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 26

26 [1] Matheacutematiques

110 Reacuteduction des endomorphismes

Valeur propre ndash Deacutefinition

existx isin E x 6= 0 tel que

f (x) = λx

f isin L(E)λ isin K valeur propre de fAutre formulation f minus λ IdE estnon injectif

Spectre drsquoun endomorphismeSoit f isin L(E) on appelle spectre de f noteacute Sp( f ) lrsquoensemble

Sp( f ) = λ isin K existx isin E 0 f (x) = λxVecteur propre ndash Deacutefinition

x 6= 0 et existλ isin K

f (x) = λx

x isin E vecteur propre de ff isin L(E)(alors λ isinSp( f ))

Sous-espace propre ndash Deacutefinition

SEP( f λ) = Ker( f minus λ IdE)

SEP( f λ) sous-espace propre as-socieacute agrave λf isin L(E)λ isin Sp( f )

Polynocircme caracteacuteristique ndash Deacutefinition

χA(λ) = det(Aminus λIn)

χ f (λ) = det( f minus λIdE)

χA(λ) polynocircme caracteacuteristiquede Aχ f (λ) polynocircme caracteacuteristiquede ff isin L(E)A matrice drsquoordre n associeacutee agrave f

Polynocircme caracteacuteristique ndash Proprieacuteteacutes

ndash Le coefficient dominant est(minus1)nndash Le coefficient de λnminus1 est(minus1)nminus1 tr Andash Le terme constant est det A

A isin Mn(K)χA(λ) polynocircme caracteacuteristiquede Aλ indeacutetermineacutee du polynocircme

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 27

2 Analyse 27

Diagonalisabiliteacute

1 f est diagonalisable2 Il existe une base de E formeacutee devecteurs propres de f 3 La somme des sous-espacespropres pour f est eacutegale agrave E4 La somme des dimensions dessous-espaces propres pour f esteacutegale agrave dim E

Les proprieacuteteacutes ci-contre sont deuxagrave deux eacutequivalentesE espace vectoriel de dimensionfinief isin L(E)

TrigonalisationSoit f isin L(E) les deux proprieacuteteacutes suivantes sont eacutequivalentes 1 f est trigonalisable2 χ f est scindeacute sur K

Drapeau

foralli isin 1 n dim(Ei) = iforalli isin 1 nminus 1 Ei sub Ei+1

E un K-espace-vectoriel(E1 En) famille de sous-espaces vectoriels de En = dim E

Theacuteoregraveme de Cayley - Hamilton

Le polynocircme caracteacuteristique de f annule f crsquoest-agrave-dire forall f isinL(E) χ f = 0

2 Analyse

21 Espaces vectoriels normeacutes

Norme ndash Deacutefinition

On appelle norme sur un K-espace vectoriel E toute application N Erarr R veacuterifiant les trois points suivants 1 forallλ isin K forallx isin EN(λx) = |λ|N(x)2 forallx isin E N(x) = 0 =rArr x = 03 forall(x y) isin E2 N(x + y) 6 N(x) + N(y)

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 28

28 [1] Matheacutematiques

Normes eacutequivalentesDeux normes N1 et N2 sont dites eacutequivalentes si et seulement si il existe(αβ) isin Rlowast+

2 tels que

αN1 6 N2 6 βN1

Distance ndash DeacutefinitionSoit (E middot ) un espace vectoriel normeacute on appelle distance associeacutee agravela norme middot lrsquoapplication d E2 rarr R deacutefinie par d(x y) = xminus yLa distance possegravede les proprieacuteteacutes suivantes 1 forall(x y) isin E2 d(x y) = d(y x)2 forall(x y) isin E2 d(x y) = 0 =rArr x = y3 forall(x y z) isin E3 d(x z) 6 d(x y) + d(y z)4 forall(x y) isin E2 forallλ isin K d(λx λy) = |λ|d(x y)5 forall(x y z) isin E3 d(x + z y + z) = d(x y)

Distance drsquoun point agrave une partieOn appelle distance de x isin E agrave A une partie non vide de E R espacevectoriel le reacuteel deacutefini par

d(x A) = infaisinA

d(x a)

Boule ouverte ndash Deacutefinition

B(a r) = x isin Eaminus x lt r

Boule fermeacutee ndash Deacutefinition

B(a r) = x isin Eaminus x 6 r

Partie ouverte de E

On appelle ouvert de E toute partie X de E veacuterifiant la proprieacuteteacute

forallx isin X existr isin Rlowast+ B(x r) sub X

Partie fermeacutee de E

On appelle fermeacute de E toute partie de E dont le compleacutementaire dansE est un ouvert de E

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 29

2 Analyse 29

Partie borneacutee ndash DeacutefinitionSoit (E middot ) un K-espace vectoriel une partie A de E est dite borneacuteesi et seulement si

existM isin R+ forall(x y) isin A2 d(x y) 6 M

VoisinageSoit a isin E un K-espace vectoriel on dit que V est un voisinage de a siet seulement srsquoil existe r gt 0 tel que B(a r) sub V

Inteacuterieur ndash Frontiegravere ndash AdheacuterenceOn appelle inteacuterieur drsquoune partie A sub E avec E unK-espace vectoriel A=

Ω ouvert de EΩsubA

Ω

On appelle adheacuterence de A (noteacutee A) la partie A =⋂

F fermeacute de EFsupA

F

On appelle frontiegravere de A la partie de A noteacutee partA la partie deacutefinie par

A AValeur drsquoadheacuterence

On dit que a est valeur drsquoadheacuterence de la suite de E (un)nisinN si et seule-ment srsquoil existe une suite extraite de (un)nisinN telle que uσ(n) minusminusminusminusrarrararr+infin

a

Caracteacuterisation de la continuiteacute pour une application lineacuteaireSoit f isin L(E F) ougrave E et F sont deux K-espaces vectoriels alors lesdeux propositions suivantes sont eacutequivalentes (1) f est continue(2) existM isin R+ forallx isin E f (x)F 6 MxE

Partie compacteOn dit que X sub E E eacutetant un K-espace vectoriel est une partie com-pacte de E si et seulement toute suite drsquoeacuteleacutements de X admet au moinsune valeur drsquoadheacuterence dans X

Partie compacte en dimension finieLes parties compactes drsquoun K-espace vectoriel de dimension finie sontles parties fermeacutees borneacutees

Normes en dimension finieToutes les normes sur un K-espace vectoriel de dimension finie sonteacutequivalentes

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 30

30 [1] Matheacutematiques

Applications lineacuteaires en dimension finieSoient E et F deux K-espaces vectoriels normeacutes si E est de dimensionfinie alors toute application lineacuteaire Erarr F est continue

Suites de CauchyOn appelle suite de Cauchy dans un K-espace vectoriel normeacute toutesuite veacuterifiant

forallε gt 0 existN isin N forall(p q) isin NtimesNlowast p gt N =rArr up minus up+q 6 ε

Toute suite convergente dans un K-espace vectoriel normeacute est de Cau-chy

Partie complegravete ndash DeacutefinitionUne partie A drsquoun K-espace vectoriel normeacute est dite complegravete si etseulement si toute suite de Cauchy drsquoeacuteleacutements de A converge dans A

Partie complegravete ndash ProprieacuteteacutesToute partie X drsquoun K-espace vectoriel normeacute complet veacuterifie

X fermeacuteelArrrArr X complegraveteToute partie compacte drsquoun K-espace vectoriel normeacute est complegravete

Connexiteacute par arcsUne partie A drsquoun K-espace vectoriel normeacute de dimension finie est diteconnexe par arcs si et seulement si forall(x y) isin A2 existγ isin C0([a b] E) telque

γ(a) = x γ(b) = yforallt isin [a b]γ(t) isin A

Espace preacutehilbertien ndash Espace euclidienOn appelle espace preacutehilbertien tout couple (Eϕ) ougrave E est un K-espace vectoriel et ϕ un produit scalaire sur EOn appelle espace euclidien tout espace preacutehilbertien de dimensionfinie

Theacuteoregraveme de PythagorePour toute famille orthogonale finie (xi)iisinI drsquoun espace preacutehilbertien(E (middot|middot)) on a ∥∥∥∥∥sum

iisinIxi

∥∥∥∥∥

2

= sumiisinIxi2

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 31

2 Analyse 31

22 Nombres reacuteels

Preacutesentation

(R+ middot) est un corps commutatif

6 est une relation drsquoordre total dans R

forall(a b c) isin R3

a 6 b =rArr a + c 6 b + ca 6 b0 6 c

=rArr ac 6 bc

Toute partie non vide majoreacutee de R admet une borne supeacuterieure dansR

Distance usuelle dans R

d RtimesRrarr R(x y) 7rarr |xminus y|

Le nombre reacuteel d(x y) est la dis-tance usuelle dans R

R corps archimeacutedien

forallε isin Rlowast+ forallA isin Rlowast+ existn isin Nlowast nε gt A

Partie entiegravere ndash Deacutefinition

forallx isin R

E(x) 6 x 6 E(x) + 1

x isin RE(x) partie entiegravere de xE(x) est lrsquounique entier relatif veacute-rifiant la proprieacuteteacute ci-contre

Densiteacute

forall(x y) isin R2

(x lt y =rArr (existd isin D x lt d lt y))

D sub RCette partie D est dite dense dansR si et seulement si elle veacuterifie laproprieacuteteacute ci-contreTheacuteoregraveme Q est dense dans Rc copy

Duno

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32 [1] Matheacutematiques

23 Nombres complexes

Forme carteacutesienne Forme polaire drsquoun nombre complexe

z = a + ib

z = ρeiθ

z nombre complexe (z isin C)a partie reacuteelle de z (a isin R) on lanote aussi Re(z)b partie imaginaire de z (b isin R)on la note aussi Im(z)ρ module de z (ρ isin R+)θ argument de z (θ isin R)

Nombre complexe conjugueacute ndash Deacutefinition

z = a + ib

z = aminus ib

z isin C nombre complexez isin C nombre complexe conju-gueacute de za partie reacuteelle de z et de zb partie imaginaire de z

Nombre complexe conjugueacute ndash Proprieacuteteacutes

z + z = 2Re(z)

zminus z = 2i Im(z)

z nombre complexez nombre complexe conjugueacute dez

z = z si z est reacuteel

z = minusz si z est imaginaire pur

Module drsquoun nombre complexe

|z|2 = z middot z |z| module de z

Module drsquoun produit ndash Module drsquoun quotient

|zzprime| = |z| middot |zprime|

zprime 6= 0∣∣∣z

zprime∣∣∣ =|z||zprime|

z isin C nombre complexezprime isin C nombre complexe

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 33

2 Analyse 33

Ineacutegaliteacute triangulaire

|z + zprime| 6 |z|+ |zprime| z isin C nombre complexezprime isin C nombre complexe

Condition de cocycliciteacute ou drsquoalignement de quatre points

z4 minus z1z3 minus z1

z4 minus z2z3 minus z2

isin R

Mi point du plan drsquoaffixe zizi isin CLes points M1 M2 M3 et M4 sontcocyliques ou aligneacutes si et seule-ment si leurs affixes veacuterifient laproprieacuteteacute ci-contre

Formule de Moivre

(cos θ+ i sin θ)n = cos nθ+ i sin nθ θ isin Rn isin Z

Formule drsquoEuler

cos x =eix + eminusix

2

sin x =eix minus eminusix

2i

x isin R

Racines niegravemes drsquoun complexe

zk = nradicr(ei

ϕ+2kπn

)

Les zk sont les solutions de lrsquoeacutequa-tion zn = reiϕ(k n) isin N2 avec 0 6 k 6 nminus 1z isin Cr isin R+En particulier les racines niegravemes

de lrsquouniteacute zk = ei2kπn

Groupe des racines niegravemes de lrsquouniteacuteU = z isin C |z| = 1 est un groupe pour la multiplication

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34 [1] Matheacutematiques

24 Suites

Convergence ndash DeacutefinitionOn dit qursquoune suite numeacuterique (un)nisinN converge vers une limite l isin Ksi et seulement si

forallε gt 0 existN isin N foralln gt N isin N n =rArr |un minus l| 6 ε

On dit qursquoune suite numeacuterique (un)nisinN converge si et seulement si existl isin K forallε gt 0 existN isin N foralln isin N n gt N =rArr |un minus l| 6 ε

Suite borneacuteeUne suite complexe (un)nisinN est dite borneacutee si et seulement si

existM isin R+ foralln isin N |un| 6 M

Theacuteoregraveme drsquoencadrementSoient (un)nisinN (vn)nisinN (wn)nisinN trois suites reacuteelles telles que

existN isin N foralln isin N n gt N =rArr un 6 vn 6 wn

(un)n et (wn)n convergent vers une mecircme limite lAlors (vn)n converge aussi vers l

Suite arithmeacutetique

un = unminus1 + r

Sn =(u1 + un)n

2

un ne terme de la suiter raisonu1 premier terme de la suiteSn somme des n premiers termesde la suite un

Suite geacuteomeacutetrique

un = q middot unminus1

Sn =u1(q

n minus 1)qminus 1

q 6= 1

un ne terme de la suiteq raison de la suiteu1 premier terme de la suiteSn somme des n premiers termesde la suite un

Suites reacuteelles monotonesOn dit que (un)nisinN est croissante si et seulement si

foralln isin N un 6 un+1On dit que (un)nisinN est deacutecroissante si et seulement si

foralln isin N un gt un+1On dit que (un)nisinN est strictement croissante si et seulement si

foralln isin N un lt un+1On dit que (un)nisinN est strictement deacutecroissante si et seulement si

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 35

2 Analyse 35

foralln isin N un gt un+1On dit que (un)nisinN est (strictement) monotone si et seulement si(un)nisinN est (strictement) croissante ou (strictement) deacutecroissanteToute suite reacuteelle croissante (respectivement deacutecroissante) et majoreacutee(respectivement minoreacutee) est convergente

Suites adjacentes

(un)nisinN est croissante(vn)nisinN est deacutecroissante(vn minus un) minusminusminusminusrarr

nrarr+infin

0

Si deux suites reacuteelles veacuterifient lesproprieacuteteacutes ci-contre ces suites sontdites adjacentesSi deux suites sont adjacenteselles convergent vers la mecircme li-mite

Suites extraitesOn appelle suite extraite de (un)nisinN toute suite (uσ(n))nisinN ougrave σ NrarrN est une application strictement croissanteSi une suite (un)nisinN converge vers l isin K alors toute suite extraite de(un)nisinN converge aussi vers l

Valeur drsquoadheacuterenceOn dira que a est une valeur drsquoadheacuterence drsquoune suite (un)nisinN si etseulement srsquoil existe une suite extraite telle que uσ(n) minusminusminusminusrarrnrarr+infin

a

Theacuteoregraveme de Bolzano-WeiertrassDe toute suite borneacutee de R on peut extraire une suite convergente

25 Fonctions reacuteelles de la variable reacuteelle

PariteacuteSoit X sub R veacuterifiant x isin X =rArr minusx isin X

forallx isin X f (minusx) = f (x)Une fonction f est paire si et seule-ment si elle veacuterifie la relation ci-contre

forallx isin X f (minusx) = minus f (x)Une fonction f est impaire si etseulement si elle veacuterifie la relationci-contre

PeacuteriodiciteacuteSoit f X rarr K avec X sub R on dit que f est T-peacuteriodique si et seule-ment si elle veacuterifie

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 36

36 [1] Matheacutematiques

forallx isin X

x + T isin Xf (x + T) = f (x)

Application en escalierOn dit qursquoune fonction f [a b] rarr R est en escalier si et seulementsrsquoil existe une famille (ai)iisin[0n] telle que (a0 an) isin [a b]n+1 avecn isin Nlowast et une famille (λ0 λnminus1) isin Rn tels que

a = a0 lt a1 lt middot middot middot lt anminus1 lt an = bforalli isin 0 nminus 1 forallx isin]ai ai+1[ f (x) = λi

Application majoreacutee ndash minoreacutee ndash borneacuteeUne fonction f X rarr R est dite ndashmajoreacutee si et seulement srsquoil existe A isin R tel que forallx isin X f (x) 6 Andashminoreacutee si et seulement srsquoil existe B isin R tel que forallx isin X f (x) gt Bndash borneacutee si et seulement srsquoil existe (A B) isin R2 tel que forallx isin XB 6 f (x) 6 A

LimitesSoit f I rarr R une applicationOn dit que f admet une limite l en a isin I si et seulement si

forallε gt 0 existη gt 0 forallx isin I |xminus a| 6 η =rArr | f (x)minus l| 6 ε

On dit que f admet une limite l en +infin si et seulement si forallε gt 0 existA isin R forallx isin I x gt A =rArr | f (x)minus l| 6 ε

On dit que f admet comme limite +infin en a isin I si et seulement si forallA gt 0 existη gt 0 forallx isin I |xminus a| 6 η =rArr f (x) gt A

On dit que f admet comme limite +infin en +infin si et seulement si forallA gt 0 existB gt 0 forallx isin I x gt B =rArr f (x) gt A

On dit que f admet comme limite minusinfin en minusinfin si et seulement si forallA lt 0 existB lt 0 forallx isin I x 6 B =rArr f (x) 6 A

Continuiteacutesoit f I rarr K a isin I on dit que cette fonction est continue en a si etseulement si

forallε gt 0 existη gt 0 forallx isin I |xminus a| 6 η =rArr | f (x)minus f (a)| 6 ε

DiscontinuiteacuteSoit f I rarr K on dit que ndash f est discontinue en a si et seulement si elle nrsquoest pas continue en andash f admet une discontinuiteacute de premiegravere espegravece en a si et seulementsi f nrsquoest pas continue en a mais admet une limite finie agrave droite et unelimite finie agrave gauche en a

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 37

2 Analyse 37

Si f nrsquoest pas continue et ne preacutesente pas de continuiteacute de premiegravereespegravece en a on dit que f admet une discontinuiteacute de seconde espegraveceen a

Composition et continuiteacute

Soient f I rarr R et g J rarr K ougrave I et J sont deux intervalles de R telsque f (I) sub J si f et g sont respectivement continues en a et f (a) alorsg f est continue en a

Continuiteacute sur un segment

Soient (a b) isin R2 tel que a 6 b et une fonction f [a b] rarr R Si f estcontinue alors f est borneacutee et atteint ses bornes

Continuiteacute uniforme

Soit f I rarr K on dit que cette fonction est uniformeacutement continuesur I si et seulement si

forallε gt 0 existη gt 0 forall(x1 x2) isin I2 |x1 minus x2| 6 η =rArr | f (x1)minus f (x2)| 6 ε

Lrsquouniforme continuiteacute implique la continuiteacute

Theacuteoregraveme de Heine

Soient (a b) isin R2 tels que a 6 b et une fonction f [a b]rarr R Si f estcontinue sur [a b] alors f est uniformeacutement continue sur [a b]

Applications lipschitziennes

Soient f I rarr R et k isin Rlowast+ on dit que la fonction f est k-lipschitzienne si et seulement si

forall(x1 x2) isin I2 | f (x1)minus f (x2)| 6 k|x1 minus x2|Si k isin [0 1[ lrsquoapplication f est dite contractanteUne application lipschitzienne est uniformeacutement continue

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 38

38 [1] Matheacutematiques

Fonctions trigonomeacutetriques circulaires reacuteciproques

Arcsin [minus1 1]rarr[minusπ

2

]

forallx isin]minus 1 1[

Arcsinprime(x) =1radic

1minus x2

Arccos [minus1 1]rarr [0π]forallx isin]minus 1 1[

Arccosprime(x) =minus1radic1minus x2

Arctan Rrarr]minusπ

2

[

forallx isin R

Arctanprime(x) =1

1 + x2

-1 1

p

2p

2p

Arcsin

Arccos

Arctan

Fonctions hyperboliques

chprime x = sh x shprime x = ch x

thprime x =1

ch2 x= 1minus th2 x

26 Deacuterivation

Deacuteriveacutee en un pointSoient un point a isin I ougrave I est un intervalle et une fonction f I rarr K

On dit que f est deacuterivable en a si et seulement si limhrarr0

f (a + h)minus f (a)

hexiste et est finie Dans ce cas cette limite est appeleacutee deacuteriveacutee de f en aet est noteacutee f prime(a)

Deacuterivation et continuiteacuteSoient un point a isin I et une fonction f I rarr K si f est deacuterivable en aalors f est continue en a

Proprieacuteteacutes des deacuteriveacuteesSoient f et g deux fonctions de I dans K deacuterivables en a alors ( f + g)prime(a) = f prime(a) + gprime(a)

(λ f )prime(a) = λ f prime(a)

( f g)prime(a) = f prime(a)g(a) + f (a)gprime(a)

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 39

2 Analyse 39

g(a) 6= 0(1g

)prime(a) = minus gprime(a)

g2(a)

g(a) 6= 0(

f

g

)prime(a) =

f prime(a)g(a)minus f (a)gprime(a)g2(a)

(g f )prime(a) = gprime( f (a)) f prime(a)

Deacuterivabiliteacute drsquoune fonction sur un intervalle

f I rarr K ougrave I est un intervalle est dite deacuterivable sur un intervalleJ sub I si et seulement si foralla isin J f est deacuterivable en a

Formule de Leibniz

f I rarr K et g I rarr E on suppose que λ et f sont deacuterivables sur I

Alors f middot g est n fois deacuterivable sur I et ( f middot g)(n) =n

sumk=0

Ckn f

(k) middot g(nminusk)

Classe drsquoune fonction

Soient f I rarr K et k isin N on dit que f est de classe Ck sur I si etseulement si f est k fois deacuterivable sur I et f (k) est continue sur ISoient f [a b] rarr K avec a 6 b et k isin N on dit que f est de classe Ckpar morceaux sur [a b] si et seulement si ndash il existe une famille (a0 ap) isin Rp+1 telle que a = a0 lt a1 lt middot middot middot lt apminus1 lt ap = b

ndash Chaque restriction de f sur ]ai ai+1[ admet un prolongement declasse Ck sur [ai ai+1] foralli isin [0 pminus 1]

Theacuteoregraveme de Rollef [a b] rarr R continue sur [a b] et deacuterivable sur ]a b[ f (a) = f (b) alors il existe c isin]a b[ tel que

f prime(c) = 0

Theacuteoregraveme des accroissements finis

f [a b] rarr R avec (a b) isin R2 et a lt b continue sur [a b] et deacuterivablesur ]a b[ Il existe c isin]a b[

f (b)minus f (a) = (bminus a) f prime(c)c copyDuno

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toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 40

40 [1] Matheacutematiques

Ineacutegaliteacute de Taylor-Lagrangef [a b]rarr (E ) et f de classe Cn sur [a b] (n+ 1) fois deacuterivable sur]a b[ et telle que forallt isin]a b[ f (n+1)(t) 6 M alors

∥∥∥∥∥ f (b)minusn

sumk=0

f (k)(a)

k(bminus a)k

∥∥∥∥∥ 6 M(bminus a)n+1

(n + 1)

Reste inteacutegral

f [a b]rarr (E ) de classe Cn+1 sur [a b] alors

f (b) =n

sumk=0

f (k)(a)

k(bminus a)k +

1n

int b

a(bminus t)n f (n+1)(t) dt

︸ ︷︷ ︸Reste de Laplace

Formule de Taylor-Young

f I rarr E I un intervalle de R ougrave f (n)(a) existe

f (x) =n

sumk=0

f (k)(a)

k(xminus a)k + o

xrarra((xminus a)n)

Diffeacuteomorphisme ndash DeacutefinitionSoient f I rarr J avec I J deux intervalles de R n isin Nlowast cup +infin on ditque f est un Ck-diffeacuteomorphisme de I sur J si et seulement si ndash f est de classe Ck sur Indash f est bijectivendash fminus1 est de classe Ck sur J

Convexiteacute ndash DeacutefinitionsSoit f I rarr K on dit que cette fonction est convexe si et seulement si forallθ isin [0 1] forall(x y) isin I2 f (θx + (1minus θ)y) 6 α f (x) + (1minus θ) f (y)

Ineacutegaliteacute de convexiteacute

Si f est convexe soit λ j gt 0 tel quen

sumj=1

λ j = 1 alors

f

(n

sumj=1

λ ja j

)6

n

sumj=1

λ j f (a j)

Fonction convexe ndash Fonction concaveUne fonction f est concave si et seulement si minus f est convexe

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 41

2 Analyse 41

27 Inteacutegration

Lineacuteariteacute de lrsquointeacutegrale

int b

a(λ f + g) = λ

int b

af +

int b

ag

f et g deux fonctions continuespar morceaux

Ineacutegaliteacute de la moyenne

∣∣∣∣int

[ab]f g

∣∣∣∣ 6 Sup[ab] | f |int

[ab]|g|

∣∣∣∣int

[ab]f

∣∣∣∣ 6 (bminus a) Sup[ab] | f |

f g deux fonctions continues parmorceaux sur [a b][a b] intervalle de R

Ineacutegaliteacute de Cauchy-Schwarz

(int b

af g

)2

6

(int b

af 2)(int b

ag2)

f g deux applications continuespar morceaux [a b]rarr R on a lrsquoin-eacutegaliteacute ci-contreSi exist(λmicro) isin R2(0 0) tel que λ f + microg = 0 il y a eacutegaliteacute

Sommes de Riemann

Sn =bminus a

n

nminus1sumk=0

f

(a + k

bminus a

n

)

limnrarr+infin

Sn =int b

af

f [a b] rarr E une fonction conti-nue

Inteacutegration par parties

int b

auvprime = [uv]ba minus

int b

auprimev

u v [a b] rarr E fonctions conti-nues C1 par morceaux sur [a b]c copy

Duno

dL

apho

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nonau

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ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 42

42 [1] Matheacutematiques

Inteacutegrabiliteacute ndash Deacutefinition

int

Jf 6 M

f [a b] rarr R fonction positivecontinue par morceauxf est dite inteacutegrable sur [a b] si etseulement srsquoil existe un M isin R+pour tout segment J inclus dans[a b] veacuterifiant lrsquoineacutegaliteacute ci-contre

Inteacutegrabiliteacute sur un segmentSoit f une fonction positive continue par morceaux de I dans R Lesproprieacuteteacutes suivantes sont deux agrave deux eacutequivalentes (i) f est inteacutegrable sur I(ii) Il existe M isin R+ tel que pour toute suite croissante de segments

(Jn)nisinNlowast dont la reacuteunion est eacutegale agrave I foralln isin Nlowastint

Jnf 6 M

Theacuteoregraveme de domination

0 6 f 6 g (1)

0 6

int

If 6

int

Ig (2)

Soient f et g deux fonctions conti-nues par morceaux de I dans R veacute-rifiant (1) et si g inteacutegrable alors fest inteacutegrable sur I et on a lrsquoineacutega-liteacute (2)

Exemple de Riemann

Fonctions de Riemann

f (x) =1xα

Une fonction de Riemann est inteacute-grable sur [1+infin[ si et seulementsi α gt 1Une fonction de Riemann est inteacute-grable sur ]0 1] si et seulement siα lt 1

Theacuteoregraveme drsquoeacutequivalence

Soient (a b) isin Rtimes R tels que a lt b f et g deux fonctions positivescontinues par morceaux de [a b[ dans R veacuterifiant en b f sim

bg alors f

est inteacutegrable sur [a b[ si et seulement si g lrsquoest

Regravegle xα f (x)

Inteacutegrabiliteacute en +infin ndash Srsquoil existe α isin]1+infin[ veacuterifiant lim

xrarr+infin

xα f (x) = 0 alors f est inteacute-

grable sur [a+infin[ avec a gt 0

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 43

2 Analyse 43

ndash Srsquoil existe α isin] minusinfin 1] veacuterifiant limxrarr+infin

xα f (x) = +infin alors f nrsquoest

pas inteacutegrable sur [a+infin[ avec a gt 0Inteacutegrabiliteacute en 0 ndash Srsquoil existe α isin]minusinfin 1[ veacuterifiant lim

xrarr0xα f (x) = 0 alors f est inteacutegrable

sur ]0 a] avec a gt 0ndash Srsquoil existe α isin [1+infin[ veacuterifiant lim

xrarr0xα f (x) = +infin alors f nrsquoest pas

inteacutegrable sur ]0 a] avec a gt 0

Relation de Chasles

int c

af =

int b

af +

int c

bf

f une fonction continue par mor-ceaux inteacutegrable sur un intervalleI contennant les intervalles ou-verts ]a b[ ]b c[ et ]a c[

(a b c) isin R3

Croissance de lrsquointeacutegration

f 6 g =rArrint

If 6

int

Ig

f g deux fonctions continues etinteacutegrables sur I

Fonctions continues agrave valeurs complexesSoit f I rarr C une fonction continue On dira que f est inteacutegrable surI si et seulement si | f | lrsquoest

Inteacutegrale impropre

(a b) isin Rtimes (Rcup +infin)

int X

af

f fonction continue par morceauxsur [a b[On dit que cette inteacutegrale im-propre converge si et seulement sielle admet une limite finie lorsqueX tend vers b On note alors cette

inteacutegraleint b

af

Inteacutegrale deacutependant drsquoun paramegravetre ndash Deacutefinition

f (x) =int

IF(x t) dt

x paramegravetret variable drsquointeacutegrationI intervalle de R

c copyDuno

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nonau

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ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 44

44 [1] Matheacutematiques

Continuiteacute drsquoune inteacutegrale agrave paramegravetre

forallx isin A F(x middot) inteacutegrable sur I

f Ararr K est continue sur A

x 7rarrint

IF(x t) dt

F fonction continue sur Atimes I veacute-rifiant lrsquohypothegravese de domination Soient f g I rarr R continues

Si0 6 f 6 gg est inteacutegrable sur I alors

f est inteacutegrable sur I etint

If 6

int

Ig

Sous ces hypothegraveses F veacuterifie lesrelations ci-contre

Deacuterivation drsquoune inteacutegrale agrave paramegravetre

forallx isin A

F(x middot) et partFpartx

(x middot)inteacutegrables sur If

Ararr K est de classe C1 sur Ax 7rarr

int

IF(x t) dt

forallx isin A f prime(x) =intI

partFpartx (x t) dt

F fonction continue sur Atimes I veacute-rifiant une hypothegravese de domina-tion sur Atimes I Soient F g I rarr R continues

Si0 6 F 6 gg est inteacutegrable sur I alors

F est inteacutegrable sur I etint

IF 6

int

Ig

partFpartx

existe et est continue sur Atimes I

partFpartx

veacuterifie une hypothegravese de domi-

nation sur Atimes ISous ces hypothegraveses on a les rela-tions ci-contre

28 Eacutequations diffeacuterentielles

Eacutequations diffeacuterentielles lineacuteaires du premier ordre

αyprime + βy = γ (E)

αβγ I rarr K des applicationscontinuesy est une solution de cette eacutequa-tion sur J sub I si et seulement si yest deacuterivable sur J et si forallx isin J yveacuterifie (E)

Eacutequation reacutesolueUne eacutequation diffeacuterentielle lineacuteaire du premier ordre est dite normali-seacutee ou reacutesolue en yprime si et seulement si α = 1

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 45

2 Analyse 45

Solution drsquoune eacutequation diffeacuterentielle lineacuteaire du premier ordre

S = λeminusA + BeminusA λ isin K

La solution ci-contre est la solutionde lrsquoeacutequation reacutesolue avec α = 1A primitive de β

B primitive de γeA

La solution de (E) est la somme dela solution geacuteneacuterale de lrsquoeacutequationhomogegravene associeacutee agrave (E) et drsquounesolution particuliegravere de (E)

Meacutethode de reacutesolution de E

1 Reacutesolution de lrsquoeacutequation homogegravene associeacutee solution de la formeλy0(x)2 Reacuteinjecter la solution trouveacutee dans lrsquoeacutequation complegravete avec la meacute-thode de variation de la constante qui permet de trouver la fonctionqui veacuterifie lrsquoeacutequation complegravete

Nature de la solutionLrsquoensemble des solutions drsquoune eacutequation diffeacuterentielle lineacuteaire du pre-mier ordre est une droite affine dont la direction est donneacutee par lrsquoen-semble des solutions de lrsquoeacutequation homogegravene

Theacuteoregraveme de Cauchy-LipschitzSoient U un ouvert de Rtimes R f U rarr E une application localementlipschitzienne par rapport agrave sa seconde variable et continue un couple(t0 y0) isin USous ces conditions il existe une unique solution maximale au pro-blegraveme de Cauchy crsquoest-agrave-dire veacuterifiant

yprime = f (t y)y(t0) = y0

(problegraveme de Cauchy)

Et posseacutedant en plus les proprieacuteteacutes suivantes (solution maximale) ndash lrsquointervalle de deacutefinition est un ouvertndash toute solution du problegraveme de Cauchy est une restriction de cettesolution

Eacutequation diffeacuterentielle du second ordre homogegravene

αyprimeprime + βyprime + γy = 0αβγ fonctions continues I rarr Ky fonction de J sub I dans K solu-tion de cette eacutequation

c copyDuno

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nonau

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ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 46

46 [1] Matheacutematiques

Eacutequation diffeacuterentielle du second ordre agrave coefficients constants

yprimeprime + βyprime + γy = 0

(Ec) r2 + βr + γ

(βγ) isin R2 coefficients delrsquoeacutequation diffeacuterentielle

Soit (Ec) lrsquoeacutequation caracteacuteristiqueassocieacutee agrave lrsquoeacutequation diffeacuterentielleSi cette eacutequation caracteacuteristiqueadmet ndash deux racines distinctes r1 et r2les solutions de lrsquoeacutequation sont dela forme λ1er1x + λ2er2xndash une racine double r les solutionssont de la forme (λx + micro)erxndash deux racines complexes conju-gueacutees r = aplusmn ib les solutions sontde la forme(λ cos bx + micro sin bx)eax

Eacutequation du second ordre avec second membre eγxR(x)

yprimeprime + βyprime + γy = emxP(x)

(βγm) isin K3 coefficientsconstants de lrsquoeacutequation diffeacuteren-tielleP isin K[X]Lrsquoeacutequation diffeacuterentielle admetune solution de la forme emxS(x)avec S isin K[X] ndash deg S = deg P si m nrsquoest pas ra-cine de (Ec)ndash deg S = 1+ deg P si m est racinesimple de (Ec)ndash deg S = 2+ deg P si m est racinedouble de (Ec)

Reacutesolution gracircce aux seacuteries entiegraveresLorsque les coefficients et le second membre de lrsquoeacutequation diffeacuteren-tielle sont constitueacutes par des polynocircmes on peut chercher les solutionssous la forme de seacuteries entiegraveres on obtient ainsi une relation de reacutecur-rence sur les coefficients Une fois ces coefficients calculeacutes le rayon deconvergence deacutetermineacutes et si possible la somme calculeacutee on a unesolution de lrsquoeacutequation diffeacuterentielle

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 47

2 Analyse 47

Systegraveme drsquoeacutequations diffeacuterentielles du premier ordreSoit I un intervalle de R B = (bi)iisin[1n] un vecteur de E etA = (ai j)iisin[1n]

jisin[1n]

I rarr E une application continue On appelle systegraveme

drsquoeacutequations diffeacuterentielles du premier ordre le systegraveme

yprime1(t)

yprimen(t)

=

a11(t) middot middot middot a1n(t)

an1(t) middot middot middot ann(t)

y1(t)

yn(t)

+

b1(t)

bn(t)

Reacutesolution dans le cas ougrave A est diagonalisableDans le cas ougrave A isin Mn(K) si A est diagonalisable le systegraveme homo-gegravene admet une solution du type

Y =n

sumi=1

cieλitVi

λi valeur propre de Aci constante lieacutee aux conditions initialesVi colonne de la matrice de passage de A agrave la matrice diagonale asso-cieacutee

29 Seacuteries

Deacutefinition

SN =N

sumn=0

un

On appelle seacuterie le couple((un) (Sn))SN somme partielle drsquoordre Nun terme geacuteneacuteral de la seacuterie

Condition neacutecessaire de convergenceUne condition neacutecessaire mais non suffisante de convergence drsquouneseacuterie est que lim

nrarr+infin

un = 0 Si le terme geacuteneacuteral de la seacuterie ne tend pas

vers zeacutero la seacuterie est dite grossiegraverement divergente

Changement drsquoindice de deacutepart

Soit sumngt0

un une seacuterie de E et n0 isin N les seacuteries sumngt0

un et sumngtn0

un sont de

mecircme nature

c copyDuno

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nonau

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ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 48

48 [1] Matheacutematiques

Seacuterie geacuteomeacutetrique

S =+infin

sumn=0

un =1

1minus u0(1)

u0 terme geacuteneacuteral de la suite derang 0un terme geacuteneacuteral de la suiteun = (u0)

n

Une condition neacutecessaire et suf-fisante de convergence drsquoune telleseacuterie est |u0| lt 1 Dans ce cas laseacuterie veacuterifie (1)

Seacuterie agrave termes positifsUne seacuterie agrave termes positifs converge si et seulement sila suite dessommes partielles est majoreacutee

Seacuterie de Riemann

sumngt1

1nα

(1)

Une seacuterie veacuterifiant (1) est dite deRiemann Une telle seacuterie convergesi et seulement si

α gt 1

Valeur remarquable +infin

sumn=1

1n2

=π2

6

Seacuterie de Bertrand

+infin

sumn=2

1nα(ln n)β

On appelle seacuterie de Bertrand la seacute-rie deacutefinie ci-contreCette seacuterie converge si et seule-ment si α gt 1α = 1 et β gt 1

Comparaison de deux seacuteries agrave termes positifs

foralln isin N

0 6 un 6 vn (1)

un terme geacuteneacuteral de la seacuterie Svn terme geacuteneacuteral de la seacuterie SprimeSi (1) est veacuterifieacutee et si Sprime convergealors S convergeRemarque Si S diverge et (1) estveacuterifieacutee la seacuterie Sprime diverge

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 49

2 Analyse 49

Regravegle de drsquoAlembert

Soit une seacuterie de terme geacuteneacuteral un telle que∣∣∣∣un+1

un

∣∣∣∣ minusminusminusminusrarrnrarr+infin

β

ndash Si β lt 1 la seacuterie de terme geacuteneacuteral un converge ndash Si β gt 1 la seacuterie de terme geacuteneacuteral un diverge grossiegraverement ndash Si β = 1 on ne peut rien dire de la nature de la seacuterie

Regravegle de CauchySoit une seacuterie de terme geacuteneacuteral un reacuteel positif telle que n

radicun minusminusminusminusrarr

nrarr+infin

β

ndash Si β lt 1 la seacuterie de terme geacuteneacuteral un converge ndash Si β gt 1 la seacuterie de terme geacuteneacuteral un diverge grossiegraverement ndash Si β = 1 on ne peut rien dire de la nature de la seacuterie

Seacuteries de mecircme natureSoit sum un et sum vn deux seacuteries reacuteelles agrave termes positifs telles que au voi-sinage de +infin vn gt 0 et un sim vn Alors on a eacutegalement un gt 0 au voi-sinage de +infin et les deux seacuteries sont de mecircme nature (elles convergentou divergent en mecircme temps)

Seacuterie alterneacutee

∣∣∣∣∣+infin

sumn=p+1

un

∣∣∣∣∣ 6 |up+1|

Une seacuterie de terme geacuteneacuteral unest dite alterneacutee si et seulementsi la suite (minus1)nun est de signeconstantUne telle seacuterie converge si 1 lim

nrarr+infin

un = 0

2 la suite (|un|)nisinN est deacutecrois-santeSous ces hypothegraveses la seacuterie veacuteri-fie la relation ci-contre

Critegravere de Cauchy

forallε gt 0 existN isin N forall(p q) isin N2

N 6 p lt q =rArr∥∥∥∥∥

q

sumn=p+1

un

∥∥∥∥∥ 6 ε

Le critegravere ci-contre est une condi-tion neacutecessaire et suffisante deconvergence pour une seacuterie dansun espace de Banach (K-espacevectoriel normeacute complet)

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 50

50 [1] Matheacutematiques

Formule de Stirling

n sim(ne

)nradic2πn

n isin NLa formule de Stirling fournit uneacutequivalent simple de n en +infin

Convergence absolue ndash Semi convergenceUne seacuterie est dite absolument convergente si et seulement si la seacuteriede terme geacuteneacuteral |un| convergeUne seacuterie alterneacutee est dite semi-convergente si et seulement la seacuteriede terme geacuteneacuteral un converge alors que celle de terme geacuteneacuteral |un| di-verge

Seacuteries doubles ndash Interversion des sommationsSoit une suite double drsquoeacuteleacutements de K (upq)(pq)isinN2 que lrsquoon supposesommable (crsquoest-agrave-dire existM isin R+forallJ sub N sum

pisinJqisinJ

upq 6 M) alors

1 forallq isin N sumpgt0

upq est convergente et la seacuterie sumqgt0

(+infin

sump=0

upq

)est conver-

gente

2 forallp isin N sumqgt0

upq est convergente et la seacuterie sumpgt0

(+infin

sumq=0

upq

)est

convergente

3 sum(pq)isinN2

upq =+infin

sump=0

(+infin

sumq=0

upq

)=

+infin

sumq=0

(+infin

sump=0

upq

)

Produit de Cauchy

wn =n

sumk=0

uk middot vnminusk (1)

+infin

sumn=0

wn =

(+infin

sumn=0

un

)(+infin

sumn=0

vn

)(2)

On appelle produit de Cauchy desdeux seacuteries de terme geacuteneacuteral un etvn la seacuterie dont le terme geacuteneacuteralveacuterifie (1)Si les deux seacuteries de terme geacuteneacuteralun et vn sont absolument conver-gentes alors la seacuterie wn est elleaussi absolument convergente etveacuterifie (2)

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 51

2 Analyse 51

210 Seacuteries entiegraveres

Seacuterie entiegravere

S(z) =+infin

sumn=0

anzn

S(z) somme de la seacuterie entiegraverean coefficient de la seacuterie entiegraverez variable de la seacuterie entiegravere

Rayon de convergence ndash Deacutefinition

I = r isin R++infin

sumn=0|an|rn converge

La borne supeacuterieure de lrsquointervalleI dans R est appeleacutee rayon deconvergence de la seacuterie sum anz

n onle note R = Sup I

Seacuterie entiegravere somme

Soient deux seacuteries entiegraveres sumngt0

anzn et sum

ngt0bnz

n on appelle seacuterie entiegravere

somme la seacuterie sumngt0

(an + bn)zn

Soit Ra et Rb les deux rayons de convergence respectifs de ces deuxseacuteries on a Ra+b gt min(Ra Rb) (avec eacutegaliteacute si Ra 6= Rb)

Lemme drsquoAbel

Soit r0 gt 0 si la suite (|an|rn0)nisinN est majoreacutee alors forallr isin [0 r0[ la seacuteriesum |an|rn est convergente

Deacuterivation drsquoune seacuterie entiegravere

Sprime(x) =+infin

sumn=0

(n + 1)an+1xn

S seacuterie de terme geacuteneacuteral anxn

Sprime deacuteriveacutee de la seacuterie SLa seacuterie deacuteriveacutee a le mecircme rayonde convergence que la seacuterie agrave deacuteri-ver

Inteacutegration drsquoune seacuterie entiegravere

int x

0

(+infin

sumn=0

anzn

)dz =

+infin

sumn=0

ann + 1

xn+1La seacuterie des inteacutegrales a le mecircmerayon de convergence que la seacuterieinteacutegreacuteec copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 52

52 [1] Matheacutematiques

Deacuteveloppement en seacuterie entiegravere drsquoune fonctionUne fonction f Rrarr R est dite deacuteveloppable en seacuterie entiegravere autourdrsquoun point x0 isin R si et srsquoil existe une seacuterie entiegravere sum

ngt0anx

n de rayon de

convergence R gt 0 telle que

forallx isin]x0 minus R x0 + R[ f (x) =+infin

sumn=0

an(xminus x0)n

Le deacuteveloppement en seacuterie entiegravere est unique

Deacuteveloppement en seacuterie entiegravere drsquoune fraction rationnelleUne fraction rationnelle R est deacuteveloppable en seacuterie entiegravere autour de0 si et seulement si 0 nrsquoest pas un pocircle de cette fraction rationnelle Lerayon de convergence du deacuteveloppement en seacuterie entiegravere est alors eacutegalau plus petit module des pocircles complexes de la fraction rationnelle

211 Suites et seacuteries drsquoapplications

Convergence simple ndash Deacutefinition

forallε gt 0 forallx isin D existn0 isin N foralln gt n0

| fn(x)minus f (x)| 6 ε

( fn X rarr E)nisinN suite drsquoapplica-tionsE un K-espace vectoriel normeacutef limite de la suite drsquoapplicationsdans D (domaine de convergence)D domaine de convergence

Convergence uniforme ndash Deacutefinition

forallε gt 0 existn0 isin N forallx isin D foralln gt n0

| fn(x)minus f (x)| 6 ε

( fn X rarr E)nisinN suite drsquoapplica-tionsE un K-espace vectoriel normeacutef limite de la suite drsquoapplicationsdans D (domaine de convergence)

Convergence uniforme et convergence simpleSi ( fn)nisinN converge uniformeacutement vers f sur X il y a eacutegalementconvergence simple de ( fn)nisinN vers f dans ce mecircme domaine

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 53

2 Analyse 53

Proprieacuteteacute de la convergence uniforme

Si les fonctions fn sont continues (respectivement admettent une li-mite en a) alors la limite uniforme (si elle existe) de ces fonctions f estcontinue (respectivement admet une limite en a)

Convergence uniforme et inteacutegration sur un segment

f est continue sur [a b]

(int b

afn

)

nisinN

converge dans E

int b

af = lim

nrarr+infin

int b

afn

( fn X rarr E)nisinN suite drsquoapplica-tions continues convergeant uni-formeacutement vers f sur XE un K-espace vectoriel normeacutef limite de la suite drsquoapplicationsSous ces hypothegraveses f veacuterifie lesproprieacuteteacutes eacutenonceacutees ci-contre

Convergence uniforme et deacuterivation

( fn)nisinN converge uniformeacutementsur tout segment de I vers f

f est de classe C1 sur If prime = g

( fn X rarr E)nisinN suite drsquoapplica-tions C1 convergeant simplementvers f sur X( f primen)nisinN converge uniformeacutementvers une application noteacutee gSous ces hypothegraveses f veacuterifie lesproprieacuteteacutes eacutenonceacutees ci-contre

Soit ( fn X rarr E)nisinN une suite drsquoapplications C1 surX convergeantsimplement vers f sur X

Soit ( f primen)nisinN une suite de fonctions qui converge uniformeacutement surtout segment de X vers une application g

Soit f la limite de la suite drsquoapplications veacuterifiant les hypothegraveses preacute-ceacutedentes Sous ces hypothegraveses on a f de classe C1 sur X et f prime = g

c copyDuno

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nonau

toriseacuteeestu

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 54

54 [1] Matheacutematiques

Theacuteoregraveme de convergence monotone

int

If = SupnisinN

int

Ifn = lim

nrarr+infin

int

Ifn

foralln isin N fn est continue par mor-ceaux et inteacutegrable sur I( fn)nisinN veacuterifie une hypothegravese demonotonie foralln isin N fn 6 fn+1( fn)nisinN converge simplement surI vers une application noteacutee fcontinue par morceaux sur ISous ces hypothegraveses f est inteacute-grable si et seulement si la suite(int

Ifn

)

nisinN

et veacuterifie alors les pro-

prieacuteteacutes ci-contre

Theacuteoregraveme de convergence domineacutee

int

If = lim

nrarr+infin

int

Ifn

foralln isin N fn est continue par mor-ceaux sur I( fn)nisinN converge simplement surI vers une application noteacutee fcontinue par morceaux sur I( fn)nisinN veacuterifie une hypothegravese dedomination foralln isin N | fn| 6

ϕ ougrave ϕ est une fonction conti-nue par morceaux positive et inteacute-grable sur ISous ces hypothegraveses f veacuterifie laproprieacuteteacute ci-contre

Premier theacuteoregraveme de WeierstrassPour toute application continue f [a b] rarr K il existe une suite (Pn [a b] rarr K)nisinN de polynocircmes convergeant uniformeacutement vers f sur[a b]

Deuxiegraveme theacuteoregraveme de WeierstrassPour toute application continue f R rarr K et T-peacuteriodique il existeune suite (Tn [a b]rarr K)nisinN de polynocircmes trigonomeacutetriques conver-geant uniformeacutement vers f sur R

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 55

2 Analyse 55

Seacuteries drsquoapplications convergence simple ndash Deacutefinition

On dit qursquoune seacuterie drsquoapplications converge simplement si etseulement si la suite des sommes partielles (Sn(x))nisinN avec

Sn(x) =n

sumk=0

fk(x) converge simplement

Seacuteries drsquoapplications convergence absolue ndash Deacutefinition

On dit qursquoune seacuterie drsquoapplications converge absolument si etseulement si la suite des sommes partielles (Sn(x))nisinN avec

Sn(x) =n

sumk=0 fk(x) converge absolument

Seacuteries drsquoapplications convergence uniforme ndash Deacutefinition

On dit qursquoune seacuterie drsquoapplications converge uniformeacutement si et seule-ment si la suite des sommes partielles (Sn(x))nisinN avec Sn(x) =n

sumk=0

fk(x) converge uniformeacutement

Seacuteries drsquoapplications convergence normale ndash Deacutefinition

existn0 isin N

sumngtn0

fninfin converge

On dit que sumn

fn converge norma-

lement et seulement si elle veacuterifiela proprieacuteteacute ci-contre

Convergences normale uniforme et simple

La convergence normale entraicircne la convergence uniforme qui elle-mecircme entraicircne la convergence simple

Convergence uniforme ndash Limite et continuiteacute

Si sumngt0

fn converge uniformeacutement sur X et si foralln isin N fn est continue en

a (respectivement admet une limite en a) alors sumngt0

fn est continue en

a (respectivement admet une limite en a)c copyDuno

dL

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ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 56

56 [1] Matheacutematiques

Convergence uniforme et inteacutegration sur un segment

+infin

sumn=0

fn est continue sur [a b]

sumngt0

(int b

afn(x) dx

)converge dans E

int b

a

(+infin

sumn=0

fn(x)

)dx =

+infin

sumn=0

int b

afn(x) dx

( fn)nisinN seacuterie drsquoapplications avecfn continue sur [a b]+infin

sumn=0

fn converge uniformeacutement sur

[a b]Sous ces hypothegraveses la seacuterie defonctions veacuterifie les proprieacuteteacutes ci-contre

Convergence uniforme et deacuterivation

sumngt0

fn converge uniformeacutement

sur tout segment I

+infin

sumn=0

fn est de classe C1 sur I

(+infin

sumn=0

fn

)prime=

+infin

sumn=0

f primen

sumngt0

fn seacuterie drsquoapplications

convergeant simplement sur Ifn I rarr E de classe C1sumngt0

f primen converge uniformeacutement sur

tout segment de ISous ces hypothegraveses fn et f primen veacuteri-fient les proprieacuteteacutes ci-contre

Inteacutegration sur un intervalle quelconque des fonctions

+infin

sumn=0

fn est inteacutegrable sur I

int

I

∣∣∣∣∣+infin

sumn=0

fn

∣∣∣∣∣ 6+infin

sumn=

int

I| fn|

int

I

+infin

sumn=0

fn =+infin

sumn=0

int

Ifn

sumngt0

( fn) seacuterie drsquoapplications

convergeant simplement sur Ifn I rarr E fonction continue parmorceaux sur I

sumngt0

int

I| fn| converge

Sous ces hypothegraveses fn veacuterifie lesproprieacuteteacutes ci-contre

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 57

2 Analyse 57

212 Seacuteries de Fourier

Coefficients de Fourier exponentiels

cn( f ) =12π

int 2π

0f (x)eminusinx dx

cn coefficient de Fourier exponen-tielf fonction 2π-peacuteriodique conti-nue par morceaux agrave valeurs com-plexesn isin Z

Coefficients de Fourier trigonomeacutetriques

an( f ) =1π

int 2π

0f (x) cos(nx) dx

bn( f ) =1π

int 2π

0f (x) sin(nx) dx

an coefficient de Fourier trigono-meacutetrique en cosinusbn coefficient de Fourier trigono-meacutetrique en sinusf fonction dont on souhaite obte-nir les coefficients de FourierLorsque la fonction f est paire(respectivement impaire) les co-efficients bn (respectivements an)sont nuls

Theacuteoregraveme de Dirichlet

Si f est de classe C1 par morceaux et 2π-peacuteriodique pour tout reacuteel xon a lrsquoeacutegaliteacute suivante

S(x) =+infin

sumn=minusinfin

cneinx =a02

++infin

sumn=1

an cos nx ++infin

sumn=1

bn sin nx

S(x) =12

(f (xminus) + f (x+)

)

Dans ce cas il y a convergence simple de la seacuterie vers S(x)

Eacutegaliteacute de ParsevalSi f est continue par morceaux on a lrsquoeacutegaliteacute suivante

12π

int 2π

0| f (x)|2 dx =

|a0|24

++infin

sumn=1

|an|2 + |bn|22

=+infin

sumn=minusinfin

|cn|2

Convergence normale

Si f est continue et de classe C1 par morceaux sur R la seacuterie de Fourierde f est normalement convergente sur R et a pour somme f

c copyDuno

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 58

58 [1] Matheacutematiques

213 Fonctions de plusieurs variables

Deacuteriveacutee partielle

D j f (a) =part fpartx j

(a) = limtrarr0t 6=0

f (a1 a j + t an)minus f (a1 an)

t

f une fonction de plusieurs variablesOn deacutefinit ci-dessus la deacuteriveacutee partielle par rapport agrave la variable x j (saje variable) de la fonction f en un point a = (a1 an)

Deacuteriveacutee selon un vecteurOn dit que f admet une deacuteriveacutee en a selon un vecteur v que lrsquoon notedv f (a) si et seulement si la limite suivante existe

limtrarr0

1t

( f (a + tv)minus f (a))

Si elle existe cette limite est dv f (a)

Theacuteoregraveme fondamental

Soit U un ouvert de Rp si f U rarr Rn est de classe C1 sur Rp alorsf admet en tout point a de Rp une deacuteriveacutee selon tout vecteur h et

Dh f (a) =p

sumj=1

h jD j f (a)

Gradient

grad f =

(part fpartx

(x y)part fparty

(x y))

f U rarr R fonction de classe C1sur UU ouvert de R2

grad f gradient de fAlors Dv f (a) = (grad f (a)) middot v

Diffeacuterentielle drsquoune fonction de deux variables

d f =part fpartx

dx +part fparty

dyf U rarr R fonction de classe C1sur UU ouvert de R2

Applications de classe CkOn dit que f est de classe Ck avec k isin Nlowast sur U si et seulement si fadmet des deacuteriveacutees partielles successives sur U jusqursquoagrave lrsquoordre k et cequel que soit lrsquoordre de deacuterivation et chacune de ces deacuteriveacutees partiellesest continue sur U

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 59

3 Geacuteomeacutetrie 59

Theacuteoregraveme de Schwarz

part2 fpartx jpartxi

=part2 f

partxipartx jf fonction C2 sur Rp

Point critique

Soit U un ouvert de R2 a isin U et f U rarr R une fonction de classe CnOn dira que a est un point critique pour f si et seulement si toutes lesdeacuteriveacutees partielles de f existent et srsquoannulent en a

Extremum local

On dira que f U rarr R2 admet un extremum local sur X sub U en unpoint a isin X si et seulement si forallx isin X f (x) 6 f (a) ( f admettant alorsun maximum en a) ou forallx isin X f (x) gt f (a) ( f admettant alors unminimum en a)

Theacuteoregraveme des fonctions implicites

Soient x = (x1 x2) isin U ougrave U est un ouvert de R2 f U rarr R une

fonction de classe Ck sur U telle que f (x) = 0 etpart fpartx2

(x) 6= 0 alors il

existe deux intervalles ouverts J et K respectivement centreacutes en x1 et x2tels qursquoil existe une unique fonction de classe C1 ϕ J rarr K telle que

forall(x y) isin J times K ( f (x y) = 0lArrrArr y = ϕ(x))

3 Geacuteomeacutetrie

31 Courbes du plan

Point reacutegulier ndash Point bireacutegulier

Un point M(t) est dit reacutegulier si et seulement srsquoil veacuterifie f prime(t) 6= 0 ilest dit bireacutegulier si et seulement si la famille ( f prime(t) f primeprime(t)) est libre

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 60

60 [1] Matheacutematiques

Tangente ndash Deacutefinition

M0PM0PM0P = λfffprime(t0)

Si fprimefprimefprime(t0) 6= 0 la tangente en unpoint M de coordonneacutees t0 estlrsquoensemble des points P veacuterifiant laproprieacuteteacute ci-contre avec λ isin RSi cette limite nrsquoexiste qursquoent+0 (respectivement en tminus0 ) ondira que la courbe admet unedemi-tangente en M(t+0 ) (res-pectivement en M(tminus0 )) Si leslimites en t+0 ) et en tminus0 sont dif-feacuterentes la courbe admet deuxdemi-tangentes en M

Position drsquoun arc par rapport agrave la tangente

Dans les figures ci-dessous f (p)(t0) et f (q)(t0) repreacutesentent les deuxpremiers vecteurs deacuteriveacutes non nuls

f (t)(p)

f (t)(q)

M(t) f (t)(p)

f (t)(q)

M(t)

p impair q pair allure geacuteneacuterale p impair q impair point drsquoin-flexion

f (t)(p)

f (t)(q)

M(t)

f (t)(p)

f (t)(q)

M(t)

p pair q pair point de rebrousse-ment de seconde espegravece

p pair q impair point de rebrous-sement de premiegravere espegravece

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 61

3 Geacuteomeacutetrie 61

Branche infinie ndash DeacutefinitionOn dit que la courbe Γ admet une branche infinie en t0 si et seulementsi lim

trarrt0 f (t) = +infin

Direction asymtotique ndash AsymptoteSi la branche infinie forme un angle θ0 par rapport agrave lrsquoaxe des abscissespour savoir srsquoil srsquoagit drsquoune asymptote ou drsquoune direction asympto-tique on eacutetudie la limite

Y = limθrarrθ0

ρ sin(θminus θ0)

Si cette limite vaut +infin il srsquoagit drsquoune direction asymptotique si lalimite vaut 0 il srsquoagit drsquoune asymptote si la limite vaut b avec b isin Rla droite drsquoeacutequation y = θ0x + b est asymptote agrave la courbe

x

O

y

Branche paraboliqueO dira que la courbe Γ admet une branche parabolique quand t tendvers t0 si cette mecircme courbe admet une direction asymptotique quandt tend vers t0 mais pas drsquoasymptote

SymeacutetriesSoit ϕ t 7rarr ϕ(t) une fonction de changement de parameacutetrage Ondonne ci-dessous les symeacutetries classiques qui permettent de limiterlrsquointervalle drsquoeacutetude de la courbe

x(ϕ(t) = x(t)y(ϕ(t) = y(t)

Identiteacute

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 62

62 [1] Matheacutematiques

x(ϕ(t) = minusx(t)y(ϕ(t) = minusy(t) Symeacutetrie par rapport agrave lrsquoorigine

x(ϕ(t) = y(t)y(ϕ(t) = x(t)

Symeacutetrie par rapport agrave la premiegraverebissectrice

x(ϕ(t) = minusx(t)y(ϕ(t) = y(t)

Symeacutetrie par rapport agrave lrsquoaxe desordonneacutees

x(ϕ(t) = x(t)y(ϕ(t) = minusy(t)

Symeacutetrie par raport agrave lrsquoaxe desabscisses

Coordonneacutees polaires

ρ =radic

x2 + y2

x = ρ cos θ

y = ρ sin θ

Mr

ur

uq

q

xxM

yM

y

O

Eacutequations en coordonneacutees polairesLa droite

ρ =1

λ cos θ + micro sin θ

(λmicro) isin R2

Cette eacutequation repreacutesente ladroite drsquoeacutequation carteacutesienneλx + microyminus 1 = 0

Le cercle

ρ = λ cos θ + micro sin θ

(λmicro) isin R2

Cette eacutequation repreacutesente le cerclecentreacute enO drsquoeacutequation carteacutesiennex2 + y2 minus λxminus microy = 0

Conique dont le foyer est agrave lrsquoori-gine

ρ =p

1 + e cos(θminusϕ)

p paramegravetre de la coniquee excentriciteacute de la coniqueθ angle polaireϕ phase

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 63

3 Geacuteomeacutetrie 63

Branches infinies ndash DeacutefinitionsSi lim

θrarrplusmninfin

ρ = 0 on dit que O est un point-asymptote de la courbe

Si limθrarrplusmninfin

ρ = a on dit que le cercle de centre O et de rayon |a| est uncercle-asymptote agrave la courbeSi lim

θrarrplusmninfin

ρ = plusmninfin on dit que la courbe admet une branche-spirale

Si la branche infinie forme un angle θ0 par rapport agrave lrsquoaxe des abscissespour savoir srsquoil srsquoagit drsquoune asymptote ou drsquoune direction asympto-tique on eacutetudie la limite

Y = limθrarrθ0

ρ sin(θminus θ0)

Si cette limite vaut +infin il srsquoagit drsquoune direction asymptotique si lalimite vaut 0 il srsquoagit drsquoune asymptote si la limite vaut b avec b isin Rla droite drsquoeacutequation y = θ0x + b est asymptote agrave la courbe

Symeacutetries

Soit T la peacuteriode de ρ (crsquoest-agrave-dire ρ(θ + T) = ρ(θ)) Srsquoil existe Tprime telque ρ(θ + Tprime) = minusρ(θ) Tprime est appeleacute antipeacuteriode de ρ

ρ(minusθ) = ρ(θ)

Symeacutetrie par rapport agrave lrsquoaxe desabscisses On fait varier θ dans[0+infin[ avant drsquoeffectuer la symeacute-trie

ρ(αminus θ) = ρ(α)

On fait varier θ dans[α

2+infin

[

puis on effectue la symeacutetrie parrapport agrave la droite passant par Oet drsquoangle polaire α2

ρ(minusθ) = minusρ(θ)

Symeacutetrie par rapport agrave lrsquoaxe desordonneacutees On fait varier θ dans[0+infin[ avant drsquoeffectuer la symeacute-trie

ρ(αminus θ) = minusρ(α)

On fait varier θ dans[α

2+infin

[

puis on effectue la symeacutetrie parrapport agrave la droite passant par O

et drsquoangle polaireα

2+

π

2

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 64

64 [1] Matheacutematiques

32 Proprieacuteteacutes meacutetriques des courbes

Abscisse curviligne

forallt isin I s(t) =int t

t0 f prime(u) du

f t 7rarr M(t)s t 7rarr s(t)

Longueur drsquoun arc

l(AB) =int b

a f prime(t) dt l(AB) longueur de lrsquoarc AB

Rayon de courbure ndash Courbure

R =dsdα

γ =1R

R rayon de courbures abscisse curviligneα = (iii TTT) ougrave TTT est le vecteur tan-gentγ courbure au point M(t)

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 65

Chapitre 2Physique

0 Eacuteleacutements de matheacutematiques

01 Diffeacuterentielles

Deacuteveloppements limiteacutes

Soit f x 7rarr f (x) alors f (x + δx) = f (x) + δx f prime(x) +(δx)2

2f primeprime(x) +

middot middot middotDiffeacuterentielle drsquoune fonction de plusieurs variables

Soit f une fonction des variables x et y alors

d f =

(part fpartx

)

y

dx +

(part fparty

)

x

dy

On peut eacutetendre cette deacutefinition de d f pour une fonction de n va-riablesOn a par deacutefinition du gradient

d f = (grad f ) middot dMMMc copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 66

66 [2] Physique

Theacuteoregraveme de Schwarz

part2 f (x y)partxparty

=part2 f (x y)

partypartx

(les deacuteriveacutees croiseacutees drsquoune fonction C2 sont eacutegales)

02 Eacutequations diffeacuterentielles

Eacutequation de relaxation

yprime(t) +y(t)

τ= γ (ougrave γ est

une constante) Sa solution esty(t) = γτ + (y(0)minus γτeminustτ

y t( )

t

Eacutequation de lrsquooscillateur harmonique

yprimeprime(t) + ω20y(t) = 0 Sa solution est

y(t) = λ cos(ω0t) + micro sin(ω0t) ouy(t) = δ cos(ω0t + ϕ)

y t( )

t

Eacutequation drsquoun systegraveme explosif

yprimeprime(t) minus ω20y(t) = 0 Sa solution est

y(t) = λ ch(ω0t) + micro sh(ω0t)

y t( )

t

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 67

0 Eacuteleacutements de matheacutematiques 67

Eacutequation de diffusionpartypartt

= D∆y Les solutions deacutependent des conditions aux limites et des

conditions initiales On la reacutesoud geacuteneacuteralement en reacutegime permanentougrave la solution est sinusoiumldale

Eacutequation de preacutecession

partuuupartt

= ωωω and uuu uuu est en rotation autour duvecteurωωω

wu

Eacutequation du second ordre

ayprimeprime(t) + byprime(t) + cy(t) = g(t)

Le discriminant de son eacutequation caracteacuteristique ((Ec) ar2 + br + c = 0)est ∆ = b2 minus 4ac Soient r1 et r2 les deux racines de cette eacutequation ca-racteacuteristiqueDans un premier temps inteacuteressons nous au cas ougrave g(t) = γ uneconstante

Si ∆ gt 0 les deux racines r1 et r2 sontreacuteelles la solution est du type apeacuteriodique

y(t) = λer1t + microer2 t +γ

c

y t( )

tSi ∆ lt 0 les deux racines de lrsquoeacutequationcaracteacuteristique sont complexes conjugueacuteesla solution est alors pseudo-peacuteriodique

y(t) = (λ cos(βt) + micro sin(βt))eαt +γ

cavec α et β respectivement partie reacuteelle etpartie imaginaire de r1

y t( )

t

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 68

68 [2] Physique

Si ∆ = 0 le reacutegime est critique lrsquoeacutequationcaracteacuteristique admet une racine double

La solution est y(t) = (λt + micro)er1t +γ

c

y t( )

tSi g(t) est une excitation sinusoiumldale on reacutesout en complexes en posanty(t) = Ye jωt pour obtenir une solution particuliegravere

03 Coniques

Eacutequation polaire drsquoune conique avec origine au foyer

r(θ) =p

1 + e cos θ

r distance du point courant agravelrsquoorigineθ angle polairep paramegravetree excentriciteacute

Nature de la conique

ndash une ellipse si 0 lt e =a

blt 1 ab

O

ndash une parabole si e = 1

ndash une hyperbole si e gt 1

Aire drsquoune ellipse

S = πabS surface de la coniquea demi grand axeb demi petit axe

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 69

1 Eacutelectronique 69

1 Eacutelectronique

11 Lois geacuteneacuterales

Loi de Pouillet

i =E

sumk

Rk

i intensiteacute du courant dans lecircuitE tension deacutelivreacutee par le geacuteneacute-rateurRk reacutesistance k du circuit

Loi des nœuds

La loi des nœuds en N srsquoeacutecrit n

sumk=1

ik = 0

Ni1

in

ik

i4

i2i3

Loi des mailles

La loi des mailles sur la maille ci-

contre srsquoeacutecrit n

sumk=1

uk = 0 u1

u2

u3

u4

unuk

Theacuteoregraveme de Millman

Le theacuteoregraveme de Millman appliqueacuteen N donne

u =

n

sumk=1

Gk middot uk +p

sumj=1

i j

n

sumk=1

Gk u1 unu2 uk

uG1 GnG2 Gk

Ni1

i2 ijip

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 70

70 [2] Physique

Theacuteoregraveme de superposition (Helmholtz)Dans un reacuteseau de dipocircles lineacuteaires comportant n sources la tensionaux bornes de chaque dipocircle est la somme algeacutebrique des tensions qursquoily aurait aux bornes de ce dipocircle si une seule source autonome fonction-nait De mecircme lrsquointensiteacute dans une branche drsquoun circuit est la sommedes intensiteacutes qui regravegneraient dans la branche si une seule source au-tonome fonctionnait

12 Reacutegime variable

Puissance reccedilue par un dipocircle

p(t) = u(t)i(t)

lt pgt=1T

int T

0p(t) dt

lt pgtsinusoiumldal= Ueff Ieff cosϕ

On se place en convention reacutecep-teurp(t) puissance instantaneacutee reccediluepar le dipocirclelt p gt puissance moyenne reccediluepar le dipocircleu(t) tension aux bornes de ce di-pocirclei(t) intensiteacute traversant le dipocircleUeff tension efficace aux bornesdu dipocircleIeff intensiteacute efficace traversant ledipocircleϕ deacutephasage entre la tension etlrsquointensiteacute ϕ = arg Z ougrave Z est lrsquoim-peacutedance complexe

Impeacutedance complexe et phase des composants usuels

Reacutesistance

Z = R

ϕ = 0

Bobine

Z = jLω

ϕ = +π

2

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 71

1 Eacutelectronique 71

Condensateur

Z =1

jCω

ϕ = minusπ

2

Z impeacutedanceR valeur de la reacutesistanceC capaciteacute du condensateurL inductance de la bobineω pulsationϕ deacutephasage de u par rapport agrave i

Fonction de transfert

H( jω) =s

e

H( jω) fonction de transferts signal de sortiee signal drsquoentreacutee

Gain en deacutecibels ndash Phase

H(ω) = |H( jω)|

GdB = 20 log |H( jω)|

ϕ = argH

H(ω) gainGdB gain en deacutecibelsH( jω) fonction de transfertϕ phase (avance de la sortie surlrsquoentreacutee)

Diagramme de BodeLe diagramme de Bode en gain (respectivement en phase) consiste agraverepreacutesenter le gain en deacutecibel (respectivement la phase) en fonction de

logω

ω0ou de logω

Filtre passe-bas du premier ordre

log(w)log(w )0

G (dB)

log(w )0 log(w)

jp2

2

4-p

-p

H(ω) =H0

1 + jω

ω0

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 72

72 [2] Physique

Filtre passe-haut du premier ordre

log(w )0

log(w)

G (dB)

log(w )0

log(w)

jp

p2

4

2-p

H(ω) =H0 j

ω

ω0

1 + jω

ω0

Filtre passe-bas du deuxiegraveme ordre

log(w )0

log(w)

Q gt Q1 2 Q gt Q2 3

Q3

G (dB) log(w )0 log(w)Q gt Q1 2

Q3

j

0

2-p

-p

Q =1 gt Q2 3Ouml2

H(ω) =H0

1 +

(jω

ω0

)2+ j

ω

Qω0

Filtre passe-haut du deuxiegraveme ordre

log(w)

Q gt Q1 2

Q gt Q2 3

Q3

G (dB)

log(w )0

log(w )0 log(w)

Q gt Q1 2

Q3

j

0

2p

p

Q =1 gt Q2 3Ouml2

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 73

1 Eacutelectronique 73

H(ω) =

H0

(jω

ω0

)

1 +

(jω

ω0

)2+ j

ω

Qω0

Filtre passe bande du deuxiegraveme ordre

log(w)

Q gt Q1 2

Q gt Q2 3

Q3

G (dB)

log(w )0

log(w )0

log(w)

Q gt Q1 2

Q3

jp

0

2

2-p

Q =1 gt Q2 3Ouml2

H(ω) =H0

1 + jQ

ω0minus ω0

ω

)

13 Montages avec amplificateur opeacuterationnel

GeacuteneacuteraliteacutesPour un amplificateur opeacuterationnel ideacuteal en reacutegime lineacuteaire ndash ε = V+ minusVminus = 0lArrrArr |uS| 6 Vsatndash Si ε lt 0 uS = minusVsat si ε gt 0 uS = Vsat on est en reacutegime satureacutendash Lrsquointensiteacute entrant par les bornes + et minus est nulle

Suiveur de tension

+yen-e

uSuE

iS

uS = uE

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 74

74 [2] Physique

Amplificateur inverseur

+yen

-

R2

uSuE

iER1 e

uS = minusR2

R1uE

Amplificateur non inverseur

+yen-

R2

uSuE

iEiS

R1 e

uS =

(1 +

R2

R1

)uE

Convertisseur courant-tension

+yen-

R

uSuE

iE iSe

uS = minusR middot iE

Comparateur simple

+yen-

uSu2 u1

e

Si u1 gt u2 uS = +VsatSi u1 lt u2 uS = minusVsat

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 75

1 Eacutelectronique 75

Inteacutegrateur theacuteorique

+yen-R

C

uSuE

e uS =

minus 1RC

int t

t0uE(t) dt + us(t0)

Deacuterivateur theacuteorique

+yen-

R

uSuE

C e

uS = minusRCduEdt

Comparateur agrave hysteacutereacutesis

ε =R1

R1 + R2uS minus uE

ndash Si uS = +Vsat rArr ε gt 0rArr uE ltR1

R1 + R2Vsat

ndash Si uS = minusVsat rArr ε lt 0rArr uE gt minus R1

R1 + R2Vsat

ndash Si uE isin]minus R1

R1 + R2Vsat

R1

R1 + R2Vsat

[alors le montage est bistable

(uS = plusmnVsat)

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 76

76 [2] Physique

Sommateur inverseur

+yen-

R2

uS

uE1 uE2 uE3

uE1

i1

i2

i3

R11

R1 2

R1 3

e

ik =uEk

R1kuS = minusR2 sum

k

uEk

R1k

2 Thermodynamique

21 Gaz parfait

Eacutequation drsquoeacutetat

pV = nRT

p pression du gazV volume du gazR = N middot k constante des gaz par-faitsT tempeacuteraturen quantiteacute de matiegravere

Vitesse quadratique moyenne

12mu2 =

32kT

m masse atomique du gazu vitesse quadratique moyennek constante de BoltzmannT tempeacuterature

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 77

2 Thermodynamique 77

Coefficients thermoeacutelastiques

α =1V

(partVpartT

)

p

β =1p

(partppartT

)

V

χT = minus 1V

(partVpartp

)

T

α coefficient de dilatation isobareβ coefficient drsquoaugmentation depression agrave volume constantχT coefficient de compressibiliteacuteisothermep pressionT tempeacuteratureV volume

Relation entre les coefficients thermoeacutelastiquesα = pβχT

Modegravele de Van der Waals

(p +

n2a

V2

)(V minus nb) = nRT

a b constantes positivesn quantiteacute de matiegraverep pressionT tempeacuteratureV volumenb covolumeR constante des gaz parfaits

22 Premier et second principes de la thermodynamique

Premier principe

∆U = W + Q

∆U variation drsquoeacutenergie interneW transfert meacutecaniques reccedilus parle systegravemeQ transferts thermiques vers lesystegravemec copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 78

78 [2] Physique

Travail reacuteversible des forces de pression

W = minusint V f

Vi

p dV

W travail des forces de pressionVi volume initialV f volume finalp pressionSi la transformation est isobarealors W = minusp∆V

Enthalpie

H = U + pV

H enthalpieU eacutenergie internep pressionV volume du systegravemeLrsquoenthalpie est une fonction drsquoeacutetat

Premiegravere loi de Joule pour un gaz parfait

dU = CV dT

dU variation drsquoeacutenergie interneCV capaciteacute thermique agrave volumeconstantdT variation de tempeacuterature

CV =

(partUpartT

)

V

Autre formulation U ne deacutependque de T

Seconde loi de Joule pour un gaz parfait

dH = Cp dT

dH variation drsquoenthalpieCp capaciteacute thermique agrave pressionconstantedT variation de tempeacuterature

Cp =

(partHpartT

)

p

Autre formulation H ne deacutependque de T

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 79

2 Thermodynamique 79

Gaz parfait monoatomique

U =32nRT

H =52nRT

U eacutenergie interneH enthalpien quantiteacute de matiegravereR constante des gaz parfaitsT tempeacuterature

Bilan sur les eacutecoulements permanents

(h2 + ek2+ ρgz2)minus (h1 + ek1

+ ρgz1) = wm + qm

wm

qm

Cette relation est aussi appeleacuteerelation de ZeunerOn indexe par 1 et 2 les grandeursrelatives au fluide respectivementen amont et en aval de la machine

hi enthalpie massiqueeki

eacutenergie cineacutetique massiqueρgzi eacutenergie potentielle de pesan-teur massiquewm travail reccedilu par lrsquouniteacute demasse de fluide qui traverse la ma-chineqm transfert thermique reccedilu parlrsquouniteacute de masse de fluide qui tra-verse la machine

Deacutetente de Joule Gay-Lussac

eacutetat initial

eacutetat final

∆U = 0

U eacutenergie interne

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 80

80 [2] Physique

Deacutetente de JoulendashKelvin

h1 + ek1= h2 + ek2

En eacutecoulemement lent (eki≪ hi)

la deacutetente est isenthalpique (h2 =h1)

Rapport des capaciteacutes thermiques

γ =Cp

CVgt 1

Cp =γR

γminus 1

CV =R

γminus 1R constante des gaz parfaitsγ rapport des capaciteacutes ther-miques

Second principe ndash Entropie

dS =δQ

+ δSirrev

S entropieQ transferts thermiques vers lesystegravemeTΣ tempeacuterature de surface dusystegravemeδSirrev gt 0 creacuteation drsquoentropieLrsquoentropie est une mesure statis-tique du deacutesordre

Identiteacutes thermodynamiques

dU = T dSminus p dV

dH = T dS +V dp

dU variation drsquoeacutenergie internedH variation drsquoenthalpiedS variation drsquoentropiep pression du gazV volume du systegravemeT tempeacuterature

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 81

2 Thermodynamique 81

Lois de Laplace

p Vγ = cste1

T Vγminus1 = cste2

Tγp1minusγ = cste3

Ces lois deacutecrivent lrsquoeacutevolution desparamegravetres thermodynamiquespour une transformation isentro-pique (adiabatique reacuteversible) degaz parfaitp pression du gazV volume du systegravemeT tempeacuteratureγ rapport isentropique

23 Changements de phase drsquoun corps pur

Diagramme drsquoeacutetat

vapeur

C

T

T

p

liquidesolide

Le point C est le point critique au delagraveduquel on ne fait plus la diffeacuterence entrela phase liquide et la phase vapeur (eacutetatfluide)Le point T est le point triple ougrave toutes lesphases coexistentp pressionT tempeacuterature

Nomenclature des changements de phase

vapeurliquidesolidefusion

sublimation

condensation

solidification liqueacutefaction

vaporisation

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 82

82 [2] Physique

Diagramme drsquoeacutequilibre liquidendashvapeur

vapeur

T T= C

T gt TC

T lt TC

liquide+

vapeur

C

vvl

vv

VLM

p

V

liquide

courbe drsquoeacutebullition

courbe de roseacutee

vapeur

p = pC

p gt pC

p lt pC

liquide+

vapeur

C

ssl s

v

VL

M

T

S

liquide

courbe drsquoeacutebullition

courbe de roseacutee

Titre de vapeur ndash Titre de liquide

xv =mv

m=

LM

LV

xl =mlm

=MV

LV

xl titre massique de liquidexv titre massique de vapeurml mv masse de liquide et de vapeurLM LVMV distance LM LVMVmesureacutees sur un des deux diagrammesdrsquoeacutetat preacuteceacutedent

On a eacutegalement la relation xl + xv = 1

Expression des fonctions drsquoeacutetat

u = x1u1 + x2u2

h = x1h1 + x2h2

s = x1s1 + x2s2

xi le titre massique du corps pur dansla phase iui hi si lrsquoeacutenergie interne massiquelrsquoenthalpie massique et lrsquoentropie mas-sique du corps dans la phase iu h s lrsquoeacutenergie interne massique lrsquoen-thalpie massique et lrsquoentropie massiquedu corps

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 83

2 Thermodynamique 83

Chaleur latente

l1rarr2 = h2 minus h1 = T(s2 minus s1)

l1rarr2 chaleur latente massique de pas-sage de la phase 1 agrave la phase 2hi enthalpie massique du corps dans laphase isi entropie massique du corps dans laphase iT tempeacuterature de cœxistance desphases

Relation de Clapeyron

l1rarr2 = T(v2 minus v1)partppartT

l1rarr2 chaleur latente massique de pas-sage de la phase 1 agrave la phase 2vi volume massique du corps dans laphase ip pressionT tempeacuterature de changement drsquoeacutetat

24 Machines thermiques

Machines dithermes

machine

QC

W

QF

TC TF

TC tempeacuterature de la source chaudeQC transfert thermique algeacutebrique dela source chaude vers la machineTF tempeacuterature de la source froideQF transfert thermique algeacutebrique de lasource froide vers la machineW transfert meacutecanique reccedilu par la ma-chine

Premier et second principes appliqueacutes sur un cycle

∆U = 0

∆S = 0

Sur un cycle la variation drsquoeacutenergie in-terne (U) et drsquoentropie (S) est nulle(fonctions drsquoeacutetat)c copy

Duno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 84

84 [2] Physique

Ineacutegaliteacute de Clausius

QC

TC+

QF

TF6 0

(Second principe appliqueacute agrave la machine)TC tempeacuterature de la source chaudeQC transfert thermique algeacutebrique dela source chaude vers la machineTF tempeacuterature de la source froideQF transfert thermique algeacutebrique de lasource froide vers la machine

Efficaciteacute de Carnot du moteur ditherme

eC = 1minus TFTC

e 6 eC

eC efficaciteacute de Carnot (machine reacutever-sible)TC tempeacuterature de la source chaudeTF tempeacuterature de la source froidee efficaciteacute reacuteelle

Efficaciteacute de Carnot du reacutefrigeacuterateur ditherme

eC =TF

TC minus TFe 6 eC

eC efficaciteacute de Carnot (machine reacutever-sible)TC tempeacuterature de la source chaudeTF tempeacuterature de la source froidee efficaciteacute reacuteelle

Efficaciteacute de Carnot de la pompe agrave chaleur

eC =TC

TC minus TFe 6 eC

eC efficaciteacute de Carnot (machine reacutever-sible)TC tempeacuterature de la source chaudeTF tempeacuterature de la source froidee efficaciteacute reacuteelle

Repreacutesentation du cycle

p

V

Le transfert meacutecanique reccedilu par la ma-chine correspond agrave lrsquoaire inteacuterieure de lacourbe dans le diagramme de Clapey-ron (pV) Cette aire doit donc ecirctre neacute-gative (parcourue dans le sens horaire)pour obtenir un moteur (w lt 0)

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 85

2 Thermodynamique 85

T

S

Le transfert thermique reccedilu correspondagrave lrsquoaire inteacuterieure agrave la courbe dans le dia-gramme (S T)

25 Diffusion thermique

Flux thermique

Φth =intint

Sjjjth middotnnn dS

Φth flux thermiquejjjth vecteur courant de diffusionthermiquennn normale agrave la surface dS

Loi de Fourier

jjjth = minusλgradT

jjjth vecteur courant de diffusionthermiqueT tempeacuteratureλ conductiviteacute thermique

Eacutequation de la chaleur

partTpartt

= κ∆T

κ =λ

ρC

κ diffusiviteacute thermiqueT tempeacuterature∆ laplacien scalaireλ conductiviteacute thermiqueρ masse volumiqueC capaciteacute thermique

Convection

jc = minush(Tint minus Text)

jc courant de convection algeacutebriqueh coefficient de convectionTint tempeacuterature inteacuterieureText tempeacuterature exteacuterieure

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 86

86 [2] Physique

Conductance thermique

Φ = G(Tint minus Text)

G = heqS

heq =

(

sumi

1hi

+ sumj

e j

λ j

)minus1

En reacutegime permanent on deacutefinitainsi la conductance thermiqueΦ flux thermique totalG conductance thermiqueTint tempeacuterature inteacuterieureText tempeacuterature exteacuterieureh coefficient de convectionλ conductiviteacute thermiquee j epaisseur de la paroi de conduc-tiviteacute λ j

26 Rayonnement thermique

Flux thermique

ϕi︸︷︷︸incident

= ϕr︸︷︷︸reacutefleacutechi

+ ϕa︸︷︷︸absorbeacute

ϕp︸︷︷︸partant

= ϕe︸︷︷︸eacutemis

+ ϕr︸︷︷︸reacutefleacutechi

+ ϕt︸︷︷︸transmis

Fi

Fr Fd

Ft

Fa

Loi de Planck

Fλ(λ T) =2πhc2

λ51

ehc

kλTminus1

Fλ(λ T) eacutemittanceλ longueur drsquoondeT tempeacuteratureh constante de Planckc vitesse de la lumiegravere dans levidek constante de Boltzmann

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 87

2 Thermodynamique 87

Repreacutesentation graphique de la loi de Planck

F ( T)l l

lieu des maximums

T T1 2gt

T T2 3gt

T T3 4gt

T4

l

Loi du deacuteplacement de Wien

λmT = 2 897 8 microm middotKλm longueur drsquoonde ougrave lrsquoeacutemis-sion est maximaleT tempeacuterature

Loi de StefanCette loi est valable pour tout corps agrave lrsquoeacutequilibre thermodynamique etagrave lrsquoeacutequilibre thermique pour ϕp

ϕe =int +infin

0Fλ(λ T) dλ

ϕe = σT4

ϕe flux eacutemisFλ(λ T) luminance (deacutecrite parla loi de Planck)σ constante de Stefanλ longueur drsquoondeT tempeacuterature

Corps noir

Un corps noir absorbe le flux incident pour toute longueur drsquoonde etquelque soit son incidence Il est en eacutequilibre radiatif (ϕp = ϕi etϕe = ϕa ougrave ϕp est le flux partant ϕi le flux incident ϕe le flux eacutemiset ϕa le flux absorbeacute) et thermique

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 88

88 [2] Physique

3 Meacutecanique du point

31 Cineacutematique

Coordonneacutees carteacutesiennes

OMOMOM = xiii + yjjj + zkkk

x abscissey ordonneacuteez cote

vvv =dOMOMOMdt

=

xyz

aaa =d2OMOMOMdt2

=

xyz

M

i

kj

z

x

zM

xM

yMy

O

Coordonneacutees cylindriques

OMOMOM = ruuur + zuuuz

r rayon polaireθ angle polairez cote

vvv =dOMOMOMdt

=

rrθz

uuur

uuuθ

uuuz

aaa =d2OMOMOMdt2

=

rminus rθ2

2rθ + rθz

uuur

uuuθ

uuuz

M

i

ur

uz

uq

kj

q

z

x

zM

xM

yM y

r

O

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 89

3 Meacutecanique du point 89

Coordonneacutees spheacuteriques

OMOMOM = ruuur

r rayonθ colatitude variant dans [0π]ϕ longitude variant dans [0 2π]

vvv =dOMOMOMdt

=

rrθ

r sin θϕ

uuur

uuuθ

uuuϕ

M

ur

uj

uq

i

k

j

j

q

x

z

r

zM

xM

yM yO

Mouvement circulaire uniforme

OMOMOM = ruuur

r rayon polaireθ angle polaireωωω vitesse angulaire uniforme(ωωω = ωuuuz)

M

v(M)

a(M)ur

uq q x

z

y

O

vvv = ωuuuz andOMOMOM = ωruuuθ aaa = minusω2ruuur = minus v2

ruuur

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 90

90 [2] Physique

32 Changement de reacutefeacuterentiel

x

xrsquo

z zrsquo

y

yrsquo

O Orsquo

Composition des vitesses

vvv(M)R = vvv(M)Rprime︸ ︷︷ ︸vitesse relative

+vvv(Oprime)R + ΩΩΩ andOprimeMOprimeMOprimeM︸ ︷︷ ︸vitesse drsquoentraicircnement

ΩΩΩ vecteur de rotation instantanneacutee de Rprime par rapport agrave R

Composition drsquoacceacuteleacuteration

aaa(M)R = aaa(M)Rprime+ 2ΩΩΩ and vvv(M)Rprime︸ ︷︷ ︸acceacuteleacuteration de Coriolis (ac)

+aaa(Oprime)R + ΩΩΩ and(ΩΩΩ andOprimeMOprimeMOprimeM

)+

dΩΩΩ

dtandOprimeMOprimeMOprimeM

︸ ︷︷ ︸acceacuteleacuteration drsquoentraicircnement (ae)

Forces associeacutees

fffe = minusmaaae

fffc = minusmaaac

fffe force drsquoentraicircnementfffc force de Coriolisaaae acceacuteleacuteration drsquoentraicircnementaaac acceacuteleacuteration de Coriolis

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 91

3 Meacutecanique du point 91

Reacutefeacuterentiel en rotation uniforme autour drsquoun axe fixe

fffe = mΩ2ruuur

(force centrifuge)

fffc = minus2mΩΩΩ and vvv(M)Rprime

W t

W

z = zrsquo

x

yrsquo

xrsquo

yO

Reacutefeacuterentiel galileacuteenDans un reacutefeacuterentiel galileacuteen un point mateacuteriel isoleacute est soit au repossoit animeacute drsquoun mouvement rectiligne uniforme

33 Lois geacuteneacuterales de la meacutecanique

Principe des actions reacuteciproques

FFF1rarr2 = minusFFF2rarr1

M1M2M1M2M1M2 and FFF1rarr2 = 000

FFFirarr j force de i sur jMi point drsquoapplication de la forceFirarr j

Principe fondamental de la dynamique

dpppdt

= sumi

fffi

ppp = mvvv quantiteacute de mouvementdu systegravemefffi force appliqueacutee au systegravemesumi

fffi reacutesultante des forces

Quantiteacute de mouvement drsquoun systegraveme fermeacute

ppp = sumi

mivvv(Pi) = Mvvv(G)

ppp quantiteacute de mouvement du sys-tegravememi masse associeacutee au point mateacute-riel PiM masse du systegravemeG centre de masse du systegraveme

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 92

92 [2] Physique

Theacuteoregraveme du moment cineacutetique en un point fixe

dLLLO

dt=MMMO

(

sumi

fffi

)LLLO moment cineacutetique au point dereacuteduction O

MMMO

(

sumi

fffi

) moment de la reacutesul-

tante des forces en O

Moment cineacutetique ndash Moment cineacutetique barycentrique

LLLB = LLLA +BABABA andmvvv(M)

LLLlowastsystegraveme = LLLG

LLLP moment cineacutetique en Pm masse du systegravemevvv(M) vitesse du point MLLLlowastsystegraveme moment cineacutetique bary-centrique du systegraveme

Theacuteoregraveme de Kœnig du moment cineacutetique

LLLA = LLLlowast +AGAGAG andMvvv(G)

LLL(P) moment cineacutetique en PLLLlowast moment cineacutetique barycen-triqueM masse du systegravemevvv(G) vitesse du centre de graviteacutedu systegraveme

Moment de forces

MMMB(fff) =MMMA(fff) +BABABA and fff MMMP moment de force en Pfff force appliqueacutee au systegraveme

Theacuteoregraveme du moment cineacutetique en un point mobile

dLLLAdt = MMMA (sumi fffi)

minusvvv(A) andmvvv(P)

LLL moment cineacutetique

MMM(

sumi

fffi

) moment de la reacutesul-

tante des forcesm masse du systegravemevvv(P) vitesse de P

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 93

3 Meacutecanique du point 93

Puissance drsquoune force

P = fff middot vvvP puissance de la force ffffff forcevvv(G) vitesse du point mateacuteriel

Eacutenergie cineacutetique drsquoun point et drsquoun systegraveme de points

Ek =12mv2

Ek = sumi

mi

2v2i

Ek eacutenergie cineacutetiquem masse du systegravememi masse du point mateacuteriel Piv vitesse du systegravemevi vitesse du point mateacuteriel Pi

Theacuteoregraveme de lrsquoeacutenergie cineacutetique

dEkdt

= PEk eacutenergie cineacutetiqueP puissance des forces appli-queacutees au systegraveme

Theacuteoregraveme de Kœnig de lrsquoeacutenergie cineacutetique

Ek = Elowastk +12mv2(G)

Ek eacutenergie cineacutetiqueElowastk eacutenergie cineacutetique barycen-triquem masse du systegravemev(G) vitesse du centre de graviteacutedu systegraveme

Eacutenergie meacutecanique

Em = Ek + Ep

Em eacutenergie meacutecaniqueEk eacutenergie cineacutetiqueEp eacutenergie potentiellec copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 94

94 [2] Physique

Eacutenergies potentielles

ndash eacutenergie potentielle de pesanteur

Eppes = MgzG

Eppes eacutenergie potentielle de pe-santeurm masse du systegravemeg acceacuteleacuteration de la pesanteurzG cote du centre de graviteacute dusystegraveme

ndash eacutenergie potentielle eacutelastique

Epelas=

12k(∆l)2

Epelas eacutenergie potentielle eacutelastique

k constante de raideur du ressort∆l allongement du ressort

ndash eacutenergie potentielle de gravitation

Epgrav = minusGm1m2

r

Epgrav eacutenergie potentielle de gra-vitationG constante universelle de gravi-tationm1 m2 masses en interactionr distance seacuteparant les deuxmasses

ndash eacutenergie potentielle eacutelectrique

Epel= qV

Epel eacutenergie potentielle eacutelectrique

q charge ponctuelleV potentiel au point ougrave se trouvela charge

Eacutequilibre

dEp

dx(x0) = 0

x0 position drsquoeacutequilibreEp eacutenergie potentielle

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 95

3 Meacutecanique du point 95

Eacutequilibre stable ndash Eacutequilibre instable

d2 Ep

dx2(x0) gt 0

x0

Ep

xO

Minimum drsquoeacutenergie potentielle eacutequilibre stable

d2 Ep

dx2(x0) 6 0

x0

Ep

xO

Maximum drsquoeacutenergie potentielle eacutequilibre instable

Forces conservatives

FFFcons = minusgradEp Les forces conservatives deacuteriventdrsquoune eacutenergie potentielle

Theacuteoregraveme de lrsquoeacutenergie meacutecanique

dEm

dt= Pext non cons +Pint non cons

Em eacutenergie meacutecaniquePext non cons puissance des forcesexteacuterieures au systegraveme nonconservativesPint non cons puissance des forcesinteacuterieures au systegraveme (dans lecas drsquoun systegraveme de points) nonconservatives

34 OscillateursOn se reportera eacutegalement aux oscillateurs eacutelectriques dans la partie eacutelec-tronique de cet ouvrage

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 96

96 [2] Physique

Oscillateur harmonique

d2 Adt2

+ ω20A = 0

A = α cosω0t + β sinω0t

A = γ cos(ω0t + ϕ)

Un oscillateur harmonique est reacute-git par lrsquoeacutequation ci-contre ougrave A grandeur physiqueω0 pulsation de lrsquooscillateurαβγϕ constantes deacutetermineacuteespar les conditions initiales

Portrait de phase drsquoun oscillateur harmonique

A

Aw0

0

Le portrait de phase drsquoun oscilla-teur harmonique est constitueacute decercles concentriques

Oscillateur harmonique amorti

d2 Adt2

+ω0

Q

dAdt

+ ω20A = 0

A grandeur physiqueω0 pulsation de lrsquooscillateur har-moniqueQ facteur de qualiteacute de lrsquooscilla-teur

Reacuteponses drsquoun oscillateur harmonique amorti

Q gt 12 les deux racines delrsquoeacutequation caracteacuteristique r1 et r2sont reacuteelles la solution est du typeapeacuteriodique A(t) = λer1t + microer2t

A( )t

t

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 97

3 Meacutecanique du point 97

Q = 12 on est en reacutegimecritique lrsquoeacutequation caracteacuteristiqueadmet une racine double r La so-lution est A(t) = (λt + micro)ert

A( )t

t

Q lt 12 les deux racinesde lrsquoeacutequation caracteacuteristiques sontcomplexes conjugueacutees la solu-tion est alors pseudo-peacuteriodique A(t) = (λ cos(βt) + micro sin(βt))eαt

avec α et β respectivement partiesreacuteelle et imaginaire de la solution

A( )t

t

Portrait de phase drsquoun oscillateur amorti

Qgt1

2

Q=12

Q

lt12

A

Aw0

Oscillations forceacutees

d2 Adt2

+ω0

Q

dAdt

+ ω20A = E(t)

A grandeur physiqueω0 pulsation de lrsquooscillateur har-moniqueQ facteur de qualiteacute de lrsquooscilla-teurE(t) excitationSi lrsquoexcitation est sinusoiumldale onreacutesout une telle eacutequation en utili-sant la notation complexe et en po-sant A(t) = A0e

jωtIl ne peut y avoir reacutesonance que siQ gt 1

radic2

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 98

98 [2] Physique

35 Mouvement drsquoune particule chargeacutee

Force de Lorentz

FFF = q(EEE + vvv andBBB)

FFF force de Lorentzq charge de la particulevvv vitesse de la particuleBBB champ magneacutetiqueEEE champ eacutelectrique

Mouvement dans un champ magneacutetique stationnaire uniforme

R =

∣∣∣∣mv0qB

∣∣∣∣

ω =

∣∣∣∣qB

m

∣∣∣∣

Ces lois deacutecrivent la trajectoire cir-culaire drsquoune particule de masse met de charge q abandonneacutee dansun champ magneacutetique avec unevitesse vvv0 orthogonale au champmagneacutetique BBBR rayon de la trajectoireω vitesse angulaire de la parti-cule

Un champ magneacutetique ne fait que deacutevier une particule il ne lrsquoacceacutelegraverepas

Effet Hall

EEEHall = minusvvv andBBB

UHall =BI

nqℓ

EEEHall champ eacutelectrique creacuteeacute pareffet HallUHall diffeacuterence de potentiel quiapparaicirct aux bornes de la sondevvv vitesse des particulesBBB champ magneacutetiqueI intensiteacute du courant traversantla sonden densiteacute particulaireq charge de la particuleℓ largeur de la sonde

B

EHall

I l

+++++++

ndashndashndashndashndashndashndash

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 99

3 Meacutecanique du point 99

36 Systegravemes de deux points mateacuteriels

Systegraveme isoleacute de deux points mateacuterielsPour eacutetudier un systegraveme isoleacute de deux points mateacuteriels de masse m1 etm2 on eacutetudie le mouvement drsquoune particule eacutequivalente dans le reacutefeacute-

rentiel barycentrique et de masse micro =m1m2

m1 + m2situeacutee en un point M

tel que GMGMGM = M1M2M1M2M1M2 = rrr

GM1GM1GM1 =minusm2

m1 + m2M1M2M1M2M1M2

GM2GM2GM2 =m1

m1 + m2M1M2M1M2M1M2

(m1 + m2)vvv(G) = cstecstecste

mi masse de la particule se trou-vant en Mimicro masse reacuteduiteG centre de graviteacute du systegravemevvv(G) vitesse de ce centre de gra-viteacutevvvi vitesse de la particule se trou-vant en Mi

Conservation du moment cineacutetique

LLLO = mCCC

ppp = CsteCsteCste

Dans le cas drsquoun systegraveme isoleacute dedeux particules il y a conserva-tion du moment cineacutetique et de laquantiteacute de mouvementLLL moment cineacutetiqueP point fictif (repreacutesentant le mo-bile eacutequivalent)vvv(P) vitesse de ce pointm masse du systegravemeCCC constante des aires

Planeacuteiteacute de la trajectoire ndash Loi des aires

La trajectoire est plane et la vitesseareacuteolaire est constante

dAdt

=C

2laquo Pour des temps eacutegaux les airesbalayeacutees sont eacutegales raquo

v( )M

d aire balayeacuteependant dA

t

O

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 100

100 [2] Physique

Eacutenergie potentielle efficace

Elowastm =12micror2 + Epe f f = E0

Epe f f =microC2

2r2+ Epint (r)

Pour un systegraveme isoleacute de deuxpoint mateacuteriels il y a conserva-tion de lrsquoeacutenergie meacutecanique bary-centriqueElowastm eacutenergie meacutecanique barycen-triqueEpe f f eacutenergie potentielle efficaceEpint (r) eacutenergie potentielle inteacute-rieure

micro masse reacuteduite(

micro =m1m2

m1 + m2

)

r = M1M2C constante des aires

Formules de Binet

vvv = minusCdudθ

uuur + Cuuuuθ

aaa = minusC2u2

(d2 udθ2 + u

)uuur

u =1r

vvv vitesseaaa acceacuteleacuterationC constante des airesθ angle polaireuuur vecteur radialuuuθ vecteur orthoradial

Trajectoires newtonniennes en coordonneacutees polaires

r(θ) =p

1 + e cos(θminus θ0)

p paramegravetre de la coniquee excentriciteacute de la coniquee et θ0 sont deacutetermineacutes par lesconditions initiales

Lois de KeplerCes lois deacutecrivent les trajectoires des planegravetes en supposant le reacutefeacuteren-tiel de Kepler centreacute sur le soleil galileacuteen et les trajectoires des diffeacute-rentes planegravetes indeacutependantes1 Les orbites des planegravetes sont des ellipses ayant le soleil pour foyer2 La vitesse areacuteolaire est constante pour des temps eacutegaux les airesbalayeacutees sont eacutegales

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 101

4 Meacutecanique du solide 101

3 Le carreacute de la peacuteriode est proportionnelle au cube du grand axe

T2 =4π2a3

GMsoleil

4 Meacutecanique du solide

41 Cineacutematique du solide

Champ de vitesse du solide

vvv(A t) = vvv(B t) +ABABAB andΩΩΩ(t)

vvv vitesse du point du solideconsideacutereacuteΩΩΩ vecteur instantaneacute de rotationdu solide

Roulement sans glissement

vvvg S1S2= vvv(IS1 )minus vvv(IS2 ) = 000

vvv(ISk) vitesse du point appar-

tenant au solide Sk et coiumlncidentavec le point I de contact entre lesdeux solidesvvvg S1S2

vitesse de glissement deS1 par rapport agrave S2

Eacutenergie cineacutetique du solide

Ek =12mv2(G)︸ ︷︷ ︸translation

+12J∆Ω2

︸ ︷︷ ︸rotation propre

Ek eacutenergie cineacutetiquem masse du solidev(G) vitesse du centre drsquoinertieJ∆ moment drsquoinertie par rapportagrave lrsquoaxe de rotation instantaneacute dusolide dans le reacutefeacuterentiel barycen-triqueΩΩΩ vecteur vitesse de rotation ins-tantaneacute

c copyDuno

dL

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 102

102 [2] Physique

Moment drsquoinertie

Moment drsquoinertie par rapport agravelrsquoaxe ∆

J∆ =intintint

solider2 dm

Eacuteleacutements cineacutetiques L∆ = J∆Ω (Moment cineacutetique)Ek = 1

2 J∆Ω2 (Eacutenergie cineacutetique)D

W

r

Theacuteoregraveme drsquoHuygens

J∆ = JG + ma2

J∆ moment drsquoinertie par rapportagrave lrsquoaxe de rotationJG moment drsquoinertie par rapportagrave lrsquoaxe passant par G et parallegravele agrave∆

D

Wa

G

Quelques moments drsquoinertie classiques

D

R

D

R

h

D

l 2 l 2

sphegravere pleinehomogegravene de masse

m

cylindre pleinhomogegravene de masse

m

tige mincehomogegravene de masse

m

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 103

4 Meacutecanique du solide 103

J∆ =25mR2 J∆ =

12mR2 J∆ =

112

mℓ2

42 Theacuteoregravemes geacuteneacuteraux de la dynamique

Theacuteoregraveme du centre drsquoinertie

mdvvvGdt

= sumi

fffivvvG vitesse du centre drsquoinertie dusolidefffi force exteacuterieure appliqueacutee ausolide

Theacuteoregraveme du moment cineacutetique

dLLLO

dt= sum

i

OMOMOMi and fffi

LLLO moment cineacutetique du solideen O point immobilefffi force exteacuterieure appliqueacutee ausolideMi point drsquoapplication de la forcefi

Moment cineacutetique ndash Moment cineacutetique barycentrique

LLLB = LLLA +BABABA andmvvv(P)

LLLlowastsystegraveme = LLLG

LLL moment cineacutetiquem masse du solidevvv(P) vitesse du point PLLLlowastsystegraveme moment cineacutetique bary-centrique du solide

Theacuteoregraveme de Kœnig du moment cineacutetique

LLLA = LLLlowast +AGAGAG andmvvv(G)

LLL moment cineacutetiqueLLLlowast moment cineacutetique barycen-triquem masse du systegravemevvv(G) vitesse du centre de graviteacutedu solide

Theacuteoregraveme de lrsquoeacutenergie cineacutetique

dEkdt

= PextEk eacutenergie cineacutetiquePext puissance des forces exteacute-rieures appliqueacutees au solide

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 104

104 [2] Physique

Puissance des forces appliqueacutees agrave un solide

P = FFF middot vvv(G) +MMMG middotΩΩΩ

P puissance des forces appli-queacutees au solideFFF force reacutesultantevvv(G) vitesse du centre drsquoinertiedu solideMMM moment des forces exteacuterieuresen GΩΩΩ vecteur de rotation instantaneacuteedu solide

Theacuteoregraveme de Kœnig de lrsquoeacutenergie cineacutetique

Ek = Elowastk +12mv2(G)

Ek eacutenergie cineacutetiqueElowastk eacutenergie cineacutetique barycen-triquem masse du solidevvv(G) vitesse du centre drsquoinertiedu solide

Theacuteoregraveme de lrsquoeacutenergie meacutecanique

dEm

dt= Pext non cons

Em eacutenergie meacutecaniquePext non cons puissance des forcesexteacuterieures non conservatives

Liaison pivotPour une liaison pivot parfaiteM∆ = 0 ougraveM∆ est le moment desactions de contact

43 Contacts entre les solides

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 105

5 Optique 105

Roulement sans glissement

vvvg de S1S2= vvv(IS1 )minus vvv(IS2 ) = 000

vvv(ISk) vitesse du point appar-

tenant au solide Sk et coiumlncidentavec le point I de contact entre lesdeux solidesvvvg de S1S2

vitesse de glissementdu solide S1 par rapport au solideS2

N

T I

S1

S2

Lois de Coulomb1 La reacuteaction normale NNN est dirigeacutee vers lrsquoexteacuterieur du support2 Condition de roulement sans glissement

TTT lt fsNNNougrave TTT est la reacuteaction tangentielle ou force de frottement NNN la reacuteactionnormale et fs le coefficient de frottements statiques3 Srsquoil y a glissement TTT est dans la mecircme direction que la vitesse deglissement et de sens opposeacute Alors

TTT = fdNNNougrave fd est le coefficient de frottement dynamique souvent confonduavec fs

5 Optique

51 Geacuteneacuteraliteacutes

Propagation dans le vide drsquoune onde lumineuse

λ = cT =c

ν

λ longueur drsquoonde du signalc vitesse de la lumiegravere dans levideν freacutequence du signalT peacuteriode du signal

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 106

106 [2] Physique

Propagation dans un milieu transparent isotrope homogegravene

v =c

n

λ = vT =v

ν

v vitesse de la lumiegravere dans le mi-lieun indice du milieuT peacuteriode du signalν freacutequence du signal

Spectre

l (nm)

l (m)

f (Hz)

infrarougemicro ondes

ondes hertziennes

ultraviolet

rayons X

violet indigo bleu vert jaune orange rouge

vis

ible

10ndash9

400

1017

1016

1015

1014

1013

1012

1011

1010

10ndash8

450

10ndash7

480

10ndash6

530

10ndash5

590

10ndash4

620

10ndash3

700

10ndash2

52 Optique geacuteomeacutetrique

Loi de SnellndashDescartes

i2

i1 rn1

n2

n1 sin i1 = n2 sin i2

r = i1

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 107

5 Optique 107

Prisme

sin i1 = n sin r1

sin i2 = n sin r2

r1 + r2 = Ai1

A

D

r1

i2

n

r2

Deacuteviation du prisme

D = i1 + i2 minus A

Dm = 2 arcsin(n sin

A

2

)minus A

D deacuteviationA angle au sommet du prismeDm minimum de deacuteviationi angle drsquoincidence au minimumde deacuteviation

Approximation de GaussPour se placer dans lrsquoapproximation de Gauss il faut des faisceaux peuouverts et des angles drsquoincidence petits

Dioptre spheacuteriquen1pprimeminus n2

p=

n1 minus n2r

p abscisse du point objetpprime abscisse du point imageR = SC rayon algeacutebrique dudioptre

CS

n1 n2

I

r

Miroirs spheacuteriques

C S

I

r

CS

I

r

Miroir concave (R = SC lt 0) Miroir convexe (R = SC gt 0)

c copyDuno

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toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 108

108 [2] Physique

Relation de conjugaison des miroirs spheacuteriques

1pprime

+1p

=2R

R rayon algeacutebrique du miroir(R lt 0 pour un miroir concave etR gt 0 pour un miroir divergent)pprime distance algeacutebrique de S aupoint imagep distance algeacutebrique de S aupoint objet

Miroir plan

pprime = minusp

pprime distance algeacutebrique de S aupoint imagep distance algeacutebrique de S aupoint objet

Lentilles minces

B

Brsquo

ArsquoA O FFrsquo

B

Brsquo

Arsquo

A OF

Frsquo

Lentille divergente Lentille convergente

Relation de conjugaison des lentilles minces

1pprimeminus 1

p=

1f prime

f prime distance focale de la lentille( f prime lt 0 pour une lentille diver-gente et f prime gt 0 pour une lentilleconvergente)pprime distance algeacutebrique du foyerau point imagep distance algeacutebrique du foyer aupoint objet

Relation de Descartes ndash Relation de Newton

f prime

pprime+

f

p= 1 f f prime = (pprime minus f prime)(pminus f )

(relation de Descartes) (relation de Newton)

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 109

5 Optique 109

Grandissement

γ =pprime

p

γ grandissementpprime distance algeacutebrique de O aupoint imagep distance algeacutebrique de O aupoint objet

53 Interfeacuterences lumineuses

Obtention drsquointerfeacuterencesOn ne peut obtenir drsquointerfeacuterences qursquoavec des rayons lumineux is-sus de deux sources coheacuterentes secondaires obtenues avec une seulesource par division ou du front drsquoonde ou de lrsquoamplitude

Chemin optique dans un milieu homogegravene isotrope

[SM] = c middot τSM

[SM] chemin optique de S agrave Mc vitesse de la lumiegravere dans levideτSM temps mis par le signal pourparcourir la distance SM

Diffeacuterence de marche

δ = [SP1M]minus [SP2M]δ diffeacuterence de marche[SPjM] chemin optique du rayonpassant par Pj

Vibration lumineuse

s(M) = s0 cos(ωtminusϕS minus 2π

λ [SM])

s(M) vibration lumineuse en MS0 amplitude de la vibrationω pulsation de la vibration lumi-neuseϕS phase de la vibration agrave lasourceλ longueur drsquoonde[SM] chemin optique de S agrave M

c copyDuno

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 110

110 [2] Physique

Vibration complexe

s(M) = S0ei(ωtminusϕs)eminus

2iπλ

[SM]

s(M) vibration lumineuse com-plexe en MS0 amplitude de la vibrationω pulsation de la vibration lumi-neuseϕS phase de la vibration agrave lasourceλ longueur drsquoonde[SM] chemin optique de S agrave M

Plan drsquoondeOn appelle plan drsquoonde un plan ougrave tous les points sont dans le mecircmeeacutetat vibratoire

Theacuteoregraveme de MalusLes rayons lumineux sont perpendiculaires en tout point aux surfacesdrsquoondes

Eacuteclairement

E(M) = αs2(M)

E(M) =12αs(M)slowast(M)

E(M) eacuteclairement au point Mα = cε0 une constante positive(E est en fait le vecteur de Poytingvoir cours drsquoeacutelectromagneacutetisme)s(M) vibration lumineuse en Ms(M) vibration lumineuse com-plexe en M

Interfeacuterences

E(M) = 2E0(1 + cos∆ϕ(M))

E(M) eacuteclairementE0 eacuteclairement de la source∆ϕ(M) deacutephasage en MLrsquoeacutecran est brillant si ∆ϕ = 2kπk isin ZLrsquoeacutecran est noir si ∆ϕ = (2k + 1)

π

2 k isin Z

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 111

5 Optique 111

Ordre drsquointerfeacuterence

p =∆ϕ

2π=

δ

λ

p ordre drsquointerfeacuterence∆ϕ deacutephasage en Mδ diffeacuterence de marcheλ longueur drsquoondeLrsquoeacutecran est brillant si p isin Z

Lrsquoeacutecran est sombre si p isin Z +12

Contraste

C =Emax minus Emin

Emax + Emin

C contrasteEmax eacuteclairement maximumEmin eacuteclairement minimum

Trous drsquoYoung

M x( )

x

a

D

S

δ(x) =ax

D(diffeacuterence de marche)

E(x) = 2E0

(1 + cos

2πλ

ax

D

)

i =λD

a(interfrange)

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 112

112 [2] Physique

54 Interfeacuteromegravetre de Michelson

Scheacutema

miroir M2

miroir M1seacuteparatrice SP

source S

Scheacutemas eacutequivalents avec une source ponctuelleCoin drsquoair Lame drsquoair

M2

M1

M1rsquo

SP

M x y( )

S1

S2

S

y

x

eM2

M1

M1rsquo

SP

S

y

x

M x y( )

a

S1 S2

Source ponctuelle ndash Source eacutetendueDans la suite nous consideacutererons que lrsquointerfeacuteromegravetre est eacuteclaireacute avecune source eacutetendue les interfeacuterences sont localiseacutees agrave lrsquoinfini (ob-servables dans le plan focal image drsquoune lentille convergente) alorsqursquoelles sont deacutelocaliseacutees avec une source ponctuelle

Lame drsquoair

δ = 2e cos iδ diffeacuterence de marchei angle drsquoincidencee laquo eacutepaisseur raquo entre les miroirs

e

i

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 113

5 Optique 113

Figure drsquointerfeacuterence

rn

rn =

radicλ f prime

e

radicn

Par symeacutetrie des anneauxrn rayon du ne anneauλ longueur drsquoondee laquo eacutepaisseur raquo entre les miroirsf prime distance focale de la lentille uti-liseacutee pour lrsquoobservation(valable si le centre de la figuredrsquointerfeacuterence est brillant)

Coin drsquoair

δ = 2αxδ diffeacuterence de marcheα angle entre les deux miroirs(quelques dixiegravemes de degreacutes)x abscisse du point du miroirconsideacutereacute

x

O

a

Figure drsquointerfeacuterence

i

i =λγ

Par symeacutetrie des frangesi interfrangeλ longueur drsquoondeα angle entre les deux miroirsγ grandissement de la lentille uti-liseacutee pour lrsquoobservation

c copyDuno

dL

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 114

114 [2] Physique

Source eacutemettant un doublet

E(e) = 4E0

(1 +V(e) cos

(4πeλ0

))

V(e) = cos

(2π

δλ

λ20e

)

On observe des battements

E

e

Luminance

Entre les freacutequences ν et ν + dν lasource eacutemet

dE = L(ν) dν

L( )n

n

dn

n2n1

Source agrave raie spectrale

E(e) = 4E0

(1 +V(e) cos

(4πeλ0

))

V(e) = sinc

(2π

δλ

λ20e

)

E

e

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 115

5 Optique 115

55 Autres dispositifs drsquointerfeacuterences

Le FabrymdashPeacuterotS

e

i

Le FabryndashPeacuterot permet de reacutealiser des interfeacuterences entre une infiniteacutedrsquoondes il est donc drsquoune tregraves grande preacutecision

Expression de lrsquoeacuteclairement drsquoun FabryndashPeacuterot

E(Φ) =E0

1 + 4r2(1minus r2)2

sin2(

Φ2

)

Φ =4πeλ0

cos i

F =4r2

(1minus r2)2 finesse

E

F2p 4p

Miroirs de Fresnel

miroir M2

miroir M1

sourceS

zonedrsquointerfeacuterence

c copyDuno

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toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 116

116 [2] Physique

Expression de lrsquoeacuteclairement des miroirs de Fresnel

E(x) =E0

2

(1 + cos

(2πδ

λ

))

δ =2dαd + D

α angle entre les miroirsx abscisse drsquoun point de lrsquoeacutecrand distance entre la source et lrsquoar-recircte des miroirsD distance entre lrsquoarrecircte des mi-roirs et lrsquoeacutecranλ longueur drsquoonde

56 Diffraction des ondes lumineuses

Principe drsquoHuygensndashFresnelQuand une onde lumineuse traverse une ouverture (Σ) qui la limite pour deacutecrire lrsquoonde diffracteacutee au delagrave de (Σ) on suppose que chaquesurface eacuteleacutementaire (dΣ) autour du point courant P de (Σ) reacuteemet verslrsquoavant une ondelette spheacuterique ndash de mecircme freacutequence que lrsquoonde incidente ndash en phase en P avec lrsquoonde incidente ndash drsquoamplitude proportionnelle agrave celle de lrsquoonde incidente et agrave (dΣ)Crsquoest la superposition de ces ondelettes qui deacutecrit lrsquoonde diffracteacutee

Conditions de FraunhoferOn observe la diffraction agrave lrsquoinfini (crsquoest-agrave-dire agrave une distance tregravesgrande devant les dimensions de lrsquoobjet diffractant ou mieux au foyerobjet drsquoune lentille convergente)

Montage de la diffraction agrave lrsquoinfini

sourcedans le

plan focalobjet de ( )

S

L0

M

u

u0

lentille( )L0

lentille( )L

objetdiffractant

eacutecran( ) dans le planfocal image de ( )E

L

S

P

O

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 117

5 Optique 117

Formulation pratique du principe drsquoHuygensndashFresnel

s(M t) = kS0ei(ωtminus 2π

λ[SOM])

intint

PisinΣt(P)ei

π

λnOPOPOP(uuuminusuuu0) dΣ

k constante de FraunhoherS0 amplitude de la vibration lumineuset(P) transparence de lrsquoobjet diffractantn indice du milieu (supposeacute homogegravene)λ longueur drsquoonde de la lumiegravere utiliseacutee

Diffraction par une ouverture rectangulaire

S

M XY( )

f

X

Y

ua

b

( )L0 ( )L

S

O

E(XY) = k2S20a2b2 sinc2

(πaX

λ f

)sinc2

(πbY

λ f

)

k constante de Fraunhofera longueur de la fenteb largeur de la fentef distance focale de la lentille utiliseacutee pour lrsquoobservationλ longueur drsquoonde de la lumiegravere utiliseacuteeOn suppose ici que t(P) = 1 en tout point de lrsquoouverture et que cettemecircme ouverture est plongeacutee dans un milieu drsquoindice uniforme 1

tache centrale

1 zeacuteroer

2 zeacuteroe

c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 118

118 [2] Physique

Diffraction par un motif circulaire

La majoriteacute de la lumiegravere est dans un disque de rayon angulaire

θ = 0 61λ

r(tache drsquoAiry) ougrave θ est le rayon angulaire du premier an-

neau sombreCritegravere de seacuteparation de Rayleigh deux taches lumineuses sont seacutepa-reacutees si leur centres sont distincts de plus du rayon de la tache drsquoAiry

Diffraction par un objet opaque

On obtient la mecircme figure agrave lrsquoeacutecran que pour une ouverture de lamecircme forme si ce nrsquoest que le centre est tregraves brillant

6 Eacutelectromagneacutetisme

61 Eacutelectrostatique

Symeacutetries du champ eacutelectriqueLe champ EEE est symeacutetrique par rapport aux plans de symeacutetrie descharges et antisymeacutetrique par rapport aux plans drsquoantisymeacutetrie descharges

Champ et potentiel creacuteeacutes par une charge fixe

q

M

u

r

E(M)

V(M) =q

4πε0r

EEE(M) =q

4πε0r2uuu

EEE = minusgradV

q charge ponctuelle fixeε0 permeacuteabiliteacute du vider distance entre le point M et lachargeEEE(M) champ eacutelectrique en MV(M) potentiel eacutelectrique en M

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 119

6 Eacutelectromagneacutetisme 119

Distribution discregravete ndash Distribution continueDistribution discregravete Distribution continue

EEE(M) = sumi

14πε0

qir2iuuui EEE(M) =

intintint 14πε0

ρ

r2uuu dτ

qi charge ponctuelle situeacutee en riε0 permittiviteacute du vide

ρ densiteacute de chargeε0 permittiviteacute du vide

Eacutequation de Poisson

∆V +ρ

ε0= 0

Eacutequation veacuterifieacutee par le potentieleacutelectrique en reacutegime permanentV potentiel eacutelectriqueρ densiteacute de chargeε0 permittiviteacute du vide

Theacuteoregraveme de Gauss

intcopyint

EEE(M)nnn dS =Qint

ε0

EEE(M) champ eacutelectrique au pointMnnn normale en M agrave la surfaceQint charges inteacuterieures agrave la sur-face fermeacuteeε0 permittiviteacute du vide

Theacuteoregraveme de Gauss pour la gravitation

intcopyint

GGG(M)nnn dS = minus4πGMint

GGG(M) champ de gravitation aupoint Mnnn normale en M agrave la surfaceMint masse inteacuterieure agrave la surfacefermeacuteeG constante universelle de gravi-tation

Champ eacutelectrique creacuteeacutes par un plan infini

EEE(M) = plusmn σ

2ε0uuuz

+ si z gt 0minus si z lt 0

EEE(M) champ eacutelectrique creacuteeacute en Mpar le planσ charge surfaciqueε0 permittiviteacute du videuuuz vecteur normal agrave la surface

c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 120

120 [2] Physique

Condensateur plan

EEE = 0 agrave lrsquoexteacuterieur

EEE =σ

ε0uuuz agrave lrsquointeacuterieur

EEE champ eacutelectriqueσ charge surfaciqueε0 permittiviteacute du videOn deacutefinit la capaciteacute C ducondensateur

C =ε0S

e

S surface des armaturese distance entre les armatures

Dipocircle eacutelectrostatique

ppp = qNPNPNP

V(M) =p cos θ

4πε0r2=

ppp middotOMOMOM

4πε0OM3

EEE = minusgradV

q charge positiveN barycentre des charges neacutega-tivesP barycentre des charges posi-tivesppp moment dipolaireV(M) potentiel eacutelectrique du di-pocircleEEE champ eacutelectrique

q

N O P

u

r

E(M)

lignes de champeacutequipotentielles

Eacutenergie potentielle ndash Moment subi dans un champ exteacuterieur

Ep = minusppp middotEEEext(M)

M = ppp andEEEext(M)

Ep Eacutenergie potentielleM moment reacutesultant des forceseacutelectriquesppp moment dipolaireEEEext champ eacutelectrique auquel estsoumis le dipocircle

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 121

6 Eacutelectromagneacutetisme 121

62 Magneacutetostatique

Symeacutetries du champ magneacutetiqueLe champs BBB est symeacutetrique par rapport aux plans drsquoantisymeacutetrie descourants et symeacutetrique par rapport aux plans drsquoantisymeacutetrie des cou-rants

Loi de Biot et Savart

dBdBdB(M) =micro0dCdCdC(P)

4πr2anduuuPM

dC

M

P

uPM

r

dCdCdC =

I dl pour un circuit filiformeqvvv pour une charge ponctuellejjj dτ pour un courant volumiquejjjS dS pour un courant surfacique

dBdBdB champ magneacutetique creacuteeacute parlrsquoeacuteleacutement de courant dCdCdCdCdCdC eacuteleacutement de courantmicro0 permeacuteabiliteacute du vider distance du point courant aupoint M

q charge ponctuellejjjS vecteur courant surfaciquejjj vecteur courant

Theacuteoregraveme drsquoAmpegravere

∮BBB(M) middotdldldl = micro0 Ienlaceacutee

BBB(M) champ magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du videIenlaceacutee intensiteacute enlaceacutee par lacourbe fermeacutee drsquoAmpegraveredldldl choisi en accord avec lrsquoorienta-tion de lrsquointensiteacute

Champ magneacutetique creacuteeacute par une spire circulaire

BBB(M) =micro0 I

2Rsin3 αeeez

z

P

RM

B(M)

I

a

c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 122

122 [2] Physique

Champ magneacutetique agrave lrsquointeacuterieur un soleacutenoiumlde infini

BBB = micro0nIeeez

BBB = micro0 jSeeez

BBB champ agrave lrsquointeacuterieur du soleacute-noiumlden nombre de spires par uniteacute delongueurI intensiteacute du courantjS courant surfaciqueeeez vecteur directeur sur lrsquoaxe dusoleacutenoiumlde orienteacute par le sens ducourantmicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Moment magneacutetique drsquoune spire

mmm = ISnnn

mmm moment magneacutetique de laspireS surface de la spireI intensiteacute parcourant la spirennn normale agrave la spire dirigeacutee par lesens du courant

Eacutenergie potentielle ndash Moment magneacutetique

Ep = minusmmm middotBBB

M = mmm andBBB

Ep eacutenergie potentielle magneacute-tiquemmm moment de force exerceacute sur laspireBBB champ magneacutetique auquel estsoumis la spiremmm moment magneacutetique de laspire

Force de Laplace

dfdfdf = dCdCdC andBBBdfdfdf force eacuteleacutementairedCdCdC eacuteleacutement de courantBBB champ magneacutetique

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 123

6 Eacutelectromagneacutetisme 123

63 Eacutequations de Maxwell dans le vide

Vecteur courant

jjj = npqvvv = ρvvv

jjjS = σ vvv

jjj vecteur courantjjjS vecteur de courant surfaciquevvv vitesse des porteurs de chargenp densiteacute particulaire de porteursq charge drsquoun porteurρ densiteacute volumique de chargeσ densiteacute surfacique de charge

Eacutequation de conservation de la charge

div j +partρ

partt= 0

jjj vecteur courantρ charge volumique

Eacutequations de Maxwell

div E =ρ

ε0

rot E = minus partBBBpartt

div B = 000

rot B = micro0jjj + micro0ε0partEEEpartt

Ces eacutequations portent les noms res-pectifs de ndash MaxwellndashGaussndash MaxwellndashFaradayndash sans nomndash MaxwellndashAmpegravere

Le terme ε0partEEEpartt

est appeleacute courant

de deacuteplacementEEEBBB champs eacutelectrique et magneacute-tiquejjj vecteur densiteacute de courantρ charge volumiqueε0 micro0 permittiviteacute et permeacuteabiliteacutedu vide

SuperpositionLes eacutequations de Maxwell sont lineacuteaires toute combinaison lineacuteairede solutions est encore une solution

Puissance des forces eacutelectromagneacutetiques

dP = jjjEEE dτ

dP puissance eacuteleacutementaire par uniteacutede volume dτjjj vecteur courantEEE champ eacutelectrique

c copyDuno

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 124

124 [2] Physique

Densiteacute drsquoeacutenergie eacutelectromagneacutetique

Wem =ε0E

2

2+

B2

2micro0

Wem eacutenergie eacutelectromagneacutetiqueE champ eacutelectriqueB champ magneacutetiqueε0 permittiviteacute du videmicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Vecteur de Poynting

ΠΠΠ =EEE andBBB

micro0

ΠΠΠ vecteur de PoyntingEEE champ eacutelectriqueBBB champ magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Theacuteoregraveme de Poynting forme locale

minus partpartt

(ε0E

2

2+

B2

2micro0

)= jjjEEE + div

(EEE andBBB

micro0

)

La perte drsquoeacutenergie eacutelectromagneacutetique est due agrave lrsquoeffet Joule et au rayon-nement du vecteur de Poynting

Potentiel vecteur

BBB = rot A

AAA(M) =micro0

int

circuit

i middotdldldlr

AAA potentiel vecteurBBB champ magneacutetiquei intensiteacute dans le circuit filiformer distance du point M au point cou-rant du circuitmicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Expression geacuteneacuterale du champ eacutelectrique

EEE = minusgradV minus partAAApartt

EEE champ eacutelectriqueV potentiel eacutelectriqueAAA potentiel vecteur

Jauge de Lorentz

div A + micro0ε0partVpartt

= 0

AAA potentiel vecteurV potentiel eacutelectriqueε0 permittiviteacute du videmicro0 permeacuteabiliteacute du videCette jauge permet de fixer le poten-tiel V

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 125

6 Eacutelectromagneacutetisme 125

Relations de passage

E2t = E1t

EEE2n minusEEE1n =σ

ε0nnn1rarr2

BBB2t minusBBB1t = micro0jjjS andnnn1rarr2

B2n = B1n

EEEin composante normale duchamp EEEiBBBit composante tangentielle duchamp BBBiσ charge surfaciquejjjS vecteur densiteacute de courant surfa-ciquennn1rarr2 normale agrave la surfaceε0 permittiviteacute du videmicro0 permeacuteabiliteacute du vide

64 Conduction meacutetallique

Loi drsquoOhm locale

jjj = γEEEjjj vecteur courantEEE champ eacutelectriqueγ conductiviteacute

Loi drsquoOhm globale

int B

AEEE middotdldldl = RAB middot I

EEE champ eacutelectriqueI intensiteacute circulant dans le circuit

R =ℓ

γS reacutesistance drsquoun circuit de

longueur ℓ et de section S

Proprieacuteteacutes locales des champs dans les meacutetaux1 ρ = 0 les charges sont surfaciques

2 f ≪ 1017Hz =rArr∥∥∥∥ε0

partEEEpartt

∥∥∥∥≪ jjjconduction3 En haute freacutequence les courants sont surfaciques (sur une eacutepaisseur

dite eacutepaisseur de peau δ =

radic2

micro0γω)c copy

Duno

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nonau

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 126

126 [2] Physique

65 Induction dans un circuit fixe avec BBB variable

Force eacutelectromotrice

eAB =int B

A

(minus partAAA

parttmiddotdldldl)

eAB forceacute eacutelectromotriceAAA potentiel vecteur

Diffeacuterence de potentiel

V(B)minusV(A) = eAB minus RABi

eAB force eacutelectromotriceV(B) minus V(A) diffeacuterence de po-tentiel entre les points A et BRAB reacutesistance du circuit ABi intensiteacute du courant circulantdans le circuit

Flux de BBB agrave travers le circuit

Φ =intint

circuitBBB middotnnn dS

Φ flux de BBB agrave travers le circuitBBB champ magneacutetiquennn normale nnn au circuit compatibleavec le sens du courant

Loi de Faraday

ecircuit = minus partΦ

partt

Φ le flux de BBB agrave travers le circuitecircuit la force eacutelectromotrice ducircuit

Loi de LenzLes conseacutequences des pheacutenomegravenes drsquoinduction srsquoopposent toujoursaux causes qui leur ont donneacute naissance En terme de flux cela signifieque si le flux du champ magneacutetique varie lrsquoinduction va produire unchamp magneacutetique qui tendra agrave compenser cette variation de flux

Auto inductance drsquoun circuit

Φ = LiΦ flux de BBB agrave travers le circuitL coefficient drsquoauto inductancedu circuiti intensiteacute dans le circuit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 127

6 Eacutelectromagneacutetisme 127

Mutuelle inductance drsquoun circuit

Φ1rarr2 = Mi1

Φ2rarr1 = Mi2

Φirarr j flux du champ BBB induit parle circuit i agrave travers le circuit jik courant dans le circuit kM coefficient de mutuelle induc-tance

Flux total

Φ1 = Li1 + Mi2

Φ1 flux de BBB agrave travers le circuit 1L coefficient drsquoauto inductanceM coefficient de mutuelle induc-tanceik intensiteacute dans le circuit k

Eacutenergie magneacutetique

Wem =Li212

+ Mi1i2

Wem eacutenergie eacutelectromagneacutetiquestockeacutee dans le circuitL coefficient drsquoauto inductanceM coefficient de mutuelle induc-tanceik intensiteacute dans le circuit k

Proprieacuteteacutes du transformateur ideacuteal

1u2(t)

u1(t)=

N2

N1

2 Si le secondaire est en court-circuit alors∣∣∣∣i2i1

∣∣∣∣ =N1

N2

3 Le rapport de puissance du primaire au secondaire est de 100

4 On a Rvue du primaire =

(N1

N2

)2Rchargec copy

Duno

dL

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 128

128 [2] Physique

66 Induction dans un circuit mobile soumis agrave BBB stationnaire

Changement de reacutefeacuterentiel

BBBprime = BBB

EEEprime = EEE︸︷︷︸minusgradV

+vvv andBBB

jjjsol = jjjcond

BBBprime champ magneacutetique dans le reacutefeacute-rentiel du conducteurBBB champ magneacutetique dans le reacutefeacute-rentiel du solEEEprime champ eacutelectrique dans le reacutefeacute-rentiel du conducteurEEE champ eacutelectrique dans le reacutefeacuteren-tiel du solvvv vitesse du conducteur par rap-port au soljjjsol vecteur densiteacute de courant dansle reacutefeacuterentiel lieacute au soljjjcond vecteur densiteacute de courantdans le reacutefeacuterentiel du conducteur

Champ eacutelectromoteur

EEEm = vvv andBBBEEEm champ eacutelectromoteurvvv vitesse du conducteurBBB champ magneacutetique

Force eacutelectromotrice

eAB =int B

A(vvv andBBB) middotdldldl

V(B)minusV(A) = eAB minus RABi

eAB force eacutelectromotrice du circuitRAB reacutesistance du circuiti intensiteacute du circuitvvv vitesse du conducteurBBB champ magneacutetiqueV(M) potentiel au point M

Loi de Faraday

e = minusdΦ

dte force eacutelectromotriceΦ flux de BBB agrave travers le circuit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 129

6 Eacutelectromagneacutetisme 129

67 Mateacuteriaux magneacutetiques

Aimantation

dmmm = MMMdτMMM aimantationmmm moment magneacutetique

Courants drsquoaimantation

jjjaimantation = rot M

jjjS aimantation = MMM andnnn

jjjaimantation vecteur courant drsquoai-mantationjjjS aimantation vecteur courant surfa-cique drsquoaimantationMMM aimantationnnn normale agrave la surface

Excitation magneacutetique

HHH =BBBmicro0minusMMM

BBB = micro0 (HHH +MMM)

HHH excitation magneacutetiqueBBB champ magneacutetiqueMMM aimantationmicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Eacutequation de Maxwell ndash Ampegravere en ARQS

rot H = jjjconductionHHH excitation magneacutetiquejjjconduction vecteur courant deconduction

Aimantation des mateacuteriaux lineacuteaires

MMM = χmHHHMMM aimantationHHH excitation magneacutetiqueχm susceptibiliteacute magneacutetique

Diffeacuterentes cateacutegories de mateacuteriaux magneacutetiques

ndash diamagneacutetiques χm sim minus10minus5 lt 0ndash paramagneacutetiques χm sim 10minus4 gt 0ndash ceux pour lesquels χm ≪ 1 qui ne sont pas lineacuteaires

c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 130

130 [2] Physique

Champ magneacutetique dans les mateacuteriaux lineacuteaires

BBB = micro0microrHHH

micror = 1 + χm

BBB champ magneacutetiqueHHH excitation magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du videmicror permeacuteabiliteacute relativeχm susceptibiliteacute magneacutetique

Diamagneacutetiques

χm = minusnmicro0Ze2

6melt r2 gt

χm susceptibiliteacute magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du viden densiteacute particulaireZ charge du noyaue charge eacuteleacutementaireme masse de lrsquoeacutelectronlt r2 gt distance moyenne de lrsquoeacutelec-tron au noyau

Paramagneacutetiques

χm =nmicro0m

2

3kT

χm susceptibiliteacute magneacutetiquen densiteacute particulairemicro0 permittiviteacute du videm moment magneacutetiquek constante de BoltzmannT tempeacuterature

Aimantation cycle drsquohysteacuteresis

M aimantationH excitation magneacutetiqueMr aimantation reacutemanenteHc champ coercitif

Dispositif de mesure de HHH et de BBB

RRC

e t( ) u2

u1

~

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 131

7 Ondes 131

H(t) =N1

ℓRu1(t)

B(t) =RC

N2Su2(t)

H valeur de lrsquoexcitation magneacute-tiqueB valeur du champ magneacutetiqueN1 nombre de spires du primaireN2 nombre de spires du secondaireℓ longueur du toreS section du tore

7 Ondes

71 Oscillateurs coupleacutes

Couplage par un ressort

K km m

x1 x2

K mx1 = minusk(x1 minus x2)minus Kx1 (1)

mx2 = minusk(x2 minus x1)minus Kx2 (2)

ReacutesolutionDans ces cas simples on combine lineacuteairement les eacutequations (1) et (2)

s = (1) + (2)

d = (1)minus (2)

s + ω2s s = 0

d + ω2dd = 0

Modes propres

ωs =

radicK

mωd =

radic2k + K

m

Le systegraveme drsquooscillateurs coupleacutes vibre uniquement agraveωs si d = 0 crsquoest-agrave-dire si les oscillateurs sont lanceacutes en phaseLe systegraveme drsquooscillateurs coupleacutes vibre uniquement agraveωd si s = 0 crsquoest-agrave-dire si les oscillateurs sont lanceacutes en opposition de phase

c copyDuno

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nonau

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 132

132 [2] Physique

BattementsSi le couplage est fort et que lrsquoon eacutecarte un seul oscillateur de lrsquoeacutequi-libre on observe un pheacutenomegravene de battements

x

t

ReacutesonanceSi on force lrsquooscillateur agrave osciller on observera aux pulsations ωs et ωddes reacutesonances

x

wws wd

72 Eacutequation de drsquoAlembert - Ondes stationnaires

Eacutequation de drsquoAlembert

∆F =1c2

part2Fpartt2

F(rrr t) une grandeur physique quiveacuterifie lrsquoeacutequation de drsquoAlembertc vitesse de propagation de lrsquoonde∆ laplacien

Solutions de lrsquoeacutequation de drsquoAlembert agrave une dimension

F(x t) = f(tminus x

c

)+ g

(t +

x

c

) f partie onde progressive de la so-lutiong partie onde reacutegressive de la solu-tion

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 133

7 Ondes 133

Onde stationnaire

F(rrr t) = f (r)g(t)Dans le cas drsquoune onde stationnaireil y a deacutecouplage entre le temps et lerepeacuterage spatial

Onde plane progressive harmonique (OPPH)

F = F0 cos (ωtminus kkk middotOMOMOM)

F = F0ei(ωtminuskkkmiddotOMOMOM)

kkk =ω

cuuu

Ces notations sont intrinsegraveques agravelrsquoOPPHF la grandeur physique qui deacutecritlrsquoondekkk vecteur drsquoonde donnant la direc-tion de propagationOMOMOM vecteur positionuuu vecteur unitaire selon la direc-tion de propagationω pulsation de lrsquoondec vitesse de propagation de lrsquoonde

Onde plane progressive harmonique notation complexe

partmiddotpartt

= iωmiddot

nablamiddot = minusikmiddot

Lorsqursquoon utilise la notationcomplexe les opeacuterateurs usuelsprennent des formes tregraves simples

Onde sur une file drsquoatomes ndash Onde sur une corde

part2ξn

partx2=

1c2

part2ξn

partt2

c =

radicka2

m

part2ypartx2

=1c2

part2ypartt2

c =

radicT0ρl

ξn le deacuteplacement du ne atomek constante de raideur des res-sortsa distance au repos entre deuxatomesm masse drsquoun atome

y ordonneacutee du pointT0 tension au repos de la cordeρl masse lineacuteique de la cordec copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 134

134 [2] Physique

73 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans le vide

Eacutequations de propagation des champs

∆EEE =1c2

part2EEEpartt2

∆BBB =1c2

part2BBBpartt2

c =1radic

ε0micro0

EEE champ eacutelectriqueBBB champ magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du videε0 permittiviteacute du vide

Vecteur drsquoonde drsquoune OPPH

kkk = kuuu

k =ω

c=

2πλ

kkk vecteur drsquoondeuuu vecteur unitaire directeurω pulsation de lrsquoondeλ longueur drsquoonde de lrsquoondec vitesse de propagation delrsquoonde

Champs transverses

div E = 0 = minusikkkEEE

div B = 0 = minusikkkBBB

kkk vecteur drsquoondeEEE champ eacutelectriqueBBB champ magneacutetiqueEEE et BBB sont orthogonaux agrave la di-rection de propagation

Relation de dispersion ndash Relation de structure

k =ω

cBBB =

kkkωandEEE

Repreacutesentation du champ eacutelectromagneacutetique dans le vide

z

E

B

x

y

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 135

7 Ondes 135

Polarisation

ndash elliptique

EEE(z = 0 t) =

(E0x cosωtE0y cos(ωt + ϕ)

)x

y

EOy

Eox

Egauch

e

droi te

ndash circulaire

EEE(z = 0 t) =

(E0 cosωtE0 sinωt

)

ndash rectiligne

EEE(z = 0 t) =

(E0x cosωtE0y cosωt

)x

EOy

Eox

E

y

Lames agrave retard

Une lame 14 drsquoonde deacutephase deπ2ndash une onde polariseacutee rectilignementressort de ce type de lame polariseacuteeelliptiquementndash une onde polariseacutee elliptiquementressort de ce type de lame polariseacuteerectilignement

Une lame 12 drsquoonde deacutephase deπndash une onde polariseacutee ellipti-quement droite ressort elliptiquegauche de ce type de lamendash une onde polariseacutee rectiligne-ment ressort symeacutetrique par rap-port agrave son axe lent de ce type delamec copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 136

136 [2] Physique

Vecteur de Poynting

ΠΠΠ = EEE and BBBmicro0

=E2

micro0cuuu =

εB2

cuuu

ΠΠΠ = EEE and BBBlowast

micro0

ΠΠΠ vecteur de PoyntingEEE champ eacutelectriqueBBB champ magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Rayonnement dipolaire

M

uq

ur

p

uj

q

jx

z

y

r

O

BBB =micro0 sin θ

4πrcp(tminus r

c

)uuuϕ

EEE =micro0 sin θ

4πrp(tminus r

c

)uuuθ

BBB champ magneacutetiqueEEE champ eacutelectriquep moment dipolairemicro0 permeacuteabiliteacute du videc vitesse de la lumiegravere dans levide

Puissance rayonneacutee en reacutegime sinusoiumldal

ltPgt=micro0p

20ω

4

12πc

p = p0 cos(ω0t + ϕ)

lt P gt puissance moyennerayonneacuteep moment dipolairec vitesse de la lumiegravere dans levidemicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 137

7 Ondes 137

74 Dispersion ndash Absorption

Relation de dispersion

k(ω) = kprime(ω) + ikprimeprime(ω)

k(ω) vecteur drsquoondekprime(ω) partie reacuteelle du vecteurdrsquoondekprimeprime(ω) partie imaginaire du vecteurdrsquoondeω pulsation de lrsquoonde

Vitesse de phase ndash Vitesse de groupe

vϕ =ω

kprime

vg =partω

partkprime

vϕ vitesse de phasevg vitesse de groupeω pulsation de lrsquoondekprime partie reacuteelle du vecteur drsquoondevϕ est la vitesse de propagation delrsquoamplitude et vg est en geacuteneacuteral lavitesse de propagation de lrsquoeacutener-gie

Absorption

δ =1|kprimeprime|

δ profondeur caracteacuteristique delrsquoabsorptionkprimeprime partie imaginaire du vecteurdrsquoonde

Repreacutesentation du champ eacutelectromagneacutetique dans les meacutetaux

z

E

B

x

y

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 138

138 [2] Physique

75 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans les milieux mateacuteriels

Polarisation

PPP =dpppdτ

ρp = minusdiv P

jjjp =partPPPpartt

ppp moment dipolairePPP polarisationρp charges dues agrave la polarisationjjjp vecteur courant de polarisation

Aimantation

MMM =dmmmdτ

jjja = rot M

mmm moment magneacutetiqueMMM aimantationjjja vecteur courant drsquoaimantation

Vecteurs HHH et DDD

HHH =BBBmicro0minusMMM

DDD = ε0EEE +PPP

HHH vecteur excitation magneacutetiqueBBB champ magneacutetiqueDDD vecteur DEEE champ eacutelectriqueMMM aimantationPPP polarisationmicro0 permeacuteabiliteacute du videε0 permittiviteacute du vide

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 139

7 Ondes 139

Milieux lineacuteaires

PPP = χeEEE

DDD = εrε0EEE

εr = 1 + χe

MMM = χmHHH

BBB = micrormicro0HHH

micror = 1 + χm

HHH vecteur excitation magneacutetiqueBBB champ magneacutetiqueDDD vecteur DMMM aimantationPPP polarisationEEE champ eacutelectriquemicro0 permeacuteabiliteacute du videmicror permeacuteabiliteacute relativeε0 permittiviteacute du videεr permittiviteacute relativeχe susceptibiliteacute eacutelectrique du mi-lieuχm susceptibiliteacute magneacutetique dumilieu

Eacutequations de Maxwell dans les milieux

div D = ρlibre

rot E = minus partBBBpartt

div B = 0

rot H = jjj +partDDDpartt

DDD vecteur DEEE champ eacutelectriqueBBB champ magneacutetiquejjj vecteur courant vraiρlibre densiteacute de charges libres

Relation de dispersion ndash Indice

k2 = εrω2

c2

n =radic

εr

vϕ =c

n

k vecteur drsquoondeεr permittiviteacute relativeω pulsation de lrsquoondec vitesse de la lumiegravere dans le viden indice du milieu(En utilisant ici comme dans les cascourants lrsquoapproximation micror sim 1)c copy

Duno

dL

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toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 140

140 [2] Physique

Reacuteflexion ndash Transmission

r =n1 minus n2n1 + n2

t =2n1

n1 + n2

R = r2 =

(n1 minus n2n1 + n2

)2

T = t2 =

(2n1

n1 + n2

)2

R + T = 1

r coefficient de reacuteflexion en ampli-tudet coefficient de transmission en am-plitudeR coefficient de reacuteflexion eacutenergeacute-tiqueT coefficient de transmission eacutener-geacutetiquen1 indice du milieu de lrsquoonde inci-denten2 indice du milieu de lrsquoondetransmiseR + T = 1 traduit la conservationeacutenergeacutetique

Un changement de milieu donne naissance agrave ndash une onde progressive (onde transmise)ndash une onde reacutegressive (onde reacutefleacutechie)

Relation de continuiteacute sur la seacuteparation de deux dieacutelectriques

B2B2B2 = B1B1B1

EEE2 t = EEE1 t

εr 2EEE2 n = εr 1EEE1 n

(loi de SnellndashDescartes)

On indice par 1 les grandeurs dumilieu de lrsquoonde incidente et par 2les grandeurs du milieu de lrsquoondetransmiseLe champ magneacutetique comme lacomposante tangentielle du champeacutelectrique est continue agrave la surfacedrsquoun dieacutelectriqueLe comportement de la composantenormale du champ eacutelectrique estdeacutecrite par la loi de SnellndashDescartes

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 141

Chapitre 3Chimie

1 Atomistique

11 Spectroscopie

Spectroscopie

Lors drsquoune transition eacutelectroniqueune particule eacutemet un rayonne-ment deacutecrit par

∆E = hν

Relation de De Broglie

λ =hmv

h constante de Planckν freacutequence du rayonnementeacutemis par la particuleλ longueur drsquoonde du rayonne-ment eacutemis par la particulem masse de la particulev vitesse de la particule

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 142

142 [3] Chimie

La relation de Ritz eacutetablit que

ν = RH middot c(

1n2minus 1

m2

)(nm) isin N2

ν freacutequence de rayonnementRH constante de Rydbergn nombre quantique principal duniveau eacutenergeacutetique final de la par-ticulem nombre quantique principaldu niveau eacutenergeacutetique initial de laparticulec vitesse de propagation de la lu-miegravere dans le videndash n = 1 correspond agrave la seacuterie deLyman (ultraviolet) ndash n = 2 corres-pond agrave la seacuterie de Balmer (visible)ndash n = 3 correspond agrave la seacuterie dePaschen (infrarouge)

E (eV)

0

-136

-339

Lyman

Balmer

Paschen-151

-085

n = yenn = 4

n = 3

n = 2

n = 1

12 Modegravele ondulatoire

Principe drsquoincertitude de Heisenberg

∆x middot∆px gth

∆x incertitude sur la position∆px incertitude sur la quantiteacute demouvement selon lrsquoaxe des xm masse de lrsquoatome

En meacutecanique quantique on ne peut pas connaicirctre preacuteciseacutement agrave lafois la position et la vitesse

Eacutequation de Schroumldinger en reacutegime stationnaire

H Ψ = E Ψ

intintint

espaceΨ2 dτ = 1

Ψ(rrr) fonction drsquoonderrr vecteur positionE eacutenergie totale de lrsquoeacutelectronH opeacuterateur hamiltonien appli-queacute agrave Ψ

|Ψ2| dτ repreacutesente la probabiliteacutede preacutesence de lrsquoeacutelectron dansun volume dτ autour drsquoun pointM(rrr)

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 143

1 Atomistique 143

Eacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegravene

En =minus13 6n2

Lrsquoeacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegraveneest quantifieacutee (n nombre quan-tique principal)

En = minus13 6Z2

n2

Deacutecrit lrsquoeacutenergie de lrsquoatome hydro-geacutenoiumlde (qui ne comporte qursquounseul eacutelectron)

Nombres quantiques

Principal n isin Nlowast

Deacutecrit le niveau eacutenergeacutetique delrsquoatome

En = minus13 6Z2

n2

Secondaire 0 6 l 6 nminus 1l isin N

Quantifie le module du momentcineacutetique LLL de lrsquoatome

|σσσ| =radic

l(l + 1)h

(h = h2π hconstante de Planck)

Magneacutetique minusl 6 m 6 lm isin Z

Quantifie la projection dumomentcineacutetique LOz = mh

Spin ms = plusmn 12

13 Atome polyeacutelectronique

Charge nucleacuteaire effective

Zlowasti = Zminus σi

Zlowasti charge nucleacuteaire effectiveZ numeacutero atomiqueσ constante drsquoeacutecran de Slaterc copy

Duno

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ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 144

144 [3] Chimie

Position de lrsquoeacutelectronσi

s et pσid

mecircme couche 0 035couche gt n 0 0couche nminus 1 085 1couches lt nminus 1 1 1

Eacutenergie

Ei = minus13 6Zlowast2i

n2

Zlowasti charge nucleacuteaire effectiveEi eacutenergie de lrsquoeacutelectronn nombre quantique principal

E = sumi

Ei Eacutenergie totale de la moleacutecule

Diagramme eacutenergeacutetique

E

K

L

M

N

1s2s

2p

3s

3p

3d4s

4p

niveauxeacutenergeacutetiques

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 145

1 Atomistique 145

Regravegles de remplissage des niveaux eacutelectroniques

Principe de stabiliteacute on remplitles orbitales atomiques par ordredrsquoeacutenergie croissante (regravegle de Kle-chkowsky)Principe de Pauli sur une mecircmeorbitale atomique les deux eacutelec-trons sont de spin opposeacutesPrincipe de Hund lorsque plu-sieurs orbitales atomiques sontde mecircme niveau eacutenergeacutetique leseacutelectrons occupent le maximumdrsquoorbitales atomiques

Regravegle de Klechkowsky

1 s2 s p3 s p d4 s p d f

Eacutenergie drsquoionisation

Crsquoest lrsquoeacutenergie de la reacuteaction drsquoar-rachement drsquoun eacutelectron drsquounemoleacutecule sous forme gazeuse

X(g) = X+(g) + eminus

Affiniteacute eacutelectronique

Crsquoest lrsquoeacutenergie libeacutereacutee par la reacuteac-tion de capture drsquoun eacutelectron parune moleacutecule sous forme gazeuse

X(g) + eminus = Xminus(g)

14 Architecture moleacuteculaire

Regravegle de lrsquooctetLes eacuteleacutements de la deuxiegraveme peacuteriode du tableau peacuteriodique peuventsrsquoentourer au maximum de huit eacutelectrons

Charge formelle

n = ni minus nen charge formelle de lrsquoatomeni nombre drsquoeacutelectrons de valence dans lrsquoatome isoleacutene nombre drsquoeacutelectrons de valence dans lrsquoatome lieacute

MeacutesomeacuterieCrsquoest lrsquoensemble des formules meacutesomegraveres qui modeacutelise la reacutealiteacute

O S O O S O O S O+ +ndashndash

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 146

146 [3] Chimie

Niveau de repreacutesentativiteacute des formules meacutesomegraveresLes formules meacutesomegraveres qui veacuterifient la regravegle de lrsquooctet qui sontneutres ou dont la charge neacutegative est porteacutee par lrsquoatome le plus eacutelec-troneacutegatif sont plus repreacutesentatives que les autres

VSEPR

On compte les doublets drsquoun atome A AXpEq ougrave p nombre drsquoatomes directement lieacutes agrave A (X)q nombre de doublets libres porteacutes par A (E)Ces n = p + q doublets tendent agrave srsquoeacuteloigner au maximum les uns desautres (Theacuteorie de Gillepsie)

n = 2 moleacutecule lineacuteaire n = 3 moleacutecule trigonale

n = 4 moleacutecule teacutetraeacutedrique n = 5 moleacutecule bipyramidale agravebase triangulaire

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 147

1 Atomistique 147

n = 6 moleacutecule octaeacutedrique

15 Orbitales moleacuteculaires

Combinaison lineacuteaire des orbitales atomiques

La combinaison lineacuteaire de deuxorbitales atomiques de mecircmeeacutenergie donne naissance agrave deuxorbitales moleacuteculaires lrsquouneliante et lrsquoautre antiliante

Indice de liaison

i =nminus nlowast

2

n nombre drsquoeacutelectrons de lrsquoorbitalemoleacuteculaire liantenlowast nombre drsquoeacutelectrons de lrsquoorbi-tale moleacuteculaire antiliante

Diagramme des orbitales moleacuteculaires

Diagrammemoleacuteculaire des moleacute-cules A2 de la deuxiegraveme ligne dutableau peacuteriodique agrave partir de O2inclus Pour les autres moleacuteculesπx et πy sont plus stables que σp

2p

OM antiliante

OA2 OA1

OM liante

pz

pz

px

px

py

py

c copyDuno

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 148

148 [3] Chimie

2 Cineacutetique

Avancement de la reacuteaction

dξ =dniνi

ξ avancement de la reacuteactionνi nombre stœchiomeacutetrique algeacute-brique (νi gt 0 pour un produit etνi lt 0 pour un reacuteactif)ni quantiteacute de matiegravere eacutechangeacutee

Quantiteacute de matiegravere en cours de reacuteaction

ni = ni0 + νiξ

ni quantiteacute de matiegravere agrave la date tni0 quantiteacute de matiegravere initialeνi nombre stœchimeacutetrique algeacute-briqueξ avancement

Vitesse de reacuteaction

r =1νi

dcidt

=1V

dt

r vitesse de la reacuteactionνi nombre stœchiomeacutetrique algeacute-briqueci concentrationξ avancementV volume du reacuteacteur

Ordre drsquoune reacuteaction

ν1A1 + ν2A2 rarr νprime1Aprime1 + νprime2A

prime2

v = k[A1]p1 [A2]

p2

k constante de vitesse de la reacuteac-tion[Ai] concentration de lrsquoespegravece Aipi ordre partiel en Ai

sumi

pi = p ordre global de la reacuteac-

tion

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 149

2 Cineacutetique 149

Deacutegeacuteneacuterescence de lrsquoordre

Si [A2]0 ≫ [A1]0 alors v =kprime[A1]

p1

kprime = k[A2]p20 constante de vitesse

apparente de la reacuteactionp1 ordre apparent de la reacuteaction

Loi de Vanrsquot HoffLorsque la reacuteaction est un processus eacuteleacutementaire les ordres partiels seconfondent avec les coefficients stœchiomeacutetriques et lrsquoordre total agrave lamoleacuteculariteacute

Loi drsquoArrheacutenius

dln k

dT=

Ea

RT2

k constante de vitesseEa eacutenergie drsquoactivationR constante des gaz parfaitsT tempeacuterature

Loi de vitesse drsquoune reacuteaction drsquoordre 1

c = c0eminuskt c concentration de lrsquoespegravece

c0 concentration initialek constante de vitesse

t12 =ln 2αk

Le temps de demi-reacuteaction estindeacutependant de c0 (α eacutetant lenombre stœchiomeacutetrique du reacuteac-tif limitant)

AEQS theacuteoregraveme de Bodenstein

d[A]

dt= 0

Conditions drsquoapplication de lrsquoAp-proximation des Eacutetats Quasi Sta-tionnaires ndash [A] tregraves faiblendash A espegravece tregraves reacuteactive (intermeacute-diaire reacuteactionnel)

Longueur de chaicircne

l =vitesse de disparition reacuteactif

vitesse drsquoinitiation

c copyDuno

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nonau

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ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 150

150 [3] Chimie

3 Cristallographie

31 Geacuteneacuteraliteacutes

Deacutefinitions

Reacuteseau disposition spatiale desnoeuds

Motif description des entiteacutes quioccupent ces noeuds

Compaciteacute Rapport entre le vo-lume de lamaille et le volume reacuteel-lement occupeacute par les entiteacutes de lamaille

Coordinence nombre drsquoentiteacutes encontact avec une autre entiteacute

Une maille est entiegraverement deacutecritepar son reacuteseau et son motif

32 Mailles et sites dans les cristaux meacutetalliques

Maille hexagonale compacte

Coordinence 12Compaciteacute 0 742 atomes par maille

Maille cubique agrave faces centreacutees

Coordinence 12Compaciteacute 0 744 atomes par maille

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 151

3 Cristallographie 151

Maille cubique centreacutee

Coordinence 8Compaciteacute 0 682 atomes par maille

Sites octaeacutedriques

Dimension rO = (radic2minus 1)r

ndash Au centre et au milieu de chaquearrecircte du la maille cubique face cen-treacutee (4 sites par maille)

ndash Agravec

4et

3c4

dans la maille hexago-

nale compacte (2 sites par maille)

Sites teacutetraeacutedriques

Dimension rT = (

radic32minus 1)r

ndash Au centre de huit petits cubes

drsquoarrecirctea

2dans la maille cubique

face centreacutee (8 sites par maille)

ndash Agravec

8et

7c8

sur chaque cocircteacute vertical

dans lrsquohexagonale compacte (4 sitespar maille)

c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 152

152 [3] Chimie

33 Cristaux ioniques

Chlorure de ceacutesium (CsCl)

Les ions Clminus forment un reacuteseau cu-bique (1 atome par maille)Les ions Cs+ sont aux centres de cescubes (1 atome par maille)Coordination [8-8]Structure adopteacutee si radic

3minus 1 6r+rminus

lt 1

Cl-

Cs+

Chlorure de sodium (NaCl)

Les ions Clminus forment un reacuteseau cu-bique faces centreacutees (4 atomes parmaille)Les ions Na+ occupent les sites oc-taeacutedriques de ce reacuteseau (4 atomespar maille)Coordination [6-6]Structure adopteacutee si radic

2minus 1 6r+rminus

ltradic3minus 1

Cl-

Na+

Blende (ZnS)

Les ions Zn2+ forment un reacuteseaucubique faces centreacutees (4 atomes parmaille)Les ions S2minus occupent un site teacutetra-eacutedrique sur deux dans le reacuteseau preacute-ceacutedent (4 atomes par maille)Coordination [4-4]Structure adopteacutee si

0 6r+rminus

ltradic2minus 1

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 153

4 Thermodynamique 153

4 Thermodynamique

La thermodynamique a deacutejagrave eacuteteacute abordeacutee au cours du chapitre de physiqueIl est conseilleacute de se reporter agrave cette section les notions preacutealablement trai-teacutees nrsquoeacutetant pas agrave nouveau abordeacutees ici

41 Fonctions drsquoeacutetat

Deacutefinition

Xi =

(partXpartni

)

Tpn j 6=ni

X fonction drsquoeacutetat extensiveXi grandeur molaire partielle re-lative au composeacute Aini quantiteacute de matiegravere du consti-tuant Ai

Relation de GibbsndashDuhem

sumi

ni dXi Tp = 0

ni quantiteacute de matiegravere du consti-tuant AidXi Tp grandeur standard de reacute-action concernant le constituant Aiagrave T et p constantes

Grandeurs de reacuteaction associeacutees aux fonctions drsquoeacutetat

∆rX = sumi

νiXi =

(partXpartξ

)

Tp

∆rX grandeur de reacuteactionνi nombre stœchiomeacutetrique rela-tif au composeacute AiXi grandeur molaire partielle re-lative au corps Ai

Relation de GibbsndashHelmoltz

partpartT

(∆rG

T

)= minus∆rH

T2

∆rG enthalpie libre de reacuteaction∆rH enthalpie de reacuteactionT tempeacuterature

c copyDuno

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Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 154

154 [3] Chimie

42 Potentiel chimique

Deacutefinition

microi =

(partGpartni

)

Tpn j 6=ni

microi =

(partUpartni

)

VSn j 6=ni

microi =

(partHpartni

)

pSn j 6=ni

microi =

(partFpartni

)

VTn j 6=ni

microi potentiel chimique du com-poseacute AiUH FG eacutenergie interne enthal-pie eacutenergie libre enthalpie libreT pV tempeacuterature pression vo-lumeni quantiteacute de matiegravere du com-poseacute Ai

Condition drsquoeacutequilibre physique

microϕ1 = microϕ2

Le potentiel chimique du corps purdans les deux phases est le mecircmemicroϕi potentiel chimique du corpspur dans la phase i

Eacutevolution vers un eacutetat drsquoeacutequilibre

Srsquoil nrsquoest pas agrave lrsquoeacutequilibre le corps pur passe irreacuteversiblement de laphase de plus haut potentiel chimique vers la phase de plus bas po-tentiel chimique et ce jusqursquoagrave lrsquoobtention de lrsquoeacutegaliteacute preacuteceacutedente

Potentiel drsquoun gaz

microi(g) = micro0i(g) + RT ln

pip0

microi(g) potentiel chimique du gazAi

micro0i(g)

potentiel chimique standard

du gaz Ai (agrave la pression p0)R constante des gaz parfaitsT tempeacuteraturepi pression partielle du gaz Ai

p0 pression standard (1 bar = 105Pa)

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 155

4 Thermodynamique 155

Potentiel drsquoun soluteacute

microi(s) = micro0i(s) + RT ln

cic0

R constante des gaz parfaitsT tempeacuteratureci concentration du composeacute Ai

c0 concentration standard(1 mol middot Lminus1)

43 Grandeurs standards de reacuteaction

Enthalpie standard de reacuteaction

∆rH0 = sum

i

νiH0i

∆rH0 enthalpie standard de reacuteac-

tionνi nombre stœchiomeacutetrique ducomposeacute Ai

H0i enthalpie standard molaire de

Ai pris dans son eacutetat standard

Entropie standard de reacuteaction

∆rS0 = sum

i

νiS0i

∆rS0 entropie standard de reacuteac-

tionνi nombre stœchiomeacutetrique ducomposeacute Ai

S0i entropie standard molaire deAi pris dans son eacutetat standard

Enthalpie libre standard de reacuteaction

∆rG0 = sum

i

νiG0i

∆rG0 enthalpie libre standard de

reacuteactionνi nombre stœchiomeacutetrique ducomposeacute Ai

G0i enthalpie libre standard mo-

laire de Ai pris dans son eacutetat stan-dard

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 156

156 [3] Chimie

Relation entre grandeurs de reacuteaction

∆rG0 = ∆rH

0 minus T∆rS0

∆rS0 entropie standard de reacuteac-

tion∆rH

0 enthalpie standard de reacuteac-tion∆rG

0 enthalpie libre standard dereacuteactionT tempeacuterature

Premiegravere loi de Kirchhoff

d∆rH0

dT= ∆rC

0p = sum

i

νiC0pi

∆rH0 enthalpie standard de reacuteac-

tionC0pi capaciteacute thermique mo-

laire du constituant Ai agrave pressionconstanteνi nombre stœchimeacutetrique ducomposeacute AiT tempeacuterature

Deuxiegraveme loi de Kirchhoff

d∆rS0

dT=

∆rC0p

T= sum

i

νiC0pi

T

∆rS0 entropie standard de reacuteac-

tionC0pi capaciteacute thermique mo-

laire du constituant Ai agrave pressionconstanteνi nombre stœchimeacutetrique ducomposeacute AiT tempeacuterature

Relations de GibbsndashHelmoltz

∆rS0 = minusd∆rG

0

dT

∆rH0 = minusT2 d

dT

(∆rG

0

T

)

∆rS0 entropie standard de reacuteac-

tion∆rH

0 enthalpie standard de reacuteac-tion∆rG

0 enthalpie libre standard dereacuteactionT tempeacuterature

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 157

4 Thermodynamique 157

Relation de Hess

∆rH0 = sum

i

νi∆ fH0i

∆rG0 = sum

i

νi∆ fG0i

∆rH0 enthalpie standard de reacuteac-

tion∆rG

0 enthalpie libre standard dereacuteaction∆fH

0 enthalpie standard de for-mation du composeacute Ai (nulle pourles corps purs)∆fG

0 enthalpie libre standard deformation du composeacute Ai

Cycle de BornndashHaberCrsquoest un cycle thermodynamique qui permet de calculer avec la loide Hess lrsquoenthalpie de standard de reacuteaction en deacutecomposant les reacuteac-tifs en atomes et en recomposant ces mecircmes atomes pour former lesproduits

44 Eacutequilibres chimiques

Deacutefinition de lrsquoaffiniteacute chimique

A = minussumi

νimicroi = minus∆rG

A affiniteacute chimique∆rG

0 enthalpie libre standard dereacuteactionνi nombre stœchiomeacutetrique ducomposeacute Aimicroi potentiel chimique du com-poseacute Ai

Expression de lrsquoaffiniteacute

A = A0 minus RT ln

(

prodi

aνi

i

)

A affiniteacute chimiqueA0 affiniteacute chimique standardai activiteacute du composeacute Aiνi nombre stœchimeacutetrique ducomposeacute AiR constante des gaz parfaitsT tempeacuterature

c copyDuno

dL

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 158

158 [3] Chimie

Condition drsquoeacutequilibre

A = 0

Dans ce cas

A0 = RT lnK0 = RT ln

(

prodi

aνi

i

)

K0 est la constante drsquoeacutequilibre dela reacuteaction

Sens drsquoeacutevolution

A middot dξ gt 0

Si A gt 0 dξ gt 0 il y a eacutevolution

dans le sens 1minusrarrSi A lt 0 dξ lt 0 il y a eacutevolution

dans le sens 2larrminusConstante drsquoeacutequilibre

K0(T) = prodi

aνi

i eacutequilibre

K0(T) constante drsquoeacutequilibre de lareacuteaction qui ne deacutepend que de latempeacuteratureai eacutequilibre coefficient drsquoactiviteacute ducomposeacute Ai agrave lrsquoeacutequilibreνi nombre stœchiomeacutetrique ducomposeacute Ai

Tempeacuterature drsquoinversion

∆rG0(Ti) = 0

K0(Ti) = 1

Agrave cette tempeacuterature la reacuteaction

preacutepondeacuterante passe du sens 1minusrarrau sens 2larrminus

Effet de la tempeacuterature loi de Vanrsquot Hoff

dlnK0

dT=

∆rH0

RT2

K0 constante drsquoeacutequilibre de la reacute-action∆rH

0 enthalpie standard de la reacute-actionR constante des gaz parfaitsT tempeacuterature

Une augmentation de la tempeacuterature deacuteplace la reacuteaction dans le sensendothermique

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 159

4 Thermodynamique 159

Effet de la pression loi de Le ChacirctelierUne augmentation de la pression deacuteplace lrsquoeacutequilibre dans le sens dediminution de la quantiteacute de matiegravere de gaz (∆νgaz lt 0)

Introduction drsquoun constituant actif

dA = RT(

∆νgaz minusνi

xi

)dnin

dA variation de lrsquoaffiniteacuteνi nombre stœchimeacutetrique ducomposeacute Aixi titre molaire du composeacute Ain quantiteacute de matiegravere totaledni variation de quantiteacute de ma-tiegravere du composeacute Ai

Ajout drsquoun constituant inactif

dA = RT∆νgazdnn

dA variation de lrsquoaffiniteacuten quantiteacute de matiegraveredn variation de quantiteacute de ma-tiegravere du constituant introduit

Variance ndash Regravegle des phases de Gibbs

v = c + 2minusϕ

c = nminus kminus r

v variancec nombre de constituants indeacute-pendantsϕ nombre de phasesn nombre de constituantsk nombre de relations entre lesconstituantsr relation particuliegraveres (imposeacuteespar le manipulateur)

c copyDuno

dL

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ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 160

160 [3] Chimie

45 Eacutequilibres liquidendashvapeur

Loi de Raoult

pi = plowasti xli

pi pression partielle du composeacuteAiplowasti pression saturante du com-poseacute Ai

xli titre molaire de Ai liquide

Loi de Henry

pi = kxli

pi pression partielle du composeacuteAik 6= plowasti constante de Henryxli titre molaire de Ai liquide

Solution ideacuteale deacutefinitionUne solution est dite ideacuteale si toutes les interactions entre les espegravecesqui la composent sont identiques interactions A1ndashA1A2ndashA2 et A1ndashA2

Diagramme binaire drsquoune solution ideacuteale

p2

p1

p

vapeur

liquide

courbe drsquoeacutebullition

courbe de roseacuteeliquide + vapeur

x2

Eacutequations des courbes

Courbe drsquoeacutebullition

p = plowast1 + (plowast2 minus plowast1)xl2

Courbe de roseacutee

p =plowast1plowast2

plowast2 minus (plowast2 minus plowast1)xv2

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 161

4 Thermodynamique 161

Diagrammes isothermes

p2

p

p1

vapeur

liquide

liquide + vapeur

x2

Fuseau simple

p2

p

p1 vapeur

liquide

liquide

+ vap

eur

x2

Azeacuteotrope positif

p2

p

p1

vapeur

liquideliquide + vapeur

x2

Azeacuteotrope neacutegatif

Lrsquoazeacuteotrope est la manifestation delrsquoeacutecart de la solution par rapport agravela solution ideacuteale

Diagrammes isobares

T2

T

T1

vapeur

liquide

liquide + vapeur

x2

Fuseau simple

T2

T

T1vapeur

liquide

liquide + vapeur

x2

Azeacuteotrope positifc copyDuno

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 162

162 [3] Chimie

T2

T

T1

vapeur

liquide

liquide

+ vap

eur

x2

Azeacuteotrope neacutegatif

Agrave pression constante unazeacuteotrope bout agrave tempeacuteratureconstante et donne une vapeur demecircme composition

Analyse thermique

T2

N

M

T

T1

x2

T2

TM

TN

T

t

M

N

T2

T

T1

x2

TM

TN

T

t

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 163

4 Thermodynamique 163

Theacuteoregraveme des moments

T2

LS

M

T

T1

liquide

solide

sol i dus

liquidusliquide + solide

x2x2x2

l

x2

s

nlML + nvMV = 0

nl quantiteacute de matiegravere de liquidenv quantiteacute de matiegravere de vapeurML distance algeacutebrique de M agrave lacourbe drsquoeacutebullitionMV distance algeacutebrique de M agravela courbe de roseacutee

46 Reacuteactions drsquooxydoreacuteduction

Couple redox

α ox + n eminusreacuteduction

oxydation

β red

Nombre drsquooxydation ndash DeacutefinitionCrsquoest le nombre drsquoeacutelectrons laquo perdus raquo par rapport agrave lrsquoatome neutre

Nombre drsquooxydations ndash Regravegles de deacutetermination

ndash atome isoleacute neutre no 0 ndash ion simple le nombre drsquooxyda-tions est la charge de lrsquoion ndash moleacutecule ou ion complexe

ndash entre deux atomes du mecircmeeacuteleacutement on attribue agrave chacun lrsquoundes eacutelectrons du doublet de liai-son

ndash entre deux atomes diffeacuterentson attribue les eacutelectrons de liaisonau plus eacutelectroneacutegatif

Dans tous les cas sum no = q avecq la charge de lrsquoeacutedifice atomique

Oxydant ndash Reacuteducteur

Un oxydant est une espegravece dontle nombre drsquooxydation peut dimi-nuer

Un reacuteducteur est une espegravece dontle nombre drsquooxydation peut aug-menter

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ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 164

164 [3] Chimie

Eacutequilibrage drsquoune eacutequation redoxPour eacutequilibrer une eacutequation on procegravede en

1 deacuteterminant le nombre drsquoeacutelectrons eacutechangeacutes avec le nombre drsquooxy-dations

2 effectuant un bilan des charges et en assurant lrsquoeacutelectroneutraliteacute avecH+ et lrsquoeacutequilibre en atomes drsquooxygegravene avec H2O

3 effectuant un bilan de matiegravere

Eacutelectrode agrave hydrogegravene

Crsquoest lrsquoeacutelectrode de reacutefeacuterencepour les mesures de poten-tiels redox (agrave toute tempeacuteratureE0(H+H2) = 0 000 V) Cetteeacutelectrode est fictive

H sous 1 bar2

Pt

pH = 0

Formule de Nernst

E = E0 +RTnF ln

aαox

aβred

aox activiteacute de lrsquooxydantared activiteacute du reacuteducteurAvec ndash a = 1 pour tout solide ou un li-quide pur dans la phase

ndash a =c

c0pour un soluteacute

ndash a =pip0

la pression partielle pour

un gaz (dans le cas des solutionsdilueacutees)E potentiel de lrsquoeacutelectrodeE0 potentiel standard du coupleredoxn nombre drsquoeacutelectrons eacutechangeacutesF = N middot e nombre de FaradayR constante des gaz parfaitsT tempeacuterature

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 165

5 Mateacuteriaux meacutetalliques 165

Formule de Nernst forme usuelle

E = E0 +0 06n

logaαox

aβred

Agrave 25˚CRTF ln 10

= 0 06

Reacuteactions aux eacutelectrodes drsquoune pile

La reacuteduction se produit agrave la ca-thodeLrsquooxydation se produit agrave lrsquoanode

On symbolise une pile par

ox1 red1︸ ︷︷ ︸pocircle neacutegatif

ox2 red2︸ ︷︷ ︸pocircle positif

Force eacutelectromotrice drsquoune pile

E = E2 minus E1

E force eacutelectromotrice (feacutem) de lapileE1 potentiel du couple consti-tuant lrsquoanodeE2 potentiel du couple consti-tuant la cathode

5 Mateacuteriaux meacutetalliques

51 Diagrammes drsquoEllingham

PrincipeOn eacutetudie la formation des oxydesrameneacutee agrave une mecircme quantiteacutede dioxygegravene reacuteaction qui srsquoeacutecritsous la forme geacuteneacuterale

α red +12O2 β ox

On trace la courbe

∆rG0 = ∆rH

0 minus T∆rS0

Approximation drsquoEllingham

Pour construire ces diagrammes on considegravere que ∆rG0 ∆rH

0 et ∆rS0

sont indeacutependants de la tempeacuterature Cette approximation est appeleacuteeapproximation drsquoEllingham

c copyDuno

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toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 166

166 [3] Chimie

Allure du diagramme

DrG ( )0

T

0 T

TF TE

changement de pente marquantun changement drsquoeacutetat

oxyde

meacutetal

Affiniteacute du systegraveme

A =12RT ln

p

pe

A affiniteacute chimiquep pression du reacuteacteurpe pression drsquoeacutequilibre agrave une tem-peacuterature donneacuteeT tempeacuteratureR constante des gaz parfaits

Corrosion drsquoun meacutetalUn meacutetal est oxydeacute par un oxyde dont la droite drsquoEllingham se situeau-dessus de sa propre droite

52 Diagrammes potentiel-pH

ConventionsConvention 1 sur le domaine frontiegravere les concentrations des deuxespegraveces sont eacutegales agrave une concentration arbitrairement choisieConvention 2 on fixe la concentration totale en un eacuteleacutement donneacute Surle domaine frontiegravere les concentrations sont reacuteparties eacutequitablement

Construction du diagramme potentielndashpH

1 On deacutetermine le degreacute drsquooxydation des espegraveces mises en jeu2 On calcule le pH frontiegravere pour les espegraveces de mecircme degreacute drsquooxy-dation3 On calcule avec la formule de Nernst lrsquoeacutequation des droites seacuteparantles domaines des espegraveces de degreacute drsquooxydation distincts

Les droites verticales marquent des reacuteactions acido-basiquesLes droites horizontales marquent des reacuteactions redox

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 167

5 Mateacuteriaux meacutetalliques 167

Deacutefinition du pH

pH = minus log(

[H3O+]

c0

)La relation ci-contre nrsquoest valableqursquoen milieux dilueacutes[H3O+] concentration en ionsH3O+ dans le milieuc0 concentration standard(1 mol middot Lminus1)

Produit ionique de lrsquoeau

Ke =[H3O+] middot [OHminus]

(c0)2= 10minus14

pKe = minus log Ke = 14

Ke produit ionique de lrsquoeau[H3O+] concentration en ionsH3O+ dans le milieu[OHminus] concentration en ionsOHminus dans le milieuc0 concentration standard

Constante drsquoaciditeacute drsquoun couple acidobasique

HA + H2O Aminus + H3O+

Ka =[H3O+] middot [Aminus]

[HA] middot c0

pKa = minus log Ka

Ka constante drsquoaciditeacute du coupleacidobasique (ne deacutepend que de latempeacuterature)[H3O+] concentration en ionsH3O+ dans le milieu[HA] concentration de lrsquoespegraveceacide dans le milieu[Aminus] concentration de lrsquoespegravecebasique dans le milieuc0 concentration standard

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ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 168

168 [3] Chimie

Principaux diagrammes potentiels ndash pH

E

0 1

01

pH

Fe3 +

Fe2 +

Fes

Zns

Zn2 +

Zn(OH)s

Zn(OH)4

2 -

Fe(OH)2

Fe(OH)3

Cu O2

Cu(OH)2

Cu2 +

Cus

Diagramme potentiel ndash pH de lrsquoeau

Le couple H2 H2O est repreacutesenteacute par une droite de pente minus0 06 etdrsquoordonneacutee agrave lrsquoorigine 0 00 V

Le couple H2O OHminus est repreacutesenteacute par une droite de pente minus0 06et drsquoordonneacutee agrave lrsquoorigine 1 23 V

53 Courbes intensiteacutendashpotentiel

Tension minimale agrave appliquer

U gt∆rG

2F

U tension appliqueacutee∆rG enthalpie libre de la reacuteactionF nombre de Faraday

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 169

5 Mateacuteriaux meacutetalliques 169

Intensiteacute du courant ndash Vitesse de reacuteaction

i = nFdξ

dt

v =1V

dt

i intensiteacute du courantn nombre drsquoeacutelectrons eacutechangeacutesau cours de la reacuteactionF nombre de Faradayξ avancement de la reacuteactionV volume de solution eacutelectrolyteLa vitesse de reacuteaction et lrsquointen-siteacute sont proportionnelles

Montage expeacuterimental

Egeacuteneacuterateur

microampegraveremegravetre(galvanomegravetre)

eacutelectrodes de travail

eacutelectrodede reacutefeacuterence

millivoltmegravetre

mAmV

Systegraveme lent ndash Systegraveme rapide

Systegraveme rapideSystegraveme lent (existence de surten-sions ηA et ηC respectivement ano-diques et cathodiques)

i

v

i

vhAhC

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ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 170

170 [3] Chimie

Courant limite de diffusion

i

i lim

v

Le pheacutenomegravene de diffusion limitela vitesse de deacuteplacement des eacutelec-trons il existe donc un courant li-mite

Tension agrave appliquer

U = EA minus EC︸ ︷︷ ︸thermodynamique

+ ηA minus ηC︸ ︷︷ ︸cineacutetique

+ri

U tension agrave appliquerEA potentiel du couple delrsquoanodeEC potentiel du couple de la ca-thodeηA surtension anodiqueηC surtension cathodiquer reacutesistance interne de lrsquoeacutelectro-lytei intensiteacute du courant

54 Corrosion

Reacuteaction de corrosion

M + ox minusrarr Mn+ + red

M meacutetal qui va ecirctre corrodeacuteox un meilleur oxydant que lemeacutetalMn+ cation associeacute au meacutetal dansun couple redoxred reacuteducteur associeacute agrave lrsquooxydantox

Corrosion avec des eacutelectrodes diffeacuterentes

Quand les eacutelectrodes sont diffeacuterentes crsquoest le meacutetal qui a le plus petitpotentiel redox qui se corrode

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 171

5 Mateacuteriaux meacutetalliques 171

Corrosion avec des eacutelectrodes identiquesDans le cas drsquoune pile de concen-tration crsquoest le meacutetal qui plongedans la solution la plus dilueacutee quise corrode

Crsquoest le meacutetal qui plonge dans lasolution la moins aeacutereacutee qui se cor-rode

Domaines de corrosion drsquoimmuniteacute et de passivationndash On appelle domaine de corrosion le(s) domaine(s) drsquoun diagrammeEndashpH ougrave le meacutetal se retrouve sous forme drsquoionsndash On appelle domaine drsquoimmuniteacute le domaine drsquoun diagramme EndashpHougrave le meacutetal est stable (il nrsquoest pas corrodeacute)ndash On appelle domaine de passivation le domaine drsquoun diagramme EndashpH ougrave le meacutetal se retrouve sous forme de preacutecipiteacute qui est susceptiblede former une couche protectrice agrave la surface du meacutetal

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Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 172

Annexe A mformulairetex 2772008 2251Page 173

Annexe APrimitives usuelles

Primitive Intervalleint dtt

= ln |t|+ k Rlowastint

cos t dt = sin t + k Rint dt

cos2 t= tan t + k R

π

2+ kπ

k isin Z

int dtcos t

= ln∣∣∣∣tan

(t

2+

π

4

)∣∣∣∣+ k R π

2+ kπ

k isin Z

inttan t dt = minus ln | cos t|+ k R

π

2+ kπ

k isin Z

intch t dt = sh t + k R

int dt

ch2 t= th t + k R

int dtch t

= 2Arctan et + k R

intth t dt = ln ch t + k R

intemt dt =

1memt + k (m isin Clowast) R

inttα dt =

tα+1

α + 1+ k (α isin Rminus minus1) R

intsin t dt = minus cos t + k R

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ndeacutelit

Annexe A mformulairetex 2772008 2251Page 174

174 [A] Primitives usuelles

int dt

sin2 t= minus cot t + k R kπ k isin Z

int dtsin t

= ln∣∣∣∣tan

t

2

∣∣∣∣+ k R kπ k isin Z

intcot t dt = ln | sin t|+ k R kπ k isin Z

intsh t dt = ch t + k R

int dt

sh2 t= minus coth t + k Rlowast

int dtsh t

= ln∣∣∣∣th

t

2

∣∣∣∣+ k Rlowast

intcoth t dt = ln | sh t|+ k R

intat dt =

at

ln a+ k (a isin Rlowast+ minus 1) R

Dans la suite on suppose a isin Rlowastint dt

t2 + a2=

1aArctan

t

a+ k R

int dtradica2 minus t2

=

Arcsin t

|a| + k

minusArccos t|a| + k

]minus a a[

int dtradict2 + a2

=

Argsh t

|a| + k

ln(t +radict2 + a2

)+ k

R

int dtradict2 minus a2

=

Argcht

|a| + k

ln(t +radic

t2 minus a2)

+ k]|a|+infin[

minusArgch∣∣∣∣t

a

∣∣∣∣+ k

ln∣∣∣t +

radict2 minus a2

∣∣∣+ k]minusinfin |a|[

int dtradict2 + b

= ln∣∣∣t +

radict2 + b

∣∣∣ + k (b isinRlowast)

R [minusb b]

int dtt2 minus a2

=

Argth t + k ]minus 1 1[12a

ln(tminus a

t + a

)+ k Rminus minusa a

Annexe B mformulairetex 2772008 2251Page 175

Annexe BDeacuteveloppements limiteacutes

Principaux deacuteveloppements limiteacutes1

1minus x= 1 + x + x2 + x3 + middot middot middot+ xn + o(xn)

(1+x)α =1+αx+α(αminus1)

2x2+middot middot middot+α(αminus1) middot middot middot (αminusn+1)

nxn+ o

xrarra(xn)

radic1+x = 1+

12xminus 1

2 middot 4 x2+middot middot middot+(minus1)nminus1 1 middot 3 middot 5 middot middot middot (2nminus3)

2 middot 4 middot 6 middot middot middot 2n xn+o(xn)

1radic1 + x

= 1 minus 12x +

1 middot 32 middot 4 x

2 + middot middot middot + (minus1)n 1 middot 3 middot 5 middot middot middot (2nminus 1)2 middot 4 middot 6 middot middot middot 2n xn +

o(xn)

ln(1 + x) = xminus x2

2+

x3

3minus x4

4+ middot middot middot+ (minus1)n+1 x

n

n+ o(xn)

ln(1minus x) = minusxminus x2

2minus x3

3minus x4

4minus middot middot middot minus xn

n+ o(xn)

ln(a + x) = ln a +x

aminus x2

2a2+

x3

3a3+ middot middot middot+ (minus1)n+1 x

n

an+ o(xn)

ex = 1 + x +x2

2+

x3

3+ middot middot middot+ xn

n+ o(xn)

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dL

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nonau

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ndeacutelit

Annexe B mformulairetex 2772008 2251Page 176

176 [B] Deacuteveloppements limiteacutes

cos x = 1minus x2

2+

x4

4minus x6

6+ middot middot middot+ (minus1)n x2n

(2n)+ o(x2n+1)

ch x = 1 +x2

2+

x4

4+

x6

6+ middot middot middot+ x2n

(2n)+ o(x2n+1)

sin x = xminus x3

3+

x5

5minus x7

7+ middot middot middot+ (minus1)n x2n+1

(2n + 1)+ o(x2n+2)

sh x = x +x3

3+

x5

5+

x7

7+ middot middot middot+ x2n+1

(2n + 1)+ o(x2n+2)

tan x = x +x3

3+

215

x5 +17315

x7 + o(x7)

th x = xminus x3

3+

215

x5 minus 17315

x7 + o(x7)

Arccos x =π

2minus x minus 1

2x3

3minus middot middot middot minus 1 middot 3 middot 5 middot middot middot (2nminus 1)

2 middot 4 middot 6 middot middot middot 2nx2n+1

2n + 1+

o(x2n+2)

Arcsin x = x +12x3

3+ middot middot middot+ 1 middot 3 middot 5 middot middot middot (2nminus 1)

2 middot 4 middot 6 middot middot middot 2nx2n+1

2n + 1+ o(x2n+2)

Arctan x = xminus x3

3+

x5

5minus x7

7+ middot middot middot+ (minus1)n x2n+1

(2n + 1)+ o(x2n+2)

Argch x nrsquoest pas deacutefini au voisinage de 0 et nrsquoadmet pas de deacutevelop-pement limiteacute au voisinage de 1 (tangente verticale)

Argsh = xminus 12x3

3+

1 middot 32 middot 4

x5

5+ middot middot middot+(minus1)n 1 middot 3 middot 5 middot middot middot (2nminus1)

2 middot 4 middot 6 middot middot middot 2nx2n+1

2n+1+

o(x2n+2)

Argth x = x +x3

3+

x5

5+ middot middot middot+ x2n+1

(2n + 1)+ o(x2n+2)

Annexe C mformulairetex 2772008 2251Page 177

Annexe CFormulestrigonomeacutetriques

1 Angles remarquables

sin 012

radic22

radic32

1 0

cos 1

radic32

radic22

12

0 minus1

tan 0

radic33

1radic3 0

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe C mformulairetex 2772008 2251Page 178

178 [C] Formules trigonomeacutetriques

2 Relations trigonomeacutetriques

Relations entre les rapports trigonomeacutetriques drsquoun mecircme arc

cos2 a + sin2 a = 1

tan a =sin a

cos acot a =

cos asin a

1 + tan2 a =1

cos2 a1 + cot2 a =

1

sin2 a

cos2 a =1

1 + tan2 asin2 a =

11 + cot2 a

Formules drsquoadditioncos(a + b) = cos a cos bminus sin a sin bcos(aminus b) = cos a cos b + sin a sin bsin(a + b) = sin a cos b + cos a sin bsin(aminus b) = sin a cos bminus cos a sin b

tan(a + b) =tan a + tan b

1minus tan a tan b

tan(aminus b) =tan aminus tan b

1 + tan a tan b

Formules de duplication

cos(2a) =

cos2 aminus sin2 a2 cos2 aminus 11minus 2 sin2 a

sin(2a) = 2 sin a cos a

tan(2a) =2 tan a

1minus tan2 a

Expression de cos a sin a tan a en fonction de tan a2

cos a =1minus tan2 a

21 + tan2 a

2

sin a =2 tan a

21 + tan2 a

2

tan a =2 tan a

21minus tan2 a

2

Transformations de produits en sommes

cos a cos b =12

(cos(aminus b) + cos(a + b))

sin a sin b =12

(cos(aminus b)minus cos(a + b))

sin a cos b =12

(sin(a + b) + sin(aminus b))

Annexe C mformulairetex 2772008 2251Page 179

2 Relations trigonomeacutetriques 179

sin b cos a =12

(sin(a + b)minus sin(aminus b))

cos2 a =1 + cos(2a)

2sin2 a =

1minus cos(2a)2

Transformation des sommes en produits

cos p + cos q = 2 cosp + q

2cos

pminus q

2

cos pminus cos q = minus2 sin p + q

2sin

pminus q

2

sin p + sin q = 2 sinp + q

2cos

pminus q

2

sin pminus sin q = 2 sinpminus q

2cos

p + q

21 + cos a = 2 cos2

a

21minus cos a = 2 sin2

a

2

Arcs associeacutescos(minusa) = cos a sin(minusa) = minus sin acos(π + a) = minus cos a sin(π + a) = minus sin acos(πminus a) = minus cos a sin(πminus a) = sin a

cos(π

2minus a)

= sin a sin(π

2minus a)

= cos a

cos(π

2+ a)

= minus sin a sin(π

2+ a)

= cos a

tan(π + a) = tan a cot(π + a) = cot a

tan(π

2minus a)

= cot a cot(π

2minus a)

= tan a

tan(π

2+ a)

= minus cot a cot(π

2+ a)

= minus tan a

Fonctions circulaires reacuteciproques

Arctan x + Arctan1x

2sgnx

forall(a b) isin R2

Arctan a + Arctan b =

Arctana + b

1minus absi ab lt 1

π

2sgn a si ab = 1

Arctana + b

1minus ab+ π sgn a si ab gt 1c copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe C mformulairetex 2772008 2251Page 180

180 [C] Formules trigonomeacutetriques

Arctan x + Arctan1x

2sgn x

Trigonomeacutetrie hyperbolique

sh x =ex minus eminusx

2ch x =

ex + eminusx

2ch(a + b) = ch a ch b + sh a sh b sh(a + b) = sh a ch b + ch a sh bch(aminus b) = ch a ch bminus sh a sh b sh(aminus b) = sh a ch bminus ch a sh b

th(a + b) =th a + th b

1 + th a th bth(aminus b) =

th a + th b

1minus th a th b

ch 2a =

ch2 a + sh2 a2 ch2 aminus 11 + 2 sh2 a

sh 2a = 2 sh a ch a

ch2 xminus sh2 x = 1

th 2a =2 th a

1 + th2 ach p + ch q = 2 cosh

p + q

2ch

pminus q

2

ch pminus ch q = 2 shp + q

2sh

pminus q

2

sh p + sh q = 2 shp + q

2ch

pminus q

2

sh pminus sh q = 2 coshp + q

2sh

pminus q

2

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 181

Annexe DOpeacuterateurs vectoriels

Cette annexe sert essentiellement en physique mais elle peut trouver sonutiliteacute en chimie (par exemple lrsquoHamiltonien comporte un laplacien) ou enmaths (notamment dans le cadre du chapitre des fonctions de plusieurs va-riables)

1 Notations

Opeacuterateur Nabla

On utilise tregraves souvent lrsquoopeacuterateur laquo Nabla raquo

partpartxpart

partypartpartz

Champs utiliseacutes par la suiteDans la suite on considegravere un champ vectoriel

AAA(M) =

Ax(x y z)Ay(x y z)Az(x y z)

iiijjjkkk

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 182

182 [D] Opeacuterateurs vectoriels

On consideacuterera eacutegalement un champs vectoriel BBB et le champs scalaireV(x y z)

2 Gradient

Coordonneacutees carteacutesiennes

gradV =nablanablanablaV =

partVpartx

(x y z)

partVparty

(x y z)

partVpartz

(x y z)

Coordonneacutees cylindriques

gradV =nablanablanablaV =

partVpartr

1r

partVpartθ

partVpartz

uuur

uuuθ

uuuz

Coordonneacutees spheacuteriques

gradV =

partVpartr

1r

partVpartθ

1r sin θ

partVpartϕ

uuur

uuuθ

uuuϕ

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 183

4 Rotationnel 183

3 Divergence

Coordonneacutees carteacutesiennes

div A =partAx

partx+

partAy

party+

partAz

partz=nablanablanablaAAA

Coordonneacutees cylindriques

div A =1r

partpartr

(r middot Ar) +1r

partAθ

partθ+

partAz

partz

Coordonneacutees spheacuteriques

div A =1r2

partpartr

(r2 middot Ar) +1

r sin θ

partpartθ

(sin θAθ) +1

r sin θ

partAϕ

partϕ

4 Rotationnel

Coordonneacutees carteacutesiennes

rot A =nablanablanablaandAAA =

partpartxpart

partypartpartz

and

Ax

Ay

Az

=

partAz

partyminus partAy

partzpartAx

partzminus partAz

partxpartAy

partxminus partAx

party

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 184

184 [D] Opeacuterateurs vectoriels

Coordonneacutees cylindriques

rot A =

1r

partAz

partθminus partAθ

partzpartAr

partzminus partAx

partr1r

partpartr

(r middot Aθ)minus 1r

partAr

partθ

Coordonneacutees spheacuteriques

rot A =

1r sin θ

(part

partθ(Aϕ sin θ)minus partAθ

partϕ

)

1r

(1

sin θ

partAr

partϕminus part

partr(r middot Aϕ

)

1r

(partpartr

(r middot Aθ)minus partAr

partθ

)

5 Laplacien

Coordonneacutees carteacutesiennesLaplacien scalaire

∆V = nabla2V =part2Vpartx2

+part2Vparty2

+part2Vpartz2

= div (gradV)

Laplacien vectoriel

∆AAA =nablanablanabla2AAA =

∆Ax =part2Ax

partx2+

part2Ax

party2+

part2Ax

partz2

∆Ay =part2Ay

partx2+

part2Ay

party2+

part2Ay

partz2

∆Az =part2Az

partx2+

part2Az

party2+

part2Az

partz2

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 185

6 Relations entre les opeacuterateurs 185

Coordonneacutees cylindriquesLaplacien scalaire

∆V =1r

partVpartr

+part2Vpartr2

+1r2

part2Vpartθ2 +

part2Vpartz2

∆V =1r

partpartr

(r

partVpartr

)+

1r2

part2Vpartθ2 +

part2Vpartz2

Le Laplacien vectoriel nrsquoa pas ici drsquoexpression simple

Coordonneacutees spheacuteriquesLe Laplacien scalaire est

∆V =1r

partpartr2

(rV) +1

r2 sin2 θ

part2Vpartϕ2 +

1

r2 sin2 θ

partpartθ

(sin θ

partVpartθ

)

6 Relations entre les opeacuterateurs

Opeacuterateur A middot grad

(BBBgrad)AAA =

(BBBnablanablanabla) Ax

(BBBnablanablanabla) Ay

(BBBnablanablanabla) Az

=

BxpartAx

partx+ By

partAx

party+ Bz

partAx

partz

BxpartAy

partx+ By

partAy

party+ Bz

partAy

partz

BxpartAz

partx+ By

partAz

party+ Bz

partAz

partz

En coordonneacutees cylindriques et spheacuteriques lrsquoexpression nrsquoest plus li-siblec copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 186

186 [D] Opeacuterateurs vectoriels

Autres relationsrotrotrot (gradU) = 0div (rot A) = 0∆AAA = grad(div A)minus rotrotrot (rot A)grad(U middotV) = U gradV +V gradUdiv (V middotAAA) = V div A +AAA middot gradVrotrotrot (V middotAAA) = V rot A + (gradV) andAAAdiv (AAA andBBB) = BBB middot rot AminusAAA middot rot B

7 Theacuteoregravemes geacuteomeacutetriques

Theacuteoregraveme drsquoOstrogradskiintcopyint

Misin(S)AAA(M)nnnext dS =

intintint

Misin(V)div A(M) dV

Theacuteoregraveme de Stokes∮

Misin(C)AAA(M)dM =

intint

Misin(S)rot Annn(P) dS

Theacuteoregraveme du gradientintcopyint

Misin(S)U(M)nnnext dS =

intintint

Misin(V)gradA(M) dV

Autre formulation (avec les notations adopteacutees pour le theacuteoregraveme deStokes) ∮

Misin(C)U(M)dMdMdM =

intint

Misin(S)nnn(M) and gradU(M) dS

Annexe E mformulairetex 2772008 2251Page 187

Annexe EUniteacutes et constantesfondamentales

1 Uniteacutes du Systegraveme International

On distingue trois types drsquouniteacutes dans le Systegraveme International les uniteacutesde base les uniteacutes suppleacutementaires (ces deux premiegraveres cateacutegories eacutetant di-mensionnellement indeacutependante) et les uniteacutes suppleacutementaires et deacuteriveacuteesqui peuvent srsquoexprimer en fonction des premiegraveres

11 Uniteacutes principales du systegraveme international

Grandeur physique Uniteacute SymboleLongueur megravetre mMasse kilogramme kgTemps seconde sCourant eacutelectrique ampegravere ATempeacuterature kelvin KQuantiteacute de matiegravere mole molIntensiteacute lumineuse candela cdc copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe E mformulairetex 2772008 2251Page 188

188 [E] Uniteacutes et constantes fondamentales

12 Uniteacutes secondaires du systegraveme international

Grandeur physique Uniteacute SymboleAngle radian radAngle solide steradian sr

13 Uniteacutes courantes du systegraveme international

Grandeur physique Uniteacute SymboleFreacutequence hertz Hzharr sminus1

Force newton Nharr kg middotm middot sminus2Eacutenergie joule Jharr m middotNPuissance watt Wharr J middot sminus1Pression pascal Paharr N middotmminus2Charge eacutelectrique coulomb Charr A middot sDiffeacuterence de potentiel eacutelectrique volt Vharr Aminus1 middotm middotN middot sminus1Reacutesistance eacutelectrique ohm Ω harr Aminus1 middotm middotN middot sminus2Conductance eacutelectrique siemens Sharr A2 middotN middot sCapaciteacute eacutelectrique farad Fharr A2 middotmminus1 middotNminus1 middot s2Champ magneacutetique tesla Tharr Aminus1 middotmminus1 middotNInductance henry Hharr Aminus2 middotm middotNFlux magneacutetique weber Wbharr Aminus1 middotm middotNFlux lumineux lumen lmharr cd middot srIllumination lux lxharr cd middotmminus2 middot sr

14 Multiples deacutecimaux pour les uniteacutes

Facteur Preacutefixe Symbole Facteur Preacutefixe Symbole10 deacuteca- da 10minus1 deacuteci- d102 hecto- h 10minus2 centi- c103 kilo- k 10minus3 milli- m106 meacutega- M 10minus6 micro- micro

109 giga- G 10minus9 nano- n1012 tera- T 10minus12 pico- p1015 peta- P 10minus15 femto f1018 exa- E 10minus18 atto- a

Annexe E mformulairetex 2772008 2251Page 189

2 Constantes fondamentales 189

2 Constantes fondamentales

Constante ValeurConstante de gravitation G = 6 67259 middot 10minus11 m3 middot kgminus1 middot sminus2Ceacuteleacuteriteacute de la lumiegravere dans levide

c = 299792458 m middot sminus1c asymp 3 middot 108 m middot sminus1

Permeacuteabiliteacute du videmicro0 = 4π middot 10minus7 H middotmminus1micro0 asymp 1 25664 middot 10minus6 H middotmminus1

Permittiviteacute du vide ε0 asymp 8 85419 middot 10minus12 F middotmminus1

Constante de Planck h = 6 6260755 middot 10minus34 J middot sminus1h = 4 135669 middot 10minus15 eV middot s

Constante des gaz parfaits R = 8 314 J middotKminus1 middotmolminus1

Nombre drsquoAvogadro N = 6 0221367 middot 1023 molminus1

Constante de Boltzmann k = 1 380658 middot 10minus23 J middotKminus1Charge eacuteleacutementaire e = 1 602217733 middot 10minus19 CConstante de Faraday F = 96485 309 C middotmolminus1

Constante de Stefan-Boltzmann σ = 5 67051 middot 10minus8 W middotmminus2 middotKminus4

3 Ordres de grandeurs

Grandeur ValeurConductiviteacute du meacutetal σ asymp 108 Ωminus1 middotmminus1Tension de seuil pour une diode Vd asymp 0 6 VChamp de pesanteur agrave la surface de la Terre g = 9 8 m middot sminus2Rayon terrestre RT = 6400 kmMasse de la Terre MT asymp 6 middot 1024 kgAltitude drsquoun satellite geacuteostationnaire H asymp 36 000 kmDistance Terre-Soleil dTminusS asymp 1 5 middot 1011 mDistance Terre-Lune dTminusL asymp 3 8 middot 108 mMasse du soleil MS asymp 2 middot 1030 kgCoefficient de frottement acier-acier micro asymp 0 2Raideur drsquoun ressort k asymp 100 N middotmminus1Masse du proton mp = 1 673 middot 10minus27 kgMasse du neutron mn = 1 675 middot 10minus27 kgMasse de lrsquoeacutelectron me = 9 109 middot 10minus31 kg

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe E mformulairetex 2772008 2251Page 190

Annexe F mformulairetex 2772008 2251Page 191

Annexe FConstantes chimiques

Potentiels standards redox

(Agrave 25˚C 1013 bar pH=0)

Couples redox E0 en voltsMnOminus4 + 4H+ + 3eminus larrrarr MnO2 + 2H2O 1700MnOminus4 + 8H+ + 5eminus larrrarr Mn2+ + 4H2O 1490Cr2O

2minus7 + 14H+ + 6eminus larrrarr 2Cr3+ + 7H2O 1330

MnO2 + 4H+ + 2eminus larrrarr Mn2+ + 2H2O 1230Br2 + 2eminus larrrarr 2Brminus 1090Hg2+ + 2eminus larrrarr Hg 0850Ag+ + eminus larrrarr Ag 0798Hg+ + eminus larrrarr Hgminus 0790Fe3+ + eminus larrrarr Fe2+ 0780MnOminus4 + eminus larrrarr MnO2minus

4 0560I2 + 2eminus larrrarr 2Iminus 0540Cu2+ + 2eminus larrrarr Cu 0340Cu2+ + eminus larrrarr Cu+ 01502H+ + 2eminus larrrarr H2 0000Fe3+ + 3eminus larrrarr Fe minus0040

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe F mformulairetex 2772008 2251Page 192

192 [F] Constantes chimiques

Couples redox E0 en voltsPb2+ + 2eminus larrrarr Pb minus0120Sn2+ + 2eminus larrrarr Sn minus0140Fe2+ + 2eminus larrrarr Fe minus0441Zn2+ + 2eminus larrrarr Zn minus0762Mn2+ + 2eminus larrrarr Mn minus1180Al3+ + 3eminus larrrarr Al minus1660Na+ + eminus larrrarr Na minus2715Ca2+ + 2eminus larrrarr Ca minus2763Ba2+ + 2eminus larrrarr Ba minus2900K+ + eminus larrrarr K minus2924

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 193

Annexe GTableau peacuteriodique

1re colonne alkalins meacutetalliques

2e colonne alkalino terreux

Colonnes 3ndash11 meacutetaux de transition

Colonne 17 halogegravenes

Colonnes 18 gaz rares

Gaz noble Meacutetaux

Meacutetaux de transition Alkalin meacutetaliques

Halogegravene Espegravece rare

Non meacutetaux Alkalino terreux

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 194

194 [G] Tableau peacuteriodique

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1I H

hydrogegravene

10083 4 numeacutero atomique minusrarr 6

II Li Be C larrminus symbolelithium beacuteryllium nom de lrsquoeacuteleacutement minusrarr carbone

694 901 1201 larrminusmasse atomique11 12

III Na Mgsodium magneacutesium

2299 243119 20 21 22 23 24 25 26 27

IV K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Copotassium calcium scandium titane vanadium chrome manganegravese fer cobalt

3910 4008 4496 4788 5094 5200 5494 5585 589337 38 39 40 41 42 43 44 45

V Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rhrubidium strontium yttrium zirconium niobium molybdegravene techneacutetium rutheacutenium rhodium

8547 8762 8891 9122 9221 9594 9891 1011 102955 56 57 72 73 74 75 76 77

VI Cs Ba La Hf Ta W Re Os Irceacutesium baryum lanthane hafnium tantale tungstegravene rheacutenium osmium iridium

1329 1373 1389 1785 1809 1839 1862 1902 192287 88 89

VII Fr Ra Acfrancium radium actinium

2230 2260 2270

58 59 60 61 62Ce Pr Nd Pm Smceacuterium praseacuteodyme neacuteodyme promeacutethium samarium

1401 1409 1442 1449 150490 91 92 93 94Th Pa U Np Pu

thorium protactinium uranium neptunium plutonium

2320 2310 2380 2370 2441

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 195

195

10 11 12 13 14 15 16 17 18

2Heheacutelium

40035 6 7 8 9 10B C N O F Nebore carbone azote oxygegravene fluor neacuteon

1081 1201 1401 1600 1900 201813 14 15 16 17 18Al Si P S Cl Ar

aluminium silicium phosphore soufre chlore argon

2698 2809 3097 3207 3545 399528 29 30 31 32 33 34 35 36Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Krnickel cuivre zinc gallium germanium arsenic seacuteleacutenium brome krypton

5869 6355 6539 6972 7259 7492 7896 7990 838046 47 48 49 50 51 52 53 54Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

palladium argent cadmium indium eacutetain antimoine tellure iode xeacutenon

1064 1079 1124 1148 1187 1218 1276 1269 131378 79 80 81 82 83 84 85 86Pt Au Hg Ti Pb Bi Po At Rn

platine or mercure thallium plomb bismuth polonium astate radon

1951 1970 2006 2044 2072 2090 2100 2100 2220

63 64 65 66 67 68 69 70 71Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

europium gadolinium terbium dysprosium holmium erbium thulium ytterbium luteacutetium

1520 1573 1589 1625 1649 1673 1689 1730 175095 96 97 98 99 100 101 102 103Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

ameacutericium curium berkeacutelium californium einstenium fermium mendeacutelevium nobeacutelium lawrencium

2431 2471 2471 2521 2521 2571 2561 2591 2601

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 196

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 197

Index

Abel (lemme drsquondash) 51absorption 137accroissements finis

(theacuteoregraveme des) 39activiteacute 164adheacuterence 29adiabatique (transformation ndash) 81adjoint (drsquoun

endormorphisme) 24affiniteacute 145Alembert

eacutequation drsquondash 132regravegle de drsquondash 49theacuteoregraveme de drsquondash 10

algegravebre 5Ampegravere (theacuteoregraveme drsquondash) 121amplificateur opeacuterationnel 73angles remarquables 177anneau 3application

composition 11injective 11lipschitizienne 37surjective 11

application lineacuteaire 12ndash17image 15 16noyau 15 16rang 15

application lineaire

spectre 26approximation des eacutetats quasi

stationnaires (AEQS) 149arrangement 5Arrheacutenius (loi drsquondash) 149asymptote 61asymtote 63auto-induction 126automorphisme 15automorphismes

orthogonaux 25avancement drsquoune reacuteaction 148

base 13changement de ndash 19duale 14

Bertrandseacuterie de ndash 48

Bessel (ineacutegaliteacute de ndash) 23Bezout

eacutegaliteacute de 9Bezout (theacuteoregraveme de ndash) 7binocircme (de Newton) 6Binet (formules de ndash) 100Biot et Savart (loi de ndash) 121Bolzano-Weiertrass

(theacuteoregraveme de ndash) 35boule

fermeacutee 28ouverte 28

branche infinie 61

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198 INDEX

branche parabolique 61

capaciteacutes thermiques 78Cauchy

critegravere de ndash 49produit de ndash 50regravegle de ndash 49suite de ndash 30

Cauchy-Lipschitz (theacuteoregravemede ndash) 45

Cauchy-Schwarz (ineacutegaliteacute de ndash)22

Cayley-Hamilton (theacuteoregraveme de ndash) 27

centre drsquointertie (theacuteoregravemedu ndash) 91

chaleur latente 83champ

gravitationnel 119magneacutetostatique 121

champeacutelectrostatique 118

changement de reacutefeacuterentiel 90Chasles (relation de ndash) 43cineacutetique chimique 148Clapeyron (relation de ndash) 83classe (drsquoune fonction) 39classe drsquoeacutequivalence 2codimension 14coefficients

thermoeacutelastiques 77combinaison 6compacte (partie) 29complegravete (partie ndash) 30complexe (nombre ndash) 32ndash33composition

des acceacuteleacuterations 90des vitesses 90

conduction de la chaleur 85coniques 68conjugueacute (drsquoun nombre complexe)

32connexiteacute par arcs 30constante

drsquoeacutecran 143drsquoaciditeacute 167

de vitesse (drsquoune reacuteaction) 148continuiteacute 36continuiteacute uniforme 37convection 85convegence

simple (seacuterie drsquoapplications)55

convergenceabsolue (seacuterie drsquoapplications)

55absolue (seacuterie) 50normale (seacuterie drsquoapplications)

55normale (seacuterie de Fourier) 57semi-convergence (seacuterie) 50simple (suite drsquoapplications)

52theacuteoregraveme de ndash domineacutee (suite

drsquoapplications) 54theacuteoregraveme de ndashmonotone (suite

drsquoapplications) 54uniforme (seacuterie drsquoapplications)

55uniforme (suite drsquoapplications)

52convexiteacute 40convexiteacute (ineacutegaliteacute de ndash) 40coordonneacutees

carteacutesiennes 88cylindriques 88polaires 62spheacuteriques 89

Coriolisacceacuteleacuteration de ndash 90force de ndash 90

corps 4Coulomb (lois de ndash) 105couple

redox 163courbure 64Cramer (systegraveme de ndash) 21

deacuteriveacutee 38partielle 58selon un vecteur 58

deacuterivabiliteacute 39deacuteterminant 19

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 199

INDEX 199

deacuteveloppements limiteacutes 175degreacute (drsquoun polynocircme) 8Descartes (loi de ndash) 106dieacutelectriques (milieux ndash) 138diagonalisabiliteacute 27diagramme

binaires 160ndash163drsquoEllingham 165E-pH 166intensiteacute-potentiel 168

diffeacuteomorphisme 40diffraction 116ndash118diffusion

eacutequation de ndash 67de chaleur 85

direction asymptotique 61 63Dirichlet (theacuteoregraveme de ndash) 57dispersion 137

relation de 134divisibiliteacute

dans N 6dans K[X] 9

division euclidiennedrsquoun polynocircme 9dans N 6

domination (theacuteoregraveme de ndash) 42

eacutelectrostatique 118endomorphisme 15

adjoint 24eacutenergie

cineacutetique 93cineacutetique (du solide) 101interne 77meacutecanique 93magneacutetique 127potentielle 94

enthalpie 78entropie 80eacutequation

drsquoonde 132diffeacuterentielle 66redox 164

eacutequation diffeacuterentielle 44lineacuteaire du premier ordre 44

lineacuteaire du second ordre 45eacutequilibre 94

stabiliteacute drsquoun ndash 95espace

euclidien 30preacutehilbertien 30vectoriel 5 12ndash17vectoriel normeacute 27ndash31

extremum local 59

factorielle 5famille

geacuteneacuteratrice 13libre 13

Faraday (loi de ndash) 126 128fermeacute 28filtre 71ndash73flux

du champ magneacutetique 126thermique 85

fonctionde plusieurs variables 58de transfert 71reacuteelle de la variable

reacuteelle 35ndash38trigonomeacutetrique

reacuteciproque 38fonctions implicites (theacuteoregraveme

des ndash) 59force

centrale 99drsquoinertie 90de Lorentz 98

formelineacuteaire 14quadratique 22

forttements solide 105Fourier

loi de ndash 85seacuteries de ndash 57

fraction rationnelle 10ndash11Fresnel

miroirs de ndash 115principe drsquoHuyghens ndash 116

Gaussapproximation de ndash 107

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200 INDEX

theacuteoregraveme de ndash 7 119gaz parfait 76Gibbs

regravegle des phases de ndash 159relation deGibbsndashDuhem 153relation de GibbsndashHelmoltz

153gradient 58Grassman (formule de ndash) 17groupe 2

cyclique 3geacuteneacuterateurs de ndash 3monogegravene 3

Heine (theacuteoregraveme de ndash) 37Henry (loi de ndash) 160Hess (loi de ndash) 157Hund (principe de ndash) 145hysteacuteresis 130

ideacuteal 4identiteacutes thermodynamiques 80ineacutegaliteacute de la moyenne 41induction

de Lorentz 128de Neumann 126

inertie (force drsquondash) 90injective 11inteacutegrale

deacutependant drsquoun paramegravetre43

de Riemann 42impropre 43

inteacutegration 41ndash44inteacuterieur (drsquoune partie) 29interfeacuterences 109ndash116interfeacuteromegravetre

de Fabry-Perot 115de Michelson 112

intgreacuteationpar parties 41

isomorphisme 15

jauge de Lorentz 124

Kœnig (theacuteoregravemes de ndash) 92 93103 104

Kepler (lois de ndash) 100Klechkowsky (regravegle de ndash) 145

lames agrave retard 135Laplace (force de ndash) 122Le Chacirctelier (loi de ndash) 159Leibniz (formule de ndash) 39lemme drsquoAbel 51lentille mince 108Lenz (loi de ndash) 126limite 36lipschitzienne (application ndash) 37loi

drsquoArrheacutenius 149drsquoOhm 125de Biot et Savart 121de composition 2de Faraday 126 128de Fourier 85de Hess 157de Le Chacirctelier 159de Lenz 126de Planck 86de Pouillet 69de Raoult 160de SnellndashDescartes 106 140de Stefan 87de Vanrsquot Hoff 149des mailles 69des noeuds 69

longueur (drsquoun arc) 64

machinesthermiques 83

magneacutetostatique 121Malus (theacuteoregraveme de ndash) 110mateacuteriaux magneacutetiques 129matrice 17ndash22

exponentielle de ndash 19inverse 20opeacuterations 18produit 18

Maxwelleacutequations de ndash dans le vide

123

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INDEX 201

eacutequations de ndash dans lesmilieux 139

eacutequation de ndash en ARQS 129Minkowski (ineacutegaliteacute de ndash) 23miroirs

de Fresnel 115spheacuteriques 107

modes propres 131module (drsquoun nombre complexe)

32Moivre (formule de ndash) 33moment cineacutetique 92

theacuteoregraveme du ndash 92 103multipliciteacute (des racines) 10

Nernst (formule de ndash) 164Newton

binocircme de ndash 6nombre

drsquooxydations 163entier 5ndash7premier 7quantique 143rationnel 5ndash7

normeeacutequivalente 28euclidienne 22

Ohm (loi drsquondash) 125onde

eacutelectromagneacutetique 134ndash140eacutequation drsquondash 132lumineuse 109plane progressive 133stationnaire 133

orbitaleatomique 144moleacuteculaire 147

orthogonaliteacute 23oscillateurs 95

coupleacutes 131ouvert 28oxydo-reacuteduction 163

paramagneacutetisme 129Parseval (eacutegaliteacute de ndash) 57

Pauli (principe de ndash) 145pgcd dans Z 7pKa 167Planck (loi de ndash) 86point

bireacutegulier 59reacutegulier 59

polarisationdrsquoun dieacutelectrique 138de la lumiegravere 135

polynocircme 8ndash11caracteacuteristique 26scindeacute 10

potentieleacutelectrique 118chimique 154redox 164

Pouillet (loi de ndash) 69Poynting (vecteur de ndash) 124Poyting (vecteur de ndash) 136ppcm dans Z 7premier principe (thermodynamique)

77primitives usuelles 173principe fondamental de la

dynamique 91prisme 107produit scalaire 22projecteur 16puissance

drsquoune force 93 104rayonneacutee 136

puissance eacutelectromagneacutetique 123Pythagore (theacuteoregraveme de ndash) 30

reacutefeacuterentielchangement de ndash 90galileacuteen 91

reacuteflextion drsquoune onde 140reacutesultante cineacutetique (theacuteoregraveme de

la ndash) 103regravegle

de Klechkowsky 145regravegle des xα f (x) 42

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202 INDEX

racinedrsquoun polynocircme 10niegravemes drsquoun complexe 33niegravemes de lrsquouniteacute 33

rangdrsquoune application lineacuteaire 15formule du ndash 15

Raoult (loi de ndash) 160rayon de courbure 64relation

binaire 1drsquoeacutequivalence 1drsquoordre 1de conjugaison 108de dispersion 134de structure 134

Riemanninteacutegrale de ndash 42seacuterie de ndash 48somme de ndash 41

Rolle (theacuteoregraveme de ndash) 39roulement sans glissement 101 105

seacuterie 47ndash51alterneacutee 49de Bertrand 48de Fourier 57de Riemann 48geacuteomeacutetrique 48produit de Cauchy 50

seacuterie entiegravere 51ndash52deacuterivation 51inteacutegration 51rayon de convergence 51

Schwarz (theacuteoregraveme de ndash) 59SnellndashDescartes (loi de ndash) 140solide (meacutecanique du ndash) 101somme de Riemann 41somme directe 12sous-anneau 4sous-espace

suppleacutementaire 13sous-espace propre 26sous-groupe 3spectroscopie 141Stefan (loi de ndash) 87

Stirling (formule de ndash) 50suite 34ndash35

adjacente 35arithmeacutetique 34extraite 35geacuteomeacutetrique 34

suppleacutementaire (sous-espaces) 13surjective 11susceptibiliteacute

eacutelectrique 139magneacutetique 129 130

symeacutetrie 16drsquoune courbe parameacutetreacutee 61drsquoune courbe polaire 63

systegraveme lineacuteaire 21de Cramer 21

tangente (agrave une courbe) 60Taylor-Lagrange

ineacutegaliteacute de ndash 40Taylor-Young (formule de ndash) 40tempeacuterature drsquoinversion 158Theacuteoregraveme

de Dirichlet 57de Scharz 59

theacuteoregravemedrsquoeacutequivalence 42de domination 42de Rolle 39des accroissements finis 39

topologie 27torseur cineacutetique 101

valeur drsquoadheacuterence 29valeur propre 26Van der Waals (gaz de ndash) 77Vanrsquot Hoff (loi de ndash) 149variance 159vecteur propre 26vitesse

drsquoentraicircnement 90de groupe 137de phase 137de reacuteaction 148quadratique moyenne 76

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 203

INDEX 203

voisinage 29

Weierstrassdeuxiegraveme theacuteoregraveme de ndash 54premier theacuteoregraveme de ndash 54

Young (trous drsquondash) 111

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jrsquointegravegre

matheacutematiques

physique

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  • Table des matiegraveres
    • Avant-propos
    • Chapitre 1 Matheacutematiques
      • 1 Algegravebre
        • 11 Relations
        • 12 Structures algeacutebriques
        • 13 Nombres entiers nombres rationnels
        • 14 Arithmeacutetique dans Z
        • 15 Polynocircmes et fractions rationnelles
        • 16 Geacuteneacuteraliteacutes sur les applications
        • 17 Applications lineacuteaires ndash Espaces vectoriels
        • 18 Matrices ndash Deacuteterminants ndash Systegravemes lineacuteaires
        • 19 Espaces vectoriels euclidiens
        • 110 Reacuteduction des endomorphismes
          • 2 Analyse
            • 21 Espaces vectoriels normeacutes
            • 22 Nombres reacuteels
            • 23 Nombres complexes
            • 24 Suites
            • 25 Fonctions reacuteelles de la variable reacuteelle
            • 26 Deacuterivation
            • 27 Inteacutegration
            • 28 Eacutequations diffeacuterentielles
            • 29 Seacuteries
            • 210 Seacuteries entiegraveres
            • 211 Suites et seacuteries drsquoapplications
            • 212 Seacuteries de Fourier
            • 213 Fonctions de plusieurs variables
              • 3 Geacuteomeacutetrie
                • 31 Courbes du plan
                • 32 Proprieacuteteacutes meacutetriques des courbes
                    • Chapitre 213Physique
                      • 0 Eacuteleacutements de matheacutematiques
                        • 01 Diffeacuterentielles
                        • 02 Eacutequations diffeacuterentielles
                        • 03 Coniques
                          • 1 Eacutelectronique
                            • 11 Lois geacuteneacuterales
                            • 12 Reacutegime variable
                            • 13 Montages avec amplificateur opeacuterationnel
                              • 2 Thermodynamique
                                • 21 Gaz parfait
                                • 22 Premier et second principes de la thermodynamique
                                • 23 Changements de phase drsquoun corps pur
                                • 24 Machines thermiques
                                • 25 Diffusion thermique
                                • 26 Rayonnement thermique
                                  • 3 Meacutecanique du point
                                    • 31 Cineacutematique
                                    • 32 Changement de reacutefeacuterentiel
                                    • 33 Lois geacuteneacuterales de la meacutecanique
                                    • 34 Oscillateurs
                                    • 35 Mouvement drsquoune particule chargeacutee
                                    • 36 Systegravemes de deux points mateacuteriels
                                      • 4 Meacutecanique du solide
                                        • 41 Cineacutematique du solide
                                        • 42 Theacuteoregravemes geacuteneacuteraux de la dynamique
                                        • 43 Contacts entre les solides
                                          • 5 Optique
                                            • 51 Geacuteneacuteraliteacutes
                                            • 52 Optique geacuteomeacutetrique
                                            • 53 Interfeacuterences lumineuses
                                            • 54 Interfeacuteromegravetre de Michelson
                                            • 55 Autres dispositifs drsquointerfeacuterences
                                            • 56 Diffraction des ondes lumineuses
                                              • 6 Eacutelectromagneacutetisme
                                                • 61 Eacutelectrostatique
                                                • 62 Magneacutetostatique
                                                • 63 Eacutequations de Maxwell dans le vide
                                                • 64 Conduction meacutetallique
                                                • 65 Induction dans un circuit fixe avec B variable
                                                • 66 Induction dans un circuit mobile soumis agrave B stationnaire
                                                • 67 Mateacuteriaux magneacutetiques
                                                  • 7 Ondes
                                                    • 71 Oscillateurs coupleacutes
                                                    • 72 Eacutequation de drsquoAlembert - Ondes stationnaires
                                                    • 73 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans le vide
                                                    • 74 Dispersion ndash Absorption
                                                    • 75 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans les milieux mateacuteriels
                                                        • Chapitre 3 Chimie
                                                          • 1 Atomistique
                                                            • 11 Spectroscopie
                                                            • 12 Modegravele ondulatoire
                                                            • 13 Atome polyeacutelectronique
                                                            • 14 Architecture moleacuteculaire
                                                            • 15 Orbitales moleacuteculaires
                                                              • 2 Cineacutetique
                                                              • 3 Cristallographie
                                                                • 31 Geacuteneacuteraliteacutes
                                                                • 32 Mailles et sites dans les cristaux meacutetalliques
                                                                • 33 Cristaux ioniques
                                                                  • 4 Thermodynamique
                                                                    • 41 Fonctions drsquoeacutetat
                                                                    • 42 Potentiel chimique
                                                                    • 43 Grandeurs standards de reacuteaction
                                                                    • 44 Eacutequilibres chimiques
                                                                    • 45 Eacutequilibres liquidendashvapeur
                                                                    • 46 Reacuteactions drsquooxydoreacuteduction
                                                                      • 5 Mateacuteriaux meacutetalliques
                                                                        • 51 Diagrammes drsquoEllingham
                                                                        • 52 Diagrammes potentiel-pH
                                                                        • 53 Courbes intensiteacutendashpotentiel
                                                                        • 54 Corrosion
                                                                            • Annexe A13Primitives usuelles
                                                                            • Annexe B13Deacuteveloppements limiteacutes
                                                                            • Annexe C Formules13trigonomeacutetriques
                                                                              • 1 Angles remarquables
                                                                              • 2 Relations trigonomeacutetriques
                                                                                • Annexe D13Opeacuterateurs vectoriels
                                                                                  • 1 Notations
                                                                                  • 2 Gradient
                                                                                  • 3 Divergence
                                                                                  • 4 Rotationnel
                                                                                  • 5 Laplacien13
                                                                                  • 6 Relations entre les opeacuterateurs
                                                                                  • 7 Theacuteoregravemes geacuteomeacutetriques
                                                                                    • Annexe E Uniteacutes et constantes13fondamentales
                                                                                      • 1 Uniteacutes du Systegraveme International
                                                                                        • 11 Uniteacutes principales du systegraveme international
                                                                                        • 12 Uniteacutes secondaires du systegraveme international
                                                                                        • 13 Uniteacutes courantes du systegraveme international
                                                                                        • 14 Multiples deacutecimaux pour les uniteacutes
                                                                                          • 2 Constantes fondamentales
                                                                                          • 3 Ordres de grandeurs
                                                                                            • Annexe F13Constantes chimiques
                                                                                            • Annexe G13Tableau peacuteriodique
                                                                                              • Index
Page 3: 4 Le formuLaire mpsi, mp... 6493233 isBn 978-2-10-051941-5 lionel porcheron ingenieur de l’enseeiht à toulouse. • Toutes les formules et définitions du pro-gramme de mpsi et

9782100519415_lim_P01-04 Page II Mardi 5 aoucirct 2008 314 15

LE FORMULAIREMPSI MP

1 500 formules de matheacutematiquesphysique et chimie

4e eacutedition

Lionel PorcheronIngeacutenieur de lrsquoENSEEIHT agrave Toulouse

9782100519415_lim_P01-04 Page III Mardi 5 aoucirct 2008 314 15

copy Dunod Paris 2000 2003 2004 2008

9782100519415_lim_P01-04 Page IV Mardi 5 aoucirct 2008 314 15

ISBN 978-2-10-053787-7

Chapitre 0 mformulairetex 2772008 2251Page V

Table des matiegraveres

Avant-propos IX

Chapitre 1 Matheacutematiques 11 Algegravebre 1

11 Relations 112 Structures algeacutebriques 213 Nombres entiers nombres rationnels 514 Arithmeacutetique dans Z 715 Polynocircmes et fractions rationnelles 816 Geacuteneacuteraliteacutes sur les applications 1117 Applications lineacuteaires ndash Espaces vectoriels 1218 Matrices ndash Deacuteterminants ndash Systegravemes lineacuteaires 1719 Espaces vectoriels euclidiens 22110 Reacuteduction des endomorphismes 26

2 Analyse 2721 Espaces vectoriels normeacutes 2722 Nombres reacuteels 3123 Nombres complexes 3224 Suites 3425 Fonctions reacuteelles de la variable reacuteelle 3526 Deacuterivation 3827 Inteacutegration 4128 Eacutequations diffeacuterentielles 4429 Seacuteries 47210 Seacuteries entiegraveres 51211 Suites et seacuteries drsquoapplications 52

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Chapitre 0 mformulairetex 2772008 2251Page VI

VI Table des matiegraveres

212 Seacuteries de Fourier 57213 Fonctions de plusieurs variables 58

3 Geacuteomeacutetrie 5931 Courbes du plan 5932 Proprieacuteteacutes meacutetriques des courbes 64

Chapitre 2 Physique 65

0 Eacuteleacutements de matheacutematiques 6501 Diffeacuterentielles 6502 Eacutequations diffeacuterentielles 6603 Coniques 68

1 Eacutelectronique 6911 Lois geacuteneacuterales 6912 Reacutegime variable 7013 Montages avec amplificateur opeacuterationnel 73

2 Thermodynamique 7621 Gaz parfait 7622 Premier et second principes de la thermodynamique 7723 Changements de phase drsquoun corps pur 8124 Machines thermiques 8325 Diffusion thermique 8526 Rayonnement thermique 86

3 Meacutecanique du point 8831 Cineacutematique 8832 Changement de reacutefeacuterentiel 9033 Lois geacuteneacuterales de la meacutecanique 9134 Oscillateurs 9535 Mouvement drsquoune particule chargeacutee 9836 Systegravemes de deux points mateacuteriels 99

4 Meacutecanique du solide 10141 Cineacutematique du solide 10142 Theacuteoregravemes geacuteneacuteraux de la dynamique 10343 Contacts entre les solides 104

5 Optique 10551 Geacuteneacuteraliteacutes 10552 Optique geacuteomeacutetrique 10653 Interfeacuterences lumineuses 10954 Interfeacuteromegravetre de Michelson 11255 Autres dispositifs drsquointerfeacuterences 11556 Diffraction des ondes lumineuses 116

Chapitre 0 mformulairetex 2772008 2251Page VII

Table des matiegraveres VII

6 Eacutelectromagneacutetisme 11861 Eacutelectrostatique 11862 Magneacutetostatique 12163 Eacutequations de Maxwell dans le vide 12364 Conduction meacutetallique 12565 Induction dans un circuit fixe avec BBB variable 12666 Induction dans un circuit mobile soumis agrave BBB stationnaire 12867 Mateacuteriaux magneacutetiques 129

7 Ondes 13171 Oscillateurs coupleacutes 13172 Eacutequation de drsquoAlembert - Ondes stationnaires 13273 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans le vide 13474 Dispersion ndash Absorption 13775 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans les milieux mateacuteriels 138

Chapitre 3 Chimie 1411 Atomistique 141

11 Spectroscopie 14112 Modegravele ondulatoire 14213 Atome polyeacutelectronique 14314 Architecture moleacuteculaire 14515 Orbitales moleacuteculaires 147

2 Cineacutetique 148

3 Cristallographie 15031 Geacuteneacuteraliteacutes 15032 Mailles et sites dans les cristaux meacutetalliques 15033 Cristaux ioniques 152

4 Thermodynamique 15341 Fonctions drsquoeacutetat 15342 Potentiel chimique 15443 Grandeurs standards de reacuteaction 15544 Eacutequilibres chimiques 15745 Eacutequilibres liquidendashvapeur 16046 Reacuteactions drsquooxydoreacuteduction 163

5 Mateacuteriaux meacutetalliques 16551 Diagrammes drsquoEllingham 16552 Diagrammes potentiel-pH 16653 Courbes intensiteacutendashpotentiel 16854 Corrosion 170

Annexe A Primitives usuelles 173

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VIII Table des matiegraveres

Annexe B Deacuteveloppements limiteacutes 175

Annexe C Formules trigonomeacutetriques 1771 Angles remarquables 177

2 Relations trigonomeacutetriques 178

Annexe D Opeacuterateurs vectoriels 1811 Notations 181

2 Gradient 182

3 Divergence 183

4 Rotationnel 183

5 Laplacien 184

6 Relations entre les opeacuterateurs 185

7 Theacuteoregravemes geacuteomeacutetriques 186

Annexe E Uniteacutes et constantes fondamentales 1871 Uniteacutes du Systegraveme International 187

11 Uniteacutes principales du systegraveme international 18712 Uniteacutes secondaires du systegraveme international 18813 Uniteacutes courantes du systegraveme international 18814 Multiples deacutecimaux pour les uniteacutes 188

2 Constantes fondamentales 189

3 Ordres de grandeurs 189

Annexe F Constantes chimiques 191

Annexe G Tableau peacuteriodique 193

Index 197

Chapitre 0 mformulairetex 2772008 2251Page IX

Avant-propos

La quatriegraveme eacutedition de ce formulaire rassemble les principaux reacutesultats descours de matheacutematiques de physique et de chimie eacutetablis tout au long desdeux anneacutees de classes preacuteparatoires dans la filiegravere MP Cette nouvelle eacutedi-tion srsquoameacuteliore encore un peu avec lrsquoapparition de la couleur Ce formulairesrsquoaveacuterera fort utile aussi bien pendant votre laquo preacutepa raquo que lorsque la peacuteriodefatidique des concours approchera

Il a eacuteteacute scindeacute en trois parties les parties relatives aux matheacutematiques agravela physique et agrave la chimie chacune drsquoentre elles rassemblant les principauxreacutesultats eacutetablis en cours pour chacune des filiegraveres auxquelles srsquoadresse cetouvrage Agrave la fin de lrsquoouvrage figurent en annexes les donneacutees qui ne sontpas neacutecessairement agrave connaicirctre mais qui sont neacuteanmoins fort utiles au quo-tidien

Un effort tout particulier a eacuteteacute fait pour rendre ces formules les plus laquo li-sibles raquo possible en deacutetaillant la signification de chaque symbole et en preacute-cisant bien agrave chaque fois les conditions drsquoapplication de ces formules Sou-lignons tout de mecircme que lrsquoapprentissage de ces formules ne se substituepas agrave lrsquoapprentissage du cours

Merci agrave tous ceux qui ont accepteacute de collaborer agrave cet ouvrage et en particu-lier agrave Pascal OLIVE et Jean-Marie MONIER pour leur consciencieuse relec-ture respective des parties physique et matheacutematiques agrave Bruno COURTETpour avoir parfaitement assureacute le suivi de ce nouveau venu dans la collec-tion laquo Jrsquointegravegre raquo

Lionel PORCHERONlionelporcheronfreefr

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 1

Chapitre 1Matheacutematiques

1 Algegravebre

11 Relations

Proprieacuteteacutes drsquoune relation binaireSoitR une relation binaire dans E elle est dite reacuteflexive si et seulement si forallx isin E xRx

symeacutetrique si et seulement si forall(x y) isin E2 xRy =rArr yRx

antisymeacutetrique si et seulement si forall(x y) isin E2 xRyyRx

=rArr x = y

transitive si et seulement si forall(x y z) isin E3 xRyyRz

=rArr xRz

Relation drsquoordre

Une relation binaireR de E est dite relation drsquoordre si et seulement siR est reacuteflexive antisymeacutetrique et transitive

Relation drsquoeacutequivalence

Une relation binaireR de E est une relation drsquoeacutequivalence si et seule-ment siR est reacuteflexive symeacutetrique et transitive

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2 [1] Matheacutematiques

Classe drsquoeacutequivalence

SoitR une relation drsquoeacutequivalence dans E pour x isin E on appelle classedrsquoeacutequivalence de x (moduloR) lrsquoensemble deacutefini par

clR(x) = y isin E xRy

Ensemble-quotient

On appelle ensemble-quotient de E parR et on note ER lrsquoensembledes classes drsquoeacutequivalence moduloR

ER = clR x isin E

12 Structures algeacutebriques

Lois de compositions

On appelle loi interne toute application de Etimes Erarr E

Un loi lowast est dite associative si et seulement si forall(x y z) isin E3 x lowast (y lowast z) = (x lowast y) lowast z

Une loi lowast interne est dite commutative si et seulement si

forall(x y) isin E2 x lowast y = y lowast xOn dit que e est un eacuteleacutement neutre pour lowast si et seulement si

forallx isin E x lowast e = e lowast x = xOn appelle symeacutetrique de x isin E un eacutelement de E noteacute xminus1 veacuterifiant

xminus1 lowast x = x lowast xminus1 = eOn dit que rHE est stable par lowast si et seulement si

forall(x y) isin H2 x lowast y isin H

Groupe

Un ensemble muni drsquoune loi interne (G middot) est un groupe si et seule-ment si ndash middot est associative ndash middot admet un eacuteleacutement neutre e ndash tout eacuteleacutement de G admet un symeacutetrique pour la loi middotSi la loi middot est commutative on dit que le groupe G est abeacutelien ou com-mutatif

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 3

1 Algegravebre 3

Sous-groupe

Soit (G middot) un groupe Une partie H de G est un sous groupe de G si etseulement si ndash H est stable par la loi middot ndash H contient lrsquoeacuteleacutement neutre ndash forallx isin H xminus1 isin H

Groupe commutatif

ndash (ZnZ+) est un groupe commutatifndash lrsquoapplication pn Zrarr (ZnZ)

x 7rarr x mod n appeleacutee surjection canonique est

un morphisme surjectif de groupes

Geacuteneacuterateurs du groupe

Les geacuteneacuterateurs du groupe (ZnZ+) sont les k avec k isin Z et k and n =1

Groupe monogegravene ndash Groupe cyclique

ndash Un groupe G est dit monogegravene si et seulement srsquoil admet un geacuteneacutera-teur crsquoest-agrave-dire si et seulement srsquoil existe a isin G tel que G =lt a gtndash Un groupe G est dit cyclique si et seulement si G est monogegravene etfini

Anneau

Un ensemble A muni de deux lois internes noteacutees + et middot est un anneausi et seulement si ndash (A+) est un groupe commutatif drsquoeacuteleacutement neutre 0A ndash middot est associative et admet un eacuteleacutement neutre 1A ndash middot est distributive par rapport agrave + crsquoest-agrave-dire

forall(x y z) isin A3 x middot (y + z) = (x middot y) + (x middot z) (x + y) middot z = (x middot z) + (y middot z)

Si middot est commutative on dit que lrsquoanneau A est commutatifc copyDuno

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4 [1] Matheacutematiques

Anneau integravegre

On dit qursquoun anneau (A+ middot) est integravegre si et seulement si A est com-mutatif et

forall(x y) isin A2 (x middot y = 0A)rArr (x = 0A ou y = 0A)

Sous-anneau

Soit (A+ middot) un anneau B une partie de A est un sous-anneau si etseulement si ndash (B+) est un sous groupe de (A+) ndash B est stable par middot ndash 1A isin B

Ideacuteal drsquoun anneau commutatif

I est dit un ideacuteal de A anneau commutatif avec I sub A si et seulementsrsquoil veacuterifie les proprieacuteteacutes

I 6= emptyforall(x y) isin I2 x + y isin Iforalla isin A forallx isin I ax isin I

Corps

Un ensemble (K+middot)muni de deux lois internes est un corps si et seule-ment si ndash (K+ middot) est un anneau commutatif ndash Tout eacuteleacutement de K0K est inversible par la loi middot

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 5

1 Algegravebre 5

Espace vectorielUn ensemble E est dit un K-espace vectoriel si E est non vide et sion dispose de deux lois une loi interne noteacutee + et drsquoune loi externe(Ktimes Erarr E) veacuterifiant (E+) est un groupe abeacutelien1 forall(λmicro) isin K2 forallx isin E (λ + micro)x = λx + microx

2 forallλ isin K forall(x y) isin E2 λ(x + y) = λx + λy

3 forall(λmicro) isin K2 forallx isin E λ(microx) = (λmicro)x4 forallx isin E 1x = x

AlgegravebreOn appelle K-algegravebre tout ensemble A muni drsquoune loi interne noteacutee +drsquoune loi externe Ktimes Ararr A et drsquoune loi interne noteacutee lowast veacuterifiant 1 (A+ middot) est un K-espace vectoriel2 lowast est distributive par rapport agrave +3 forallλ isin K forall(x y) isin A2 λ(x lowast y) = (λx) lowast y = x lowast (λy)Cette algegravebre est associative si et seulement si lowast est associative com-mutiative si et seulement si lowast est commutative unitaire si et seulementsi A admet un eacutelement neutre pour lowast

13 Nombres entiers nombres rationnels

Factorielle ndash Deacutefinition

n =n

prodk=1

k n factorielle nPar convention 0 = 1

Permutations

cardS(n) = nn factorielle n nombre de per-mutations drsquoun ensemble agrave n eacuteleacute-ments

Arrangements

Apn =

n(nminus p)

(n p) isin N2 avec p 6 n

On note Apn le nombre drsquoarrange-

ments de p eacuteleacutements agrave partir drsquounensemble de n eacuteleacutements (crsquoest-agrave-dire le nombre de p-uplets com-poseacutes drsquoeacuteleacutements deux agrave deux dis-tincts)

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6 [1] Matheacutematiques

Combinaisons

Cpn =

np(nminus p)

(n p) isin N2 avec p 6 nOn appelle combinaison (noteacuteeCpn) toute partie de cardinal p drsquoun

ensemble agrave n eacuteleacutements

Combinaisons ndash Proprieacuteteacutes

Cpn = C

nminuspn forall(n p) isin NtimesN

Cpn + C

p+1n = C

p+1n+1 forall(n p) isin NtimesZ

Binocircme de Newton

(x + y)n =n

sumk=0

Cknx

kynminuskn isin N(x y) isin A2 et xy = yx avec A unanneau commutatif

Divisibiliteacute

Soit (a b) isin Z2 on dit que a divise b si et seulement si il existe c isin Ztel que b = ac

Division euclidienne

forall(a b) isin ZtimesNlowast exist(q r) isin Z2 tel que a = bq + r et 0 6 r lt b

Q est archimeacutedien

forallε isin Qlowast+ forallA isin Qlowast+ existN isin Nlowast Nε gt A

Q est dense

x lt y =rArr (existz isin Qx lt z lt y) forall(x y) isin Q2

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 7

1 Algegravebre 7

14 Arithmeacutetique dans Z

Plus Grand Commun Diviseur (PGCD)Soit (x1 xn) isin Zn une famille drsquoentiers relatifs non tous nuls la fa-mille des diviseurs communs agrave tous les (xi)iisin[1n] admet un plus grandeacuteleacutement appeleacute plus grand commun diviseur

Plus Petit Commun Multiple (PPCM)Soit (x1 xn) isin Nn la famille des multiples communs non nulsaux (xi)iisin[1n] admet un plus petit eacuteleacutement appeleacute plus petit communmultiple

Nombres premiers entre euxSoient (x1 xn) isin (Zlowast)n ces nombres sont premiers entre eux si etseulement si ils veacuterifient la proprieacuteteacute pgcd(x1 xn) = 1

Theacuteoregraveme de BezoutSoient (x1 xn) isin (Zlowast)n pour que tous ces entiers soient premiersentre eux il faut et il suffit qursquoil existe (u1 un) isin Zn tel quen

sumi=1

xiui = 1

Theacuteoregraveme de Gauss

a|bcpgcd(a b) = 1 =rArr a|c forall(a b c) isin (Zlowast)3

Produit du PGCD par le PPCM

pgcd(a b) middot ppcm(a b) = |a middot b| forall(a b) isin (Zlowast)2

Nombres premiersOn dit qursquoun entier p isin N est premier si et seulement si p gt 2 et srsquoilveacuterifie

foralla isin Nlowast (a|p =rArr (a = 1 ou a = p))

Deacutecomposition en nombres premiersTout entier n isin N 0 1 admet une deacutecomposition unique en un pro-duit de nombres premiers agrave lrsquoordre pregraves des facteurs

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8 [1] Matheacutematiques

15 Polynocircmes et fractions rationnelles

Support drsquoune suite ndash Deacutefinition drsquoun polynocircme

Pour toute suite (an)nisinN de KN on apelle support lrsquoensemble des n isinN tels que an 6= 0

On appelle polynocircme agrave une indeacutetermineacutee agrave coefficients constantstoute suite de KN agrave support fini

Polynocircme agrave une indeacutetermineacutee

On note K[X] le corps des polynocircmes agrave une indeacutetermineacutee X agrave valeursdans K Tout eacuteleacutement P de K[X] peut srsquoeacutecrire sur la base canonique(Xn)nisinN sous la forme P = sum

nanX

n

Degreacute drsquoun polynocircme ndash Deacutefinition

deg P = max n isin Nan 6= 0 deg P degreacute du polynocircme P

Degreacute drsquoun polynocircme ndash Proprieacuteteacutes

deg(P + Q) 6 max(deg P degQ)

(PQ) isin K[X]

Lorsque deg P 6= degQ alors deg(P+Q)=max(deg P+degQ)

deg(PQ) = deg P + degQ

Produit

PQ = sumncnX

n

cn =n

sump=0

apbnminusp

P = sumnanX

n isin K[X]

Q = sumnbnX

n isin K[X]

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 9

1 Algegravebre 9

Composition

P Q = P(Q) = sumnanQ

nP Q polynocircme composeacuteP = sum

nanX

n isin K[X]

Q isin K[X]

Deacuterivation

Pprime = sumngt1

nanXnminus1 P = sum

nanX

n isin K[X]

Pprime polynocircme deacuteriveacute de P

Division euclidienne

forall(A B) isin (K[X])2 exist(Q R) isin (K[X])2A = BQ + R avec deg R ltdeg BQ quotient de la division euclidienne de A par BR reste de la division euclidienne de A par B

Divisibiliteacute dans K[X]

On dit que A divise P deux polynocircmes de K[X] si et seulement srsquoilexiste Q isin K[X] tel que P = AQOn appelle plus grand commun diviseur de (Pk)kisin[1n] isin (K[X] 0)le polynocircme de plus haut degreacute parmi les diviseurs des PkSoient (PQ) isin (K[X])2 ils sont dits premiers entre eux si et seulementsi leur plus grand commun diviseur est 1

Proprieacuteteacute de Gauss Soient A B et C trois polynocircmes non nuls deK[X] si A divise BC et si A et B sont premiers entre eux alors A diviseCSi A est premier avec B et avec C alors A est premier avec BC

Eacutegaliteacute de Bezout pour deux polynocircmesSoient A et B deux polynocircmes non nuls de K[X] Ces deux polynocircmessont premiers entre eux si et seulement si il existe un unique couple(UV) de polynocircmes de K[X] tels que

AU + BV = 1

Polynocircme irreacuteductibleUn polynocircme P isin K[X] est dit irreacuteductible si et seulement si deg P gt 1et si P nrsquoadmet comme diviseurs que les eacuteleacutements non nuls du corps Ket les multiples de lui-mecircmec copyDuno

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10 [1] Matheacutematiques

Fonction polynomiale

Agrave tout polynocircme P = sumnanX

n on associe la fonction polynomiale

P ξ 7rarrsumnanξ

n

Racine drsquoun polynocircme

P(α) = 0α est appeleacutee racine du polynocircmeP isin K[X] si elle veacuterifie la proprieacuteteacuteci-contre

Soit (α)iisinI famille des racines deux agrave deux distinctes du polynocircme PCe polynocircme peut alors srsquoexprimer sous la forme P = Qprod

iisinI(xminus αi)

mi

ougrave mi est la multipliciteacute de la racine αi et Q un polynocircme nrsquoayant pasde zeacutero dans K

Multipliciteacute drsquoune racine drsquoun polynocircme

P(mminus1)(α) = 0

P(m)(α) 6= 0

α est une racine P de multipli-citeacute m si elle veacuterifie la proprieacuteteacute ci-contre

Polynocircme scindeacuteUn polynocircme P isin K[X] est dit scindeacute sur K si et seulement si il existeλ isin K 0 et une famille drsquoeacuteleacutements non neacutecessairement distincts(xi)iisin[1n] tels que

P = λn

prodi=1

(Xminus xi)

Theacuteoregraveme de drsquoAlembert amp ConseacutequenceLe corps C est algeacutebriquement clos tout polynocircme non constant deK[X] admet au moins un zeacutero dans CConseacutequence Tout polynocircme non constant est scindeacute sur C

Fraction rationnelle ndash Deacutefinition

R =sumnanX

n

sumnbnX

n

R isin K(X) fraction rationnelleK(X) corps des fractions ration-nelles(an bn) isin K2 coefficients

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 11

1 Algegravebre 11

Zeacuteros et pocircles drsquoune fraction rationnelle

Soit R =P

Qisin K(X) avec (PQ) isin K[X]2 une fraction rationnelle

Si P et Q sont deux polynocircmes premiers entre eux - on appelle zeacuteros de R les zeacuteros de P- on appelle pocircles de R les zeacuteros de Q

Deacutecomposition en eacuteleacutements simples

R =P

Sα11 times middot middot middot times Sαn

n

R = E +n

sumi=1

αi

sumj=1

Cαi j

Sji

R isin K(X) une fraction ration-nelleSαi

i isin K[X] polynocircme irreacuteduc-tibles premiers deux agrave deux entreeuxforalliαi isin NlowastE isin K[X] partie entiegravere de R

16 Geacuteneacuteraliteacutes sur les applications

Application injective

forall(x y) isin E2

( f (x) = f (y) =rArr x = y)

Une application f est dite injec-tive si et seulement si elle veacuterifiela proprieacuteteacute ci-contre

Application surjective

forally isin F existx isin E f (x) = y

Une application lineacuteaire f de Edans F est dite surjective si etseulement si elle veacuterifie la pro-prieacuteteacute ci-contre

Composition de fonctions injectives de fonctions surjectives

g f injective rArr f injectiveg f surjective rArr g surjective f et g deux applicationsc copy

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 12

12 [1] Matheacutematiques

17 Applications lineacuteaires ndash Espaces vectoriels

Espace vectoriel ndash DeacutefinitionSoit E un ensemble muni drsquoune loi interne noteacutee + drsquoune loi externeKtimes Erarr E noteacutee middot telles que (E+) est un groupe abeacutelienforallλ isin K forall(x y) isin E2 λ(x + y) = λx + λyforall(λmicro) isin K2 forallx isin E (λ + micro)x = λx + microxforall(λmicro) isin K2 forallx isin E λ(microx) = (λmicro)xforallx isin E 1x = xUn tel ensemble est appeleacute K-espace vectoriel

Sous-espace vectorielSoit E un K-espace vectoriel et F sub E F est dit sous-espace vectorielde E si et seulement si il veacuterifie les proprieacuteteacutes suivantes (1) F 6= empty(2) forall(x y) isin F2 x + y isin F(3) forallλ isin K forallx isin F λx isin F

Sous-espace engendreacute par une partie

Vect(A) =⋂

FsubEFsupA

F

E K-espace vectorielA sub EVect(A) sous-espace vectorielengendreacute par AAutrement dit Vect(A)est le pluspetit sous-espace vectoriel de Econtenant A ou si A 6= empty lrsquoen-semble des combinaisons lineacuteairesdes eacuteleacutements de E

Somme directe de sous-espaces vectoriels

E = sumiisinI

Ei

forall(i j) isin I2 Ei capsumj 6=i

E j = 0

(Ei)iisinI famille de sous-espacesvectoriels drsquoun espace vectoriel ESi la somme des Ei veacuterifie les deuxproprieacuteteacutes ci-contre elle est ditedirecteDans ce cas forallx isin E il existe uneunique deacutecomposition x = sum

iisinIxi

avec xi isin Ei

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 13

1 Algegravebre 13

Sous-espaces vectoriels suppleacutementaires

E =oplus

iisinIEi

(Ei)iisinI famille de sous-espacesvectoriels drsquoun espace vectoriel EIls sont dits suppleacutementaires si etseulement srsquoils sont en somme di-recte et que leur somme est eacutegale agraveE

Famille geacuteneacuteratriceSoit (xi)iisinI une famille de vecteurs drsquoun espace vectoriel de E sur KOn dit que cette famille est geacuteneacuteratrice si et seulement si tout eacuteleacutementx de E peut srsquoexprimer comme combinaison lineacuteaire des xi crsquoest-agrave-direqursquoil existe une famille (λi)iisinI telle que x = sum

iisinIλixi

Famille libre

sumiisinI

λixi = 0 =rArr foralli isin I λi = 0(xi)iisinI famille de vecteurs de E(λi)iisinI famille de scalaires de KUne famille est libre si elle veacuterifiela proprieacuteteacute ci-contre

Proprieacuteteacutes fondamentales des famillesndash Toute sur-famille drsquoune famille geacuteneacuteratrice drsquoune famille geacuteneacuteratriceest geacuteneacuteratricendash Toute sous famille drsquoune famille libre est une famille libre

ndash Si (x1 xn) libre et (x1 xn xn+1) lieacutee alors xn+1 =n

sumi=1

λixi

ndash Une famille comportant le vecteur nul est lieacutee

Base drsquoun espace vectoriel ndash DeacutefinitionUne base de E est une famille de vecteurs (xi)iisinI de E libre et geacuteneacutera-triceAutres formulations une base est une famille libre maximale ou en-core une famille geacuteneacuteratrice minimale

Theacuteorie de la dimensionUn K-espace vectoriel est dit de dimension finie si et seulement si Eadmet au moins une famille geacuteneacuteratrice de dimension finieSoit E un K-espace vectoriel de dimension finie alors 1 E admet au moins une base de dimension finie2 Toutes les bases de E sont finies et ont le mecircme cardinal appeleacute di-mension de E et noteacute dim E

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 14

14 [1] Matheacutematiques

Theacuteoregraveme de la base incomplegraveteSoit E un K-espace vectoriel de dimension n et F = (x1 xr)unefamille libre de E Il y a au moins une faccedilon de compleacuteter F par nminus rvecteurs drsquoune base de E pour obtenir une base de E

Base duale deacutefinition

elowasti (e j) = δi j =

1 si i = j0 si i 6= j

E K-espace-vectorielElowast dual de EB = (e1 en) une base de EBlowast = (elowast1 e

lowastn) base de Elowast

Blowast est appeleacute base duale de BProprieacuteteacutes des familles libres et des familles geacuteneacuteratrices

Soient E un K-espace vectoriel de dimension nndash Toute famille libre de E comporte au plus n eacuteleacutementsndash Toute famille geacuteneacuteratrice de E comporte au moins n eacuteleacutements

Droite vectorielle ndash HyperplanOn appelle droit vectorielle tout sous-espace vectoriel de dimension 1On appelle hyperplan tout sous-espace vectoriel de dimension nminus 1drsquoun espace vectoriel de dimension n

CodimensionSoit F un sous-espace vectoriel de E il est dit de codimension finiesi et seulement si F admet au moins un suppleacutementaire de dimensionfinie dans E

Application lineacuteaire ndash Deacutefinition

forall(x y) isin E2 forallλ isin K

f (x + λy) = f (x) + λ f (y)

On dit que f est une application li-neacuteaire de E dans F si et seulementsi elle veacuterifie la proprieacuteteacute ci-contre

Forme lineacuteaire ndash DeacutefinitionOn appelle forme lineacuteaire une application lineacuteaire qui va de E dans lecorps de reacutefeacuterence K

Applications lineacuteaires et famille de vecteursforall f isin L(E F) et pour toute famille finie F drsquoeacuteleacutements de E ndash f (Vect(F )) = Vect( f (F ))ndash si F est lieacutee alors f (F ) est lieacutee

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 15

1 Algegravebre 15

ndash si f (F ) est libre alors F est librendash si f est bijective pour toute base B de E f (B) est une base de F

Image et noyau drsquoune application lineacuteaire ndash Deacutefinition

Im f = y isin Fexistx isin E f (x) = yOn appelle image de f le sous-espace vectoriel de F noteacute Im f deacute-fini ci-contre

Ker f = x isin E f (x) = 0On appelle noyau de f le sous-espace vectoriel de E noteacute Ker fdeacutefini ci-contre

Noyau drsquoune forme lineacuteaire

Le noyau drsquoune forme lineacuteaire autre que la forme nulle est un hyper-plan

Rang drsquoune application lineacuteaire ndash Deacutefinition

Soient E et F deux espaces vectoriels sur K et f une application lineacuteairede E dans F Si Im f est de dimension finie dim Im f srsquoappelle rangde f et se note rg f

Formule du rang

dim E = rg f + dim(Ker f )

E espace vectoriel de dimensionfinief application lineacuteairerg f rang de fKer f noyau de f

Isomorphisme ndash Endomorphisme ndash Automorphisme

ndash Un isomorphisme drsquoespaces vectoriels est une application lineacuteairede E dans F bijective

ndash Un endomorphisme de E est une application lineacuteaire de E dans E

ndash Un automorphisme est un endomorphisme bijectif On note GL(E)lrsquoensemble des automorphismes de E

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 16

16 [1] Matheacutematiques

Endomorphisme nilpotentOn dit qursquoun endomorphisme f drsquoun K-espace-vectoriel E est nil-potent si et seulement si existp isin Nlowast tel que f p = 0 Lrsquoordre de nilpotenceest alors le plus petit p isin Nlowast tel que f p = 0

Applications lineacuteaires ndash Cas de la dimension finie

(1) f isomorphisme(2) f injective(3) f surjective(4) rg f = n

E et F deux espaces vectoriels demecircme dimension n sur Kf isin L(E F)Les propositions ci-contre sontdeux agrave deux eacutequivalentes

(1) f automorphisme(2) f injective(3) f surjective(4) rg f = n

E espace vectoriel de dimensionn sur Kf isin L(E)Les propositions ci-contre sontdeux agrave deux eacutequivalentes

Image et noyau drsquoune application lineacuteaire ndash Proprieacuteteacutes

f surjective lArrrArr Im f = Ff injective lArrrArr Ker f = 0 f application lineacuteaire de E dans F

Projecteur ndash Deacutefinition

p2 = p (1)

Un projecteur est une applicationlineacuteaire veacuterifiant la relation (1)p est alors le projecteur sur Im pparallegravelement agrave Ker p

Symeacutetrie ndash Deacutefinition

s2 = IdE

Une symeacutetrie est une applicationlineacuteaire veacuterifiant la relation ci-contre

p = 12 (s + IdE) est un projecteur

s est la symeacutetrie par rapportagrave Ker(s minus IdE) parallegravelement agraveKer(s + IdE)

Une symeacutetrie est une applicationlineacuteaire veacuterifiant les proprieacuteteacutes ci-contre

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 17

1 Algegravebre 17

Formule de Grassman

dim(A + B) = dim A + dim B minus dim(A cap B) ougrave A et B sont deuxsous-espaces vectoriels de E de dimensions finies

18 Matrices ndash Deacuteterminants ndash Systegravemes lineacuteaires

Ensemble des matrices

On noteMmn(K) lrsquoensemble des matrices agrave m lignes et n colonnes

Matrices et applications lineacuteaires

f (e j) =m

sumi=1

ai j fi

f application lineacuteaire de E dans Fdeux espaces vectoriels de dimen-sion finieM = (ai j)iisin[1m] jisin[1n] matrice as-socieacutee agrave lrsquoapplication lineacuteaire fB = (e j) jisin[1n] base de E

Bprime = ( fi)iisin[1m] base de F

Somme de deux matrices

γi j = αi j + βi j

M = (αi j) isin Mmn(K)

N = (βi j) isin Mmn(K)

M + N = (γi j) isin Mmn(K)

Produit drsquoune matrice par un scalaire

M = λN

(γi j) = (λ middot αi j)

λ isin KM = (αi j) isin Mmn(K)

N = (γi j) isin Mmn(K)

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 18

18 [1] Matheacutematiques

Produit de matrices

β1 jβ2 j

βk j

βp j

αi1αi2 middot middot middotαik middot middot middotαip

γi j

M = (αik) isin Mmp(K)N = (βk j) isin Mpn(K)

MN = (γi j) isin Mmn(K)

γi j =p

sumk=1

αik middot βk j

Proprieacuteteacutes des opeacuterations sur les matrices

(M + N)P = MP + NP (MN) isin (Mmp(K))2 P isinMpn(K)

(microM)(λN) = microλ(MN)

M isin Mmp(K)N isin Mpn(K)

(λmicro)2 isin K2

(MN)P = M(NP)

M isin Mmp(K)N isin Mpn(K)N isin Mnq(K)

Attention En geacuteneacuteral MN 6= NM

Transposeacutee drsquoune matrice

A = (ai j) iisin[1n]

jisin[1p]

tA = (a ji) jisin[1p]iisin[1n]

A isin Mnp(K)tA isin Mpn(K) matrice transpo-seacutee de A

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 19

1 Algegravebre 19

Changement de base

Aprime = Qminus1AP

Aprime matrice drsquoune application li-neacuteaire de E (dans la base base Bprime)vers F (dans la base base C prime)A matrice de la mecircme applicationlineacuteaire de E (dans la base base B)vers F (dans la base base C)P matrice de passage de B agrave BprimeQ matrice de passage de C agrave C primeDans le cas drsquoun endomorphismeQ = P (seulement deux bases sontneacutecessaires)

Exponentielle de matrice

exp(A) =+infin

sumk=0

1kAk

A isin Mn(K)exp(A) exponentielle de la ma-trice A

Deacuteterminant ndash DeacutefinitionUn deacuteterminant est une forme multilineacuteaire alterneacuteeMultilineacuteariteacute (det(α1V1 αnVn) = α1 middot middot middot middot αn det(V1 Vn))Alterneacutee Vi = Vj avec i 6= j =rArr det(V1 Vn) = 0Dans une base B = (e1 en) de E on note detB lrsquoapplication

detB(V1 Vn) = sumσisinSn

ε(σ)aσ(1)1 middot middot middot aσ(n)n

Avec Vj =n

sumi j=1

ai j jei j j

Deacuteterminant drsquoun produit de matrices

det(M middot N) = detM middot detN M isin Mn(K)N isin Mn(K)

Deacuteterminant et matrice inversible

M inversible lArrrArr detM 6= 0c copyDuno

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20 [1] Matheacutematiques

det(Mminus1) = (detM)minus1 M isin Mn(K) inversible

Deacuteterminant de Vandermonde∣∣∣∣∣∣∣

1 x1 x21 middot middot middot xnminus11

1 xn x2n xnminus1n

∣∣∣∣∣∣∣= prod

16 jlti6n

(xi minus x j) (x1 xn) isin Kn

Matrice inversible ndash DeacutefinitionUne matrice M isin Mn(K) est dite inversible srsquoil existe une matrice Ntelle que

M middot N = N middotM = InLa matrice N est alors appeleacutee inverse de M et se note Mminus1

Matrices inversiblesSoit A isin Mn(K) et f un endomorphisme repreacutesenteacute par A dans unebase Les proprieacuteteacutes ci-dessous sont deux agrave deux eacutequivalentes (1) f est bijective(2) A est inversible agrave gauche(3) A est inversible agrave droite(4) A est inversible(5) A est reacuteguliegravere agrave gauche(6) A est reacuteguliegravere agrave droite(7) A est reacuteguliegravere

Matrice des cofacteurs ndash Comatrice

comM = (detMi j)iisin[1n]jisin[1n]

comM comatrice de M (ou ma-trice des cofacteurs)Mi j matrice M laquo priveacutee raquo de sa ie

ligne et de sa je colonne

Matrice inverse

Mminus1 =1

detM

t

com(M)

M isin Mn(K) matrice inversiblecom(M) matrice des cofacteursde M

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1 Algegravebre 21

Systegraveme lineacuteaire ndash Deacutefinition

a11x1 + middot middot middot+ a1pxp = b1

an1x1 + middot middot middot+ anpxp = bn

On peut interpreacuteter ce systegravemecomme le produit de la matriceA = (ai j)iisin[1n] jisin[1p] par le vecteurX = (xi)iisin[1p] (vecteur inconnu)Ce produit est eacutegal au vecteur se-cond membre B = (bi)iisin[1n]

Systegraveme de Cramer

forall j isin [1 p] x j =det A j(b)

det A

Dans le cas drsquoun systegraveme de Cra-mer n = p = rg ALe systegraveme admet alors une so-lution unique donneacutee par les for-mules de Cramer ci-contreA j(b) est obtenue agrave partir de A enremplaccedilant le vecteur colonne c jpar b

Cas ougrave rg A = n lt p

Apregraves permutation des inconnues on peut supposer que la matriceAprime = (ai j)iisin[1n]

jisin[1n]

extraite de A est inversible On eacutetablit alors le systegraveme

suivant

a11x1 + middot middot middot+ a1nxn = b1 minus (a1n+1xn+1 + middot middot middot+ a1pxp)

an1x1 + middot middot middot+ annxn = bn minus (ann+1xn+1 + middot middot middot+ anpxp)

Ce systegraveme est de Cramer et admet donc une solution unique Cetensemble est un sous-espace affine de dimension pminus n

Cas ougrave rg A lt n

Soit on peut se ramener au cas preacuteceacutedent par combinaison lineacuteaire deseacutequations soit le systegraveme nrsquoadmet pas de solutionc copyDuno

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22 [1] Matheacutematiques

19 Espaces vectoriels euclidiens

Produit scalaire ndash Deacutefinition

Un produit scalaire euclidien surE est une application ϕ de E2 dansR veacuterifiant (1) ϕ est bilineacuteaire(2) ϕ est symeacutetrique(3) forallx isin E ϕ(x x) gt 0(4) forallx isin E ϕ(x x) = 0rArr x = 0

ϕ veacuterifiant (3) est dite positiveϕ veacuterifiant (4) est dite deacutefinieϕ veacuterifiant (3) et (4) est ditedeacutefinie-positiveOn note ce produit scalaire (middot|middot)

Forme quadratique

forallx isin E q(x) = ϕ(x x)ϕ une forme bilineacuteaire symeacutetriquesur Etimes Eq E rarr R forme quadratique as-socieacutee agrave ϕ

Matrice associeacutee

MatB(ϕ) = (ϕ(ei e j))iisin[1n]jisin[1n]

MatB(ϕ) matrice de ϕ dans BB base de Eϕ E times E rarr R forme bilineacuteairesymeacutetrique

Expression matricielle

ϕ(x y) =t XAY

ϕ E times E rarr R forme bilineacuteairesymeacutetrique(x y) isin E2

X = MatB(x)Y = MatB(y)

Norme euclidienne ndash Deacutefinition

x2 =radic

(x|x) middot 2 norme euclidienne sur Ex isin E

Ineacutegaliteacute de Cauchy-Schwarz

|(x|y)| 6 x middot y forall(x y) isin E2

Il y a eacutegaliteacute si et seulement si les vecteurs x et y sont lieacutes

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 23

1 Algegravebre 23

Ineacutegaliteacute triangulaire ou de Minkowski

x + y 6 x+ y forall(x y) isin E2

Il y a eacutegaliteacute si et seulement si les vecteurs x et y sont positivement lieacutesou si x = 0

Relations entre produit scalaire et norme

forall(x y) isin E2 1 x + y2 = x2 + 2(x|y) + y22 xminus y2 = x2 minus 2(x|y) + y2

3 (x|y) =12

(x + y2 minus x2 minus y2

)

4 (x|y) =14

(x + y2 minus xminus y2

)

Vecteurs orthogonaux

Soit (x y) isin E2 on dit que ces deux vecteurs sont orthogonaux si etseulement si (x|y) = 0

Parties orthogonales ndash Orthogonal drsquoune partie

forall(x y) isin Atimes B (x|y) = 0

Aperp = x isin Eforally isin A (x|y) = 0

x y deux vecteurs respective-ment de A et de BA B deux parties orthogonalesde EAperp orthogonal de la partie A

Ineacutegaliteacute de Bessel

n

sumj=1|(e j|x)|2 6 x2

E espace vectoriel preacutehilbertienx vecteur de E(e j) jisin[1n] famille orthonormalede E

Projecteur orthogonal

Ker p = (Im p)perp

Im p = (Ker p)perpp projecteur orthogonal sur Im pparallegravelement agrave Ker p

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 24

24 [1] Matheacutematiques

Attention un projecteur orthogonal nrsquoest pas une application ortho-gonale

Diagonalisation drsquoune matrice symeacutetrique

forallS isin Sn(R) exist(ΩD) isin On(R)timesDn(R) S = ΩDΩminus1

Sn(R) ensemble des matrices symeacutetriques de R

On(R) groupe orthogonal

Dn(R) ensemble des matrices diagonales de R

Valeurs propres de matrices symeacutetriques

Les valeurs propres drsquoune matrice S isin Sn(R) sont reacuteelles

Endomorphisme adjoint ndash Deacutefinition

forall f isin L(E) exist f lowast isin L(E) tel que

forall(x y) isin E2 ( f (x)|y) = (x| f lowast(y))

E espace vectoriel euclidienL(E) ensemble des endomor-phismes de Ef endomorphisme de Ef lowast lrsquoadjoint de fx y deux vecteurs de E

Automorphismes orthogonaux symeacutetriques antisymeacutetriques

(1) f lowast = fminus1(2) f lowast = f(3) f lowast = minus f

Un automorphisme f veacuterifiant ndash (1) est dit orthogonalndash (2) est dit symeacutetrique ou auto-adjointndash (3) est dit antisymeacutetrique

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 25

1 Algegravebre 25

Proprieacuteteacutes des adjoints

Ker f lowast = (Im f )perp Im f lowast = (Ker f )perp

(λ f + g)lowast = λ f lowast + glowast

(g f )lowast = f lowast glowast

(IdE)lowast = IdE

( f lowast)lowast = f

( fminus1)lowast = ( f lowast)minus1

Mat f lowast =t Mat f

( f g) isin L(E)2 endomorphismesde E admettant des adjointsf lowast endomorphisme adjoint de E

Aperp orthogonal de A A eacutetant unepartie de E

Deacutefinition et proprieacuteteacutes des automorphismes orthogonaux

(1) forall(x y) isin E2 ( f (x)| f (y)) = (x|y)(2) forallx isin E f (x) = x(3) f isin O(E)

Les proprieacuteteacutes (1) (2) et (3) sonteacutequivalentes(1) traduit la conservation du pro-duit scalaire(2) traduit la conservation de lanorme

O(E) ensemble des automor-phismes orthogonaux de Ef isin L(E)

Caracteacuterisation des automorphismes orthogonaux

tM middotM = In ou M middott M = In

f lowast f = f f lowast = IdE

M matrice orthogonale deMn(K)f automorphisme orthogonal deEIdE application identiteacute de EIn matrice identiteacute deMn(K)c copy

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 26

26 [1] Matheacutematiques

110 Reacuteduction des endomorphismes

Valeur propre ndash Deacutefinition

existx isin E x 6= 0 tel que

f (x) = λx

f isin L(E)λ isin K valeur propre de fAutre formulation f minus λ IdE estnon injectif

Spectre drsquoun endomorphismeSoit f isin L(E) on appelle spectre de f noteacute Sp( f ) lrsquoensemble

Sp( f ) = λ isin K existx isin E 0 f (x) = λxVecteur propre ndash Deacutefinition

x 6= 0 et existλ isin K

f (x) = λx

x isin E vecteur propre de ff isin L(E)(alors λ isinSp( f ))

Sous-espace propre ndash Deacutefinition

SEP( f λ) = Ker( f minus λ IdE)

SEP( f λ) sous-espace propre as-socieacute agrave λf isin L(E)λ isin Sp( f )

Polynocircme caracteacuteristique ndash Deacutefinition

χA(λ) = det(Aminus λIn)

χ f (λ) = det( f minus λIdE)

χA(λ) polynocircme caracteacuteristiquede Aχ f (λ) polynocircme caracteacuteristiquede ff isin L(E)A matrice drsquoordre n associeacutee agrave f

Polynocircme caracteacuteristique ndash Proprieacuteteacutes

ndash Le coefficient dominant est(minus1)nndash Le coefficient de λnminus1 est(minus1)nminus1 tr Andash Le terme constant est det A

A isin Mn(K)χA(λ) polynocircme caracteacuteristiquede Aλ indeacutetermineacutee du polynocircme

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 27

2 Analyse 27

Diagonalisabiliteacute

1 f est diagonalisable2 Il existe une base de E formeacutee devecteurs propres de f 3 La somme des sous-espacespropres pour f est eacutegale agrave E4 La somme des dimensions dessous-espaces propres pour f esteacutegale agrave dim E

Les proprieacuteteacutes ci-contre sont deuxagrave deux eacutequivalentesE espace vectoriel de dimensionfinief isin L(E)

TrigonalisationSoit f isin L(E) les deux proprieacuteteacutes suivantes sont eacutequivalentes 1 f est trigonalisable2 χ f est scindeacute sur K

Drapeau

foralli isin 1 n dim(Ei) = iforalli isin 1 nminus 1 Ei sub Ei+1

E un K-espace-vectoriel(E1 En) famille de sous-espaces vectoriels de En = dim E

Theacuteoregraveme de Cayley - Hamilton

Le polynocircme caracteacuteristique de f annule f crsquoest-agrave-dire forall f isinL(E) χ f = 0

2 Analyse

21 Espaces vectoriels normeacutes

Norme ndash Deacutefinition

On appelle norme sur un K-espace vectoriel E toute application N Erarr R veacuterifiant les trois points suivants 1 forallλ isin K forallx isin EN(λx) = |λ|N(x)2 forallx isin E N(x) = 0 =rArr x = 03 forall(x y) isin E2 N(x + y) 6 N(x) + N(y)

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 28

28 [1] Matheacutematiques

Normes eacutequivalentesDeux normes N1 et N2 sont dites eacutequivalentes si et seulement si il existe(αβ) isin Rlowast+

2 tels que

αN1 6 N2 6 βN1

Distance ndash DeacutefinitionSoit (E middot ) un espace vectoriel normeacute on appelle distance associeacutee agravela norme middot lrsquoapplication d E2 rarr R deacutefinie par d(x y) = xminus yLa distance possegravede les proprieacuteteacutes suivantes 1 forall(x y) isin E2 d(x y) = d(y x)2 forall(x y) isin E2 d(x y) = 0 =rArr x = y3 forall(x y z) isin E3 d(x z) 6 d(x y) + d(y z)4 forall(x y) isin E2 forallλ isin K d(λx λy) = |λ|d(x y)5 forall(x y z) isin E3 d(x + z y + z) = d(x y)

Distance drsquoun point agrave une partieOn appelle distance de x isin E agrave A une partie non vide de E R espacevectoriel le reacuteel deacutefini par

d(x A) = infaisinA

d(x a)

Boule ouverte ndash Deacutefinition

B(a r) = x isin Eaminus x lt r

Boule fermeacutee ndash Deacutefinition

B(a r) = x isin Eaminus x 6 r

Partie ouverte de E

On appelle ouvert de E toute partie X de E veacuterifiant la proprieacuteteacute

forallx isin X existr isin Rlowast+ B(x r) sub X

Partie fermeacutee de E

On appelle fermeacute de E toute partie de E dont le compleacutementaire dansE est un ouvert de E

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 29

2 Analyse 29

Partie borneacutee ndash DeacutefinitionSoit (E middot ) un K-espace vectoriel une partie A de E est dite borneacuteesi et seulement si

existM isin R+ forall(x y) isin A2 d(x y) 6 M

VoisinageSoit a isin E un K-espace vectoriel on dit que V est un voisinage de a siet seulement srsquoil existe r gt 0 tel que B(a r) sub V

Inteacuterieur ndash Frontiegravere ndash AdheacuterenceOn appelle inteacuterieur drsquoune partie A sub E avec E unK-espace vectoriel A=

Ω ouvert de EΩsubA

Ω

On appelle adheacuterence de A (noteacutee A) la partie A =⋂

F fermeacute de EFsupA

F

On appelle frontiegravere de A la partie de A noteacutee partA la partie deacutefinie par

A AValeur drsquoadheacuterence

On dit que a est valeur drsquoadheacuterence de la suite de E (un)nisinN si et seule-ment srsquoil existe une suite extraite de (un)nisinN telle que uσ(n) minusminusminusminusrarrararr+infin

a

Caracteacuterisation de la continuiteacute pour une application lineacuteaireSoit f isin L(E F) ougrave E et F sont deux K-espaces vectoriels alors lesdeux propositions suivantes sont eacutequivalentes (1) f est continue(2) existM isin R+ forallx isin E f (x)F 6 MxE

Partie compacteOn dit que X sub E E eacutetant un K-espace vectoriel est une partie com-pacte de E si et seulement toute suite drsquoeacuteleacutements de X admet au moinsune valeur drsquoadheacuterence dans X

Partie compacte en dimension finieLes parties compactes drsquoun K-espace vectoriel de dimension finie sontles parties fermeacutees borneacutees

Normes en dimension finieToutes les normes sur un K-espace vectoriel de dimension finie sonteacutequivalentes

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 30

30 [1] Matheacutematiques

Applications lineacuteaires en dimension finieSoient E et F deux K-espaces vectoriels normeacutes si E est de dimensionfinie alors toute application lineacuteaire Erarr F est continue

Suites de CauchyOn appelle suite de Cauchy dans un K-espace vectoriel normeacute toutesuite veacuterifiant

forallε gt 0 existN isin N forall(p q) isin NtimesNlowast p gt N =rArr up minus up+q 6 ε

Toute suite convergente dans un K-espace vectoriel normeacute est de Cau-chy

Partie complegravete ndash DeacutefinitionUne partie A drsquoun K-espace vectoriel normeacute est dite complegravete si etseulement si toute suite de Cauchy drsquoeacuteleacutements de A converge dans A

Partie complegravete ndash ProprieacuteteacutesToute partie X drsquoun K-espace vectoriel normeacute complet veacuterifie

X fermeacuteelArrrArr X complegraveteToute partie compacte drsquoun K-espace vectoriel normeacute est complegravete

Connexiteacute par arcsUne partie A drsquoun K-espace vectoriel normeacute de dimension finie est diteconnexe par arcs si et seulement si forall(x y) isin A2 existγ isin C0([a b] E) telque

γ(a) = x γ(b) = yforallt isin [a b]γ(t) isin A

Espace preacutehilbertien ndash Espace euclidienOn appelle espace preacutehilbertien tout couple (Eϕ) ougrave E est un K-espace vectoriel et ϕ un produit scalaire sur EOn appelle espace euclidien tout espace preacutehilbertien de dimensionfinie

Theacuteoregraveme de PythagorePour toute famille orthogonale finie (xi)iisinI drsquoun espace preacutehilbertien(E (middot|middot)) on a ∥∥∥∥∥sum

iisinIxi

∥∥∥∥∥

2

= sumiisinIxi2

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 31

2 Analyse 31

22 Nombres reacuteels

Preacutesentation

(R+ middot) est un corps commutatif

6 est une relation drsquoordre total dans R

forall(a b c) isin R3

a 6 b =rArr a + c 6 b + ca 6 b0 6 c

=rArr ac 6 bc

Toute partie non vide majoreacutee de R admet une borne supeacuterieure dansR

Distance usuelle dans R

d RtimesRrarr R(x y) 7rarr |xminus y|

Le nombre reacuteel d(x y) est la dis-tance usuelle dans R

R corps archimeacutedien

forallε isin Rlowast+ forallA isin Rlowast+ existn isin Nlowast nε gt A

Partie entiegravere ndash Deacutefinition

forallx isin R

E(x) 6 x 6 E(x) + 1

x isin RE(x) partie entiegravere de xE(x) est lrsquounique entier relatif veacute-rifiant la proprieacuteteacute ci-contre

Densiteacute

forall(x y) isin R2

(x lt y =rArr (existd isin D x lt d lt y))

D sub RCette partie D est dite dense dansR si et seulement si elle veacuterifie laproprieacuteteacute ci-contreTheacuteoregraveme Q est dense dans Rc copy

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32 [1] Matheacutematiques

23 Nombres complexes

Forme carteacutesienne Forme polaire drsquoun nombre complexe

z = a + ib

z = ρeiθ

z nombre complexe (z isin C)a partie reacuteelle de z (a isin R) on lanote aussi Re(z)b partie imaginaire de z (b isin R)on la note aussi Im(z)ρ module de z (ρ isin R+)θ argument de z (θ isin R)

Nombre complexe conjugueacute ndash Deacutefinition

z = a + ib

z = aminus ib

z isin C nombre complexez isin C nombre complexe conju-gueacute de za partie reacuteelle de z et de zb partie imaginaire de z

Nombre complexe conjugueacute ndash Proprieacuteteacutes

z + z = 2Re(z)

zminus z = 2i Im(z)

z nombre complexez nombre complexe conjugueacute dez

z = z si z est reacuteel

z = minusz si z est imaginaire pur

Module drsquoun nombre complexe

|z|2 = z middot z |z| module de z

Module drsquoun produit ndash Module drsquoun quotient

|zzprime| = |z| middot |zprime|

zprime 6= 0∣∣∣z

zprime∣∣∣ =|z||zprime|

z isin C nombre complexezprime isin C nombre complexe

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 33

2 Analyse 33

Ineacutegaliteacute triangulaire

|z + zprime| 6 |z|+ |zprime| z isin C nombre complexezprime isin C nombre complexe

Condition de cocycliciteacute ou drsquoalignement de quatre points

z4 minus z1z3 minus z1

z4 minus z2z3 minus z2

isin R

Mi point du plan drsquoaffixe zizi isin CLes points M1 M2 M3 et M4 sontcocyliques ou aligneacutes si et seule-ment si leurs affixes veacuterifient laproprieacuteteacute ci-contre

Formule de Moivre

(cos θ+ i sin θ)n = cos nθ+ i sin nθ θ isin Rn isin Z

Formule drsquoEuler

cos x =eix + eminusix

2

sin x =eix minus eminusix

2i

x isin R

Racines niegravemes drsquoun complexe

zk = nradicr(ei

ϕ+2kπn

)

Les zk sont les solutions de lrsquoeacutequa-tion zn = reiϕ(k n) isin N2 avec 0 6 k 6 nminus 1z isin Cr isin R+En particulier les racines niegravemes

de lrsquouniteacute zk = ei2kπn

Groupe des racines niegravemes de lrsquouniteacuteU = z isin C |z| = 1 est un groupe pour la multiplication

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34 [1] Matheacutematiques

24 Suites

Convergence ndash DeacutefinitionOn dit qursquoune suite numeacuterique (un)nisinN converge vers une limite l isin Ksi et seulement si

forallε gt 0 existN isin N foralln gt N isin N n =rArr |un minus l| 6 ε

On dit qursquoune suite numeacuterique (un)nisinN converge si et seulement si existl isin K forallε gt 0 existN isin N foralln isin N n gt N =rArr |un minus l| 6 ε

Suite borneacuteeUne suite complexe (un)nisinN est dite borneacutee si et seulement si

existM isin R+ foralln isin N |un| 6 M

Theacuteoregraveme drsquoencadrementSoient (un)nisinN (vn)nisinN (wn)nisinN trois suites reacuteelles telles que

existN isin N foralln isin N n gt N =rArr un 6 vn 6 wn

(un)n et (wn)n convergent vers une mecircme limite lAlors (vn)n converge aussi vers l

Suite arithmeacutetique

un = unminus1 + r

Sn =(u1 + un)n

2

un ne terme de la suiter raisonu1 premier terme de la suiteSn somme des n premiers termesde la suite un

Suite geacuteomeacutetrique

un = q middot unminus1

Sn =u1(q

n minus 1)qminus 1

q 6= 1

un ne terme de la suiteq raison de la suiteu1 premier terme de la suiteSn somme des n premiers termesde la suite un

Suites reacuteelles monotonesOn dit que (un)nisinN est croissante si et seulement si

foralln isin N un 6 un+1On dit que (un)nisinN est deacutecroissante si et seulement si

foralln isin N un gt un+1On dit que (un)nisinN est strictement croissante si et seulement si

foralln isin N un lt un+1On dit que (un)nisinN est strictement deacutecroissante si et seulement si

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 35

2 Analyse 35

foralln isin N un gt un+1On dit que (un)nisinN est (strictement) monotone si et seulement si(un)nisinN est (strictement) croissante ou (strictement) deacutecroissanteToute suite reacuteelle croissante (respectivement deacutecroissante) et majoreacutee(respectivement minoreacutee) est convergente

Suites adjacentes

(un)nisinN est croissante(vn)nisinN est deacutecroissante(vn minus un) minusminusminusminusrarr

nrarr+infin

0

Si deux suites reacuteelles veacuterifient lesproprieacuteteacutes ci-contre ces suites sontdites adjacentesSi deux suites sont adjacenteselles convergent vers la mecircme li-mite

Suites extraitesOn appelle suite extraite de (un)nisinN toute suite (uσ(n))nisinN ougrave σ NrarrN est une application strictement croissanteSi une suite (un)nisinN converge vers l isin K alors toute suite extraite de(un)nisinN converge aussi vers l

Valeur drsquoadheacuterenceOn dira que a est une valeur drsquoadheacuterence drsquoune suite (un)nisinN si etseulement srsquoil existe une suite extraite telle que uσ(n) minusminusminusminusrarrnrarr+infin

a

Theacuteoregraveme de Bolzano-WeiertrassDe toute suite borneacutee de R on peut extraire une suite convergente

25 Fonctions reacuteelles de la variable reacuteelle

PariteacuteSoit X sub R veacuterifiant x isin X =rArr minusx isin X

forallx isin X f (minusx) = f (x)Une fonction f est paire si et seule-ment si elle veacuterifie la relation ci-contre

forallx isin X f (minusx) = minus f (x)Une fonction f est impaire si etseulement si elle veacuterifie la relationci-contre

PeacuteriodiciteacuteSoit f X rarr K avec X sub R on dit que f est T-peacuteriodique si et seule-ment si elle veacuterifie

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 36

36 [1] Matheacutematiques

forallx isin X

x + T isin Xf (x + T) = f (x)

Application en escalierOn dit qursquoune fonction f [a b] rarr R est en escalier si et seulementsrsquoil existe une famille (ai)iisin[0n] telle que (a0 an) isin [a b]n+1 avecn isin Nlowast et une famille (λ0 λnminus1) isin Rn tels que

a = a0 lt a1 lt middot middot middot lt anminus1 lt an = bforalli isin 0 nminus 1 forallx isin]ai ai+1[ f (x) = λi

Application majoreacutee ndash minoreacutee ndash borneacuteeUne fonction f X rarr R est dite ndashmajoreacutee si et seulement srsquoil existe A isin R tel que forallx isin X f (x) 6 Andashminoreacutee si et seulement srsquoil existe B isin R tel que forallx isin X f (x) gt Bndash borneacutee si et seulement srsquoil existe (A B) isin R2 tel que forallx isin XB 6 f (x) 6 A

LimitesSoit f I rarr R une applicationOn dit que f admet une limite l en a isin I si et seulement si

forallε gt 0 existη gt 0 forallx isin I |xminus a| 6 η =rArr | f (x)minus l| 6 ε

On dit que f admet une limite l en +infin si et seulement si forallε gt 0 existA isin R forallx isin I x gt A =rArr | f (x)minus l| 6 ε

On dit que f admet comme limite +infin en a isin I si et seulement si forallA gt 0 existη gt 0 forallx isin I |xminus a| 6 η =rArr f (x) gt A

On dit que f admet comme limite +infin en +infin si et seulement si forallA gt 0 existB gt 0 forallx isin I x gt B =rArr f (x) gt A

On dit que f admet comme limite minusinfin en minusinfin si et seulement si forallA lt 0 existB lt 0 forallx isin I x 6 B =rArr f (x) 6 A

Continuiteacutesoit f I rarr K a isin I on dit que cette fonction est continue en a si etseulement si

forallε gt 0 existη gt 0 forallx isin I |xminus a| 6 η =rArr | f (x)minus f (a)| 6 ε

DiscontinuiteacuteSoit f I rarr K on dit que ndash f est discontinue en a si et seulement si elle nrsquoest pas continue en andash f admet une discontinuiteacute de premiegravere espegravece en a si et seulementsi f nrsquoest pas continue en a mais admet une limite finie agrave droite et unelimite finie agrave gauche en a

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 37

2 Analyse 37

Si f nrsquoest pas continue et ne preacutesente pas de continuiteacute de premiegravereespegravece en a on dit que f admet une discontinuiteacute de seconde espegraveceen a

Composition et continuiteacute

Soient f I rarr R et g J rarr K ougrave I et J sont deux intervalles de R telsque f (I) sub J si f et g sont respectivement continues en a et f (a) alorsg f est continue en a

Continuiteacute sur un segment

Soient (a b) isin R2 tel que a 6 b et une fonction f [a b] rarr R Si f estcontinue alors f est borneacutee et atteint ses bornes

Continuiteacute uniforme

Soit f I rarr K on dit que cette fonction est uniformeacutement continuesur I si et seulement si

forallε gt 0 existη gt 0 forall(x1 x2) isin I2 |x1 minus x2| 6 η =rArr | f (x1)minus f (x2)| 6 ε

Lrsquouniforme continuiteacute implique la continuiteacute

Theacuteoregraveme de Heine

Soient (a b) isin R2 tels que a 6 b et une fonction f [a b]rarr R Si f estcontinue sur [a b] alors f est uniformeacutement continue sur [a b]

Applications lipschitziennes

Soient f I rarr R et k isin Rlowast+ on dit que la fonction f est k-lipschitzienne si et seulement si

forall(x1 x2) isin I2 | f (x1)minus f (x2)| 6 k|x1 minus x2|Si k isin [0 1[ lrsquoapplication f est dite contractanteUne application lipschitzienne est uniformeacutement continue

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 38

38 [1] Matheacutematiques

Fonctions trigonomeacutetriques circulaires reacuteciproques

Arcsin [minus1 1]rarr[minusπ

2

]

forallx isin]minus 1 1[

Arcsinprime(x) =1radic

1minus x2

Arccos [minus1 1]rarr [0π]forallx isin]minus 1 1[

Arccosprime(x) =minus1radic1minus x2

Arctan Rrarr]minusπ

2

[

forallx isin R

Arctanprime(x) =1

1 + x2

-1 1

p

2p

2p

Arcsin

Arccos

Arctan

Fonctions hyperboliques

chprime x = sh x shprime x = ch x

thprime x =1

ch2 x= 1minus th2 x

26 Deacuterivation

Deacuteriveacutee en un pointSoient un point a isin I ougrave I est un intervalle et une fonction f I rarr K

On dit que f est deacuterivable en a si et seulement si limhrarr0

f (a + h)minus f (a)

hexiste et est finie Dans ce cas cette limite est appeleacutee deacuteriveacutee de f en aet est noteacutee f prime(a)

Deacuterivation et continuiteacuteSoient un point a isin I et une fonction f I rarr K si f est deacuterivable en aalors f est continue en a

Proprieacuteteacutes des deacuteriveacuteesSoient f et g deux fonctions de I dans K deacuterivables en a alors ( f + g)prime(a) = f prime(a) + gprime(a)

(λ f )prime(a) = λ f prime(a)

( f g)prime(a) = f prime(a)g(a) + f (a)gprime(a)

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 39

2 Analyse 39

g(a) 6= 0(1g

)prime(a) = minus gprime(a)

g2(a)

g(a) 6= 0(

f

g

)prime(a) =

f prime(a)g(a)minus f (a)gprime(a)g2(a)

(g f )prime(a) = gprime( f (a)) f prime(a)

Deacuterivabiliteacute drsquoune fonction sur un intervalle

f I rarr K ougrave I est un intervalle est dite deacuterivable sur un intervalleJ sub I si et seulement si foralla isin J f est deacuterivable en a

Formule de Leibniz

f I rarr K et g I rarr E on suppose que λ et f sont deacuterivables sur I

Alors f middot g est n fois deacuterivable sur I et ( f middot g)(n) =n

sumk=0

Ckn f

(k) middot g(nminusk)

Classe drsquoune fonction

Soient f I rarr K et k isin N on dit que f est de classe Ck sur I si etseulement si f est k fois deacuterivable sur I et f (k) est continue sur ISoient f [a b] rarr K avec a 6 b et k isin N on dit que f est de classe Ckpar morceaux sur [a b] si et seulement si ndash il existe une famille (a0 ap) isin Rp+1 telle que a = a0 lt a1 lt middot middot middot lt apminus1 lt ap = b

ndash Chaque restriction de f sur ]ai ai+1[ admet un prolongement declasse Ck sur [ai ai+1] foralli isin [0 pminus 1]

Theacuteoregraveme de Rollef [a b] rarr R continue sur [a b] et deacuterivable sur ]a b[ f (a) = f (b) alors il existe c isin]a b[ tel que

f prime(c) = 0

Theacuteoregraveme des accroissements finis

f [a b] rarr R avec (a b) isin R2 et a lt b continue sur [a b] et deacuterivablesur ]a b[ Il existe c isin]a b[

f (b)minus f (a) = (bminus a) f prime(c)c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 40

40 [1] Matheacutematiques

Ineacutegaliteacute de Taylor-Lagrangef [a b]rarr (E ) et f de classe Cn sur [a b] (n+ 1) fois deacuterivable sur]a b[ et telle que forallt isin]a b[ f (n+1)(t) 6 M alors

∥∥∥∥∥ f (b)minusn

sumk=0

f (k)(a)

k(bminus a)k

∥∥∥∥∥ 6 M(bminus a)n+1

(n + 1)

Reste inteacutegral

f [a b]rarr (E ) de classe Cn+1 sur [a b] alors

f (b) =n

sumk=0

f (k)(a)

k(bminus a)k +

1n

int b

a(bminus t)n f (n+1)(t) dt

︸ ︷︷ ︸Reste de Laplace

Formule de Taylor-Young

f I rarr E I un intervalle de R ougrave f (n)(a) existe

f (x) =n

sumk=0

f (k)(a)

k(xminus a)k + o

xrarra((xminus a)n)

Diffeacuteomorphisme ndash DeacutefinitionSoient f I rarr J avec I J deux intervalles de R n isin Nlowast cup +infin on ditque f est un Ck-diffeacuteomorphisme de I sur J si et seulement si ndash f est de classe Ck sur Indash f est bijectivendash fminus1 est de classe Ck sur J

Convexiteacute ndash DeacutefinitionsSoit f I rarr K on dit que cette fonction est convexe si et seulement si forallθ isin [0 1] forall(x y) isin I2 f (θx + (1minus θ)y) 6 α f (x) + (1minus θ) f (y)

Ineacutegaliteacute de convexiteacute

Si f est convexe soit λ j gt 0 tel quen

sumj=1

λ j = 1 alors

f

(n

sumj=1

λ ja j

)6

n

sumj=1

λ j f (a j)

Fonction convexe ndash Fonction concaveUne fonction f est concave si et seulement si minus f est convexe

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 41

2 Analyse 41

27 Inteacutegration

Lineacuteariteacute de lrsquointeacutegrale

int b

a(λ f + g) = λ

int b

af +

int b

ag

f et g deux fonctions continuespar morceaux

Ineacutegaliteacute de la moyenne

∣∣∣∣int

[ab]f g

∣∣∣∣ 6 Sup[ab] | f |int

[ab]|g|

∣∣∣∣int

[ab]f

∣∣∣∣ 6 (bminus a) Sup[ab] | f |

f g deux fonctions continues parmorceaux sur [a b][a b] intervalle de R

Ineacutegaliteacute de Cauchy-Schwarz

(int b

af g

)2

6

(int b

af 2)(int b

ag2)

f g deux applications continuespar morceaux [a b]rarr R on a lrsquoin-eacutegaliteacute ci-contreSi exist(λmicro) isin R2(0 0) tel que λ f + microg = 0 il y a eacutegaliteacute

Sommes de Riemann

Sn =bminus a

n

nminus1sumk=0

f

(a + k

bminus a

n

)

limnrarr+infin

Sn =int b

af

f [a b] rarr E une fonction conti-nue

Inteacutegration par parties

int b

auvprime = [uv]ba minus

int b

auprimev

u v [a b] rarr E fonctions conti-nues C1 par morceaux sur [a b]c copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 42

42 [1] Matheacutematiques

Inteacutegrabiliteacute ndash Deacutefinition

int

Jf 6 M

f [a b] rarr R fonction positivecontinue par morceauxf est dite inteacutegrable sur [a b] si etseulement srsquoil existe un M isin R+pour tout segment J inclus dans[a b] veacuterifiant lrsquoineacutegaliteacute ci-contre

Inteacutegrabiliteacute sur un segmentSoit f une fonction positive continue par morceaux de I dans R Lesproprieacuteteacutes suivantes sont deux agrave deux eacutequivalentes (i) f est inteacutegrable sur I(ii) Il existe M isin R+ tel que pour toute suite croissante de segments

(Jn)nisinNlowast dont la reacuteunion est eacutegale agrave I foralln isin Nlowastint

Jnf 6 M

Theacuteoregraveme de domination

0 6 f 6 g (1)

0 6

int

If 6

int

Ig (2)

Soient f et g deux fonctions conti-nues par morceaux de I dans R veacute-rifiant (1) et si g inteacutegrable alors fest inteacutegrable sur I et on a lrsquoineacutega-liteacute (2)

Exemple de Riemann

Fonctions de Riemann

f (x) =1xα

Une fonction de Riemann est inteacute-grable sur [1+infin[ si et seulementsi α gt 1Une fonction de Riemann est inteacute-grable sur ]0 1] si et seulement siα lt 1

Theacuteoregraveme drsquoeacutequivalence

Soient (a b) isin Rtimes R tels que a lt b f et g deux fonctions positivescontinues par morceaux de [a b[ dans R veacuterifiant en b f sim

bg alors f

est inteacutegrable sur [a b[ si et seulement si g lrsquoest

Regravegle xα f (x)

Inteacutegrabiliteacute en +infin ndash Srsquoil existe α isin]1+infin[ veacuterifiant lim

xrarr+infin

xα f (x) = 0 alors f est inteacute-

grable sur [a+infin[ avec a gt 0

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 43

2 Analyse 43

ndash Srsquoil existe α isin] minusinfin 1] veacuterifiant limxrarr+infin

xα f (x) = +infin alors f nrsquoest

pas inteacutegrable sur [a+infin[ avec a gt 0Inteacutegrabiliteacute en 0 ndash Srsquoil existe α isin]minusinfin 1[ veacuterifiant lim

xrarr0xα f (x) = 0 alors f est inteacutegrable

sur ]0 a] avec a gt 0ndash Srsquoil existe α isin [1+infin[ veacuterifiant lim

xrarr0xα f (x) = +infin alors f nrsquoest pas

inteacutegrable sur ]0 a] avec a gt 0

Relation de Chasles

int c

af =

int b

af +

int c

bf

f une fonction continue par mor-ceaux inteacutegrable sur un intervalleI contennant les intervalles ou-verts ]a b[ ]b c[ et ]a c[

(a b c) isin R3

Croissance de lrsquointeacutegration

f 6 g =rArrint

If 6

int

Ig

f g deux fonctions continues etinteacutegrables sur I

Fonctions continues agrave valeurs complexesSoit f I rarr C une fonction continue On dira que f est inteacutegrable surI si et seulement si | f | lrsquoest

Inteacutegrale impropre

(a b) isin Rtimes (Rcup +infin)

int X

af

f fonction continue par morceauxsur [a b[On dit que cette inteacutegrale im-propre converge si et seulement sielle admet une limite finie lorsqueX tend vers b On note alors cette

inteacutegraleint b

af

Inteacutegrale deacutependant drsquoun paramegravetre ndash Deacutefinition

f (x) =int

IF(x t) dt

x paramegravetret variable drsquointeacutegrationI intervalle de R

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 44

44 [1] Matheacutematiques

Continuiteacute drsquoune inteacutegrale agrave paramegravetre

forallx isin A F(x middot) inteacutegrable sur I

f Ararr K est continue sur A

x 7rarrint

IF(x t) dt

F fonction continue sur Atimes I veacute-rifiant lrsquohypothegravese de domination Soient f g I rarr R continues

Si0 6 f 6 gg est inteacutegrable sur I alors

f est inteacutegrable sur I etint

If 6

int

Ig

Sous ces hypothegraveses F veacuterifie lesrelations ci-contre

Deacuterivation drsquoune inteacutegrale agrave paramegravetre

forallx isin A

F(x middot) et partFpartx

(x middot)inteacutegrables sur If

Ararr K est de classe C1 sur Ax 7rarr

int

IF(x t) dt

forallx isin A f prime(x) =intI

partFpartx (x t) dt

F fonction continue sur Atimes I veacute-rifiant une hypothegravese de domina-tion sur Atimes I Soient F g I rarr R continues

Si0 6 F 6 gg est inteacutegrable sur I alors

F est inteacutegrable sur I etint

IF 6

int

Ig

partFpartx

existe et est continue sur Atimes I

partFpartx

veacuterifie une hypothegravese de domi-

nation sur Atimes ISous ces hypothegraveses on a les rela-tions ci-contre

28 Eacutequations diffeacuterentielles

Eacutequations diffeacuterentielles lineacuteaires du premier ordre

αyprime + βy = γ (E)

αβγ I rarr K des applicationscontinuesy est une solution de cette eacutequa-tion sur J sub I si et seulement si yest deacuterivable sur J et si forallx isin J yveacuterifie (E)

Eacutequation reacutesolueUne eacutequation diffeacuterentielle lineacuteaire du premier ordre est dite normali-seacutee ou reacutesolue en yprime si et seulement si α = 1

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 45

2 Analyse 45

Solution drsquoune eacutequation diffeacuterentielle lineacuteaire du premier ordre

S = λeminusA + BeminusA λ isin K

La solution ci-contre est la solutionde lrsquoeacutequation reacutesolue avec α = 1A primitive de β

B primitive de γeA

La solution de (E) est la somme dela solution geacuteneacuterale de lrsquoeacutequationhomogegravene associeacutee agrave (E) et drsquounesolution particuliegravere de (E)

Meacutethode de reacutesolution de E

1 Reacutesolution de lrsquoeacutequation homogegravene associeacutee solution de la formeλy0(x)2 Reacuteinjecter la solution trouveacutee dans lrsquoeacutequation complegravete avec la meacute-thode de variation de la constante qui permet de trouver la fonctionqui veacuterifie lrsquoeacutequation complegravete

Nature de la solutionLrsquoensemble des solutions drsquoune eacutequation diffeacuterentielle lineacuteaire du pre-mier ordre est une droite affine dont la direction est donneacutee par lrsquoen-semble des solutions de lrsquoeacutequation homogegravene

Theacuteoregraveme de Cauchy-LipschitzSoient U un ouvert de Rtimes R f U rarr E une application localementlipschitzienne par rapport agrave sa seconde variable et continue un couple(t0 y0) isin USous ces conditions il existe une unique solution maximale au pro-blegraveme de Cauchy crsquoest-agrave-dire veacuterifiant

yprime = f (t y)y(t0) = y0

(problegraveme de Cauchy)

Et posseacutedant en plus les proprieacuteteacutes suivantes (solution maximale) ndash lrsquointervalle de deacutefinition est un ouvertndash toute solution du problegraveme de Cauchy est une restriction de cettesolution

Eacutequation diffeacuterentielle du second ordre homogegravene

αyprimeprime + βyprime + γy = 0αβγ fonctions continues I rarr Ky fonction de J sub I dans K solu-tion de cette eacutequation

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 46

46 [1] Matheacutematiques

Eacutequation diffeacuterentielle du second ordre agrave coefficients constants

yprimeprime + βyprime + γy = 0

(Ec) r2 + βr + γ

(βγ) isin R2 coefficients delrsquoeacutequation diffeacuterentielle

Soit (Ec) lrsquoeacutequation caracteacuteristiqueassocieacutee agrave lrsquoeacutequation diffeacuterentielleSi cette eacutequation caracteacuteristiqueadmet ndash deux racines distinctes r1 et r2les solutions de lrsquoeacutequation sont dela forme λ1er1x + λ2er2xndash une racine double r les solutionssont de la forme (λx + micro)erxndash deux racines complexes conju-gueacutees r = aplusmn ib les solutions sontde la forme(λ cos bx + micro sin bx)eax

Eacutequation du second ordre avec second membre eγxR(x)

yprimeprime + βyprime + γy = emxP(x)

(βγm) isin K3 coefficientsconstants de lrsquoeacutequation diffeacuteren-tielleP isin K[X]Lrsquoeacutequation diffeacuterentielle admetune solution de la forme emxS(x)avec S isin K[X] ndash deg S = deg P si m nrsquoest pas ra-cine de (Ec)ndash deg S = 1+ deg P si m est racinesimple de (Ec)ndash deg S = 2+ deg P si m est racinedouble de (Ec)

Reacutesolution gracircce aux seacuteries entiegraveresLorsque les coefficients et le second membre de lrsquoeacutequation diffeacuteren-tielle sont constitueacutes par des polynocircmes on peut chercher les solutionssous la forme de seacuteries entiegraveres on obtient ainsi une relation de reacutecur-rence sur les coefficients Une fois ces coefficients calculeacutes le rayon deconvergence deacutetermineacutes et si possible la somme calculeacutee on a unesolution de lrsquoeacutequation diffeacuterentielle

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 47

2 Analyse 47

Systegraveme drsquoeacutequations diffeacuterentielles du premier ordreSoit I un intervalle de R B = (bi)iisin[1n] un vecteur de E etA = (ai j)iisin[1n]

jisin[1n]

I rarr E une application continue On appelle systegraveme

drsquoeacutequations diffeacuterentielles du premier ordre le systegraveme

yprime1(t)

yprimen(t)

=

a11(t) middot middot middot a1n(t)

an1(t) middot middot middot ann(t)

y1(t)

yn(t)

+

b1(t)

bn(t)

Reacutesolution dans le cas ougrave A est diagonalisableDans le cas ougrave A isin Mn(K) si A est diagonalisable le systegraveme homo-gegravene admet une solution du type

Y =n

sumi=1

cieλitVi

λi valeur propre de Aci constante lieacutee aux conditions initialesVi colonne de la matrice de passage de A agrave la matrice diagonale asso-cieacutee

29 Seacuteries

Deacutefinition

SN =N

sumn=0

un

On appelle seacuterie le couple((un) (Sn))SN somme partielle drsquoordre Nun terme geacuteneacuteral de la seacuterie

Condition neacutecessaire de convergenceUne condition neacutecessaire mais non suffisante de convergence drsquouneseacuterie est que lim

nrarr+infin

un = 0 Si le terme geacuteneacuteral de la seacuterie ne tend pas

vers zeacutero la seacuterie est dite grossiegraverement divergente

Changement drsquoindice de deacutepart

Soit sumngt0

un une seacuterie de E et n0 isin N les seacuteries sumngt0

un et sumngtn0

un sont de

mecircme nature

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 48

48 [1] Matheacutematiques

Seacuterie geacuteomeacutetrique

S =+infin

sumn=0

un =1

1minus u0(1)

u0 terme geacuteneacuteral de la suite derang 0un terme geacuteneacuteral de la suiteun = (u0)

n

Une condition neacutecessaire et suf-fisante de convergence drsquoune telleseacuterie est |u0| lt 1 Dans ce cas laseacuterie veacuterifie (1)

Seacuterie agrave termes positifsUne seacuterie agrave termes positifs converge si et seulement sila suite dessommes partielles est majoreacutee

Seacuterie de Riemann

sumngt1

1nα

(1)

Une seacuterie veacuterifiant (1) est dite deRiemann Une telle seacuterie convergesi et seulement si

α gt 1

Valeur remarquable +infin

sumn=1

1n2

=π2

6

Seacuterie de Bertrand

+infin

sumn=2

1nα(ln n)β

On appelle seacuterie de Bertrand la seacute-rie deacutefinie ci-contreCette seacuterie converge si et seule-ment si α gt 1α = 1 et β gt 1

Comparaison de deux seacuteries agrave termes positifs

foralln isin N

0 6 un 6 vn (1)

un terme geacuteneacuteral de la seacuterie Svn terme geacuteneacuteral de la seacuterie SprimeSi (1) est veacuterifieacutee et si Sprime convergealors S convergeRemarque Si S diverge et (1) estveacuterifieacutee la seacuterie Sprime diverge

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 49

2 Analyse 49

Regravegle de drsquoAlembert

Soit une seacuterie de terme geacuteneacuteral un telle que∣∣∣∣un+1

un

∣∣∣∣ minusminusminusminusrarrnrarr+infin

β

ndash Si β lt 1 la seacuterie de terme geacuteneacuteral un converge ndash Si β gt 1 la seacuterie de terme geacuteneacuteral un diverge grossiegraverement ndash Si β = 1 on ne peut rien dire de la nature de la seacuterie

Regravegle de CauchySoit une seacuterie de terme geacuteneacuteral un reacuteel positif telle que n

radicun minusminusminusminusrarr

nrarr+infin

β

ndash Si β lt 1 la seacuterie de terme geacuteneacuteral un converge ndash Si β gt 1 la seacuterie de terme geacuteneacuteral un diverge grossiegraverement ndash Si β = 1 on ne peut rien dire de la nature de la seacuterie

Seacuteries de mecircme natureSoit sum un et sum vn deux seacuteries reacuteelles agrave termes positifs telles que au voi-sinage de +infin vn gt 0 et un sim vn Alors on a eacutegalement un gt 0 au voi-sinage de +infin et les deux seacuteries sont de mecircme nature (elles convergentou divergent en mecircme temps)

Seacuterie alterneacutee

∣∣∣∣∣+infin

sumn=p+1

un

∣∣∣∣∣ 6 |up+1|

Une seacuterie de terme geacuteneacuteral unest dite alterneacutee si et seulementsi la suite (minus1)nun est de signeconstantUne telle seacuterie converge si 1 lim

nrarr+infin

un = 0

2 la suite (|un|)nisinN est deacutecrois-santeSous ces hypothegraveses la seacuterie veacuteri-fie la relation ci-contre

Critegravere de Cauchy

forallε gt 0 existN isin N forall(p q) isin N2

N 6 p lt q =rArr∥∥∥∥∥

q

sumn=p+1

un

∥∥∥∥∥ 6 ε

Le critegravere ci-contre est une condi-tion neacutecessaire et suffisante deconvergence pour une seacuterie dansun espace de Banach (K-espacevectoriel normeacute complet)

c copyDuno

dL

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 50

50 [1] Matheacutematiques

Formule de Stirling

n sim(ne

)nradic2πn

n isin NLa formule de Stirling fournit uneacutequivalent simple de n en +infin

Convergence absolue ndash Semi convergenceUne seacuterie est dite absolument convergente si et seulement si la seacuteriede terme geacuteneacuteral |un| convergeUne seacuterie alterneacutee est dite semi-convergente si et seulement la seacuteriede terme geacuteneacuteral un converge alors que celle de terme geacuteneacuteral |un| di-verge

Seacuteries doubles ndash Interversion des sommationsSoit une suite double drsquoeacuteleacutements de K (upq)(pq)isinN2 que lrsquoon supposesommable (crsquoest-agrave-dire existM isin R+forallJ sub N sum

pisinJqisinJ

upq 6 M) alors

1 forallq isin N sumpgt0

upq est convergente et la seacuterie sumqgt0

(+infin

sump=0

upq

)est conver-

gente

2 forallp isin N sumqgt0

upq est convergente et la seacuterie sumpgt0

(+infin

sumq=0

upq

)est

convergente

3 sum(pq)isinN2

upq =+infin

sump=0

(+infin

sumq=0

upq

)=

+infin

sumq=0

(+infin

sump=0

upq

)

Produit de Cauchy

wn =n

sumk=0

uk middot vnminusk (1)

+infin

sumn=0

wn =

(+infin

sumn=0

un

)(+infin

sumn=0

vn

)(2)

On appelle produit de Cauchy desdeux seacuteries de terme geacuteneacuteral un etvn la seacuterie dont le terme geacuteneacuteralveacuterifie (1)Si les deux seacuteries de terme geacuteneacuteralun et vn sont absolument conver-gentes alors la seacuterie wn est elleaussi absolument convergente etveacuterifie (2)

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 51

2 Analyse 51

210 Seacuteries entiegraveres

Seacuterie entiegravere

S(z) =+infin

sumn=0

anzn

S(z) somme de la seacuterie entiegraverean coefficient de la seacuterie entiegraverez variable de la seacuterie entiegravere

Rayon de convergence ndash Deacutefinition

I = r isin R++infin

sumn=0|an|rn converge

La borne supeacuterieure de lrsquointervalleI dans R est appeleacutee rayon deconvergence de la seacuterie sum anz

n onle note R = Sup I

Seacuterie entiegravere somme

Soient deux seacuteries entiegraveres sumngt0

anzn et sum

ngt0bnz

n on appelle seacuterie entiegravere

somme la seacuterie sumngt0

(an + bn)zn

Soit Ra et Rb les deux rayons de convergence respectifs de ces deuxseacuteries on a Ra+b gt min(Ra Rb) (avec eacutegaliteacute si Ra 6= Rb)

Lemme drsquoAbel

Soit r0 gt 0 si la suite (|an|rn0)nisinN est majoreacutee alors forallr isin [0 r0[ la seacuteriesum |an|rn est convergente

Deacuterivation drsquoune seacuterie entiegravere

Sprime(x) =+infin

sumn=0

(n + 1)an+1xn

S seacuterie de terme geacuteneacuteral anxn

Sprime deacuteriveacutee de la seacuterie SLa seacuterie deacuteriveacutee a le mecircme rayonde convergence que la seacuterie agrave deacuteri-ver

Inteacutegration drsquoune seacuterie entiegravere

int x

0

(+infin

sumn=0

anzn

)dz =

+infin

sumn=0

ann + 1

xn+1La seacuterie des inteacutegrales a le mecircmerayon de convergence que la seacuterieinteacutegreacuteec copy

Duno

dL

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nonau

toriseacuteeestu

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 52

52 [1] Matheacutematiques

Deacuteveloppement en seacuterie entiegravere drsquoune fonctionUne fonction f Rrarr R est dite deacuteveloppable en seacuterie entiegravere autourdrsquoun point x0 isin R si et srsquoil existe une seacuterie entiegravere sum

ngt0anx

n de rayon de

convergence R gt 0 telle que

forallx isin]x0 minus R x0 + R[ f (x) =+infin

sumn=0

an(xminus x0)n

Le deacuteveloppement en seacuterie entiegravere est unique

Deacuteveloppement en seacuterie entiegravere drsquoune fraction rationnelleUne fraction rationnelle R est deacuteveloppable en seacuterie entiegravere autour de0 si et seulement si 0 nrsquoest pas un pocircle de cette fraction rationnelle Lerayon de convergence du deacuteveloppement en seacuterie entiegravere est alors eacutegalau plus petit module des pocircles complexes de la fraction rationnelle

211 Suites et seacuteries drsquoapplications

Convergence simple ndash Deacutefinition

forallε gt 0 forallx isin D existn0 isin N foralln gt n0

| fn(x)minus f (x)| 6 ε

( fn X rarr E)nisinN suite drsquoapplica-tionsE un K-espace vectoriel normeacutef limite de la suite drsquoapplicationsdans D (domaine de convergence)D domaine de convergence

Convergence uniforme ndash Deacutefinition

forallε gt 0 existn0 isin N forallx isin D foralln gt n0

| fn(x)minus f (x)| 6 ε

( fn X rarr E)nisinN suite drsquoapplica-tionsE un K-espace vectoriel normeacutef limite de la suite drsquoapplicationsdans D (domaine de convergence)

Convergence uniforme et convergence simpleSi ( fn)nisinN converge uniformeacutement vers f sur X il y a eacutegalementconvergence simple de ( fn)nisinN vers f dans ce mecircme domaine

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 53

2 Analyse 53

Proprieacuteteacute de la convergence uniforme

Si les fonctions fn sont continues (respectivement admettent une li-mite en a) alors la limite uniforme (si elle existe) de ces fonctions f estcontinue (respectivement admet une limite en a)

Convergence uniforme et inteacutegration sur un segment

f est continue sur [a b]

(int b

afn

)

nisinN

converge dans E

int b

af = lim

nrarr+infin

int b

afn

( fn X rarr E)nisinN suite drsquoapplica-tions continues convergeant uni-formeacutement vers f sur XE un K-espace vectoriel normeacutef limite de la suite drsquoapplicationsSous ces hypothegraveses f veacuterifie lesproprieacuteteacutes eacutenonceacutees ci-contre

Convergence uniforme et deacuterivation

( fn)nisinN converge uniformeacutementsur tout segment de I vers f

f est de classe C1 sur If prime = g

( fn X rarr E)nisinN suite drsquoapplica-tions C1 convergeant simplementvers f sur X( f primen)nisinN converge uniformeacutementvers une application noteacutee gSous ces hypothegraveses f veacuterifie lesproprieacuteteacutes eacutenonceacutees ci-contre

Soit ( fn X rarr E)nisinN une suite drsquoapplications C1 surX convergeantsimplement vers f sur X

Soit ( f primen)nisinN une suite de fonctions qui converge uniformeacutement surtout segment de X vers une application g

Soit f la limite de la suite drsquoapplications veacuterifiant les hypothegraveses preacute-ceacutedentes Sous ces hypothegraveses on a f de classe C1 sur X et f prime = g

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ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 54

54 [1] Matheacutematiques

Theacuteoregraveme de convergence monotone

int

If = SupnisinN

int

Ifn = lim

nrarr+infin

int

Ifn

foralln isin N fn est continue par mor-ceaux et inteacutegrable sur I( fn)nisinN veacuterifie une hypothegravese demonotonie foralln isin N fn 6 fn+1( fn)nisinN converge simplement surI vers une application noteacutee fcontinue par morceaux sur ISous ces hypothegraveses f est inteacute-grable si et seulement si la suite(int

Ifn

)

nisinN

et veacuterifie alors les pro-

prieacuteteacutes ci-contre

Theacuteoregraveme de convergence domineacutee

int

If = lim

nrarr+infin

int

Ifn

foralln isin N fn est continue par mor-ceaux sur I( fn)nisinN converge simplement surI vers une application noteacutee fcontinue par morceaux sur I( fn)nisinN veacuterifie une hypothegravese dedomination foralln isin N | fn| 6

ϕ ougrave ϕ est une fonction conti-nue par morceaux positive et inteacute-grable sur ISous ces hypothegraveses f veacuterifie laproprieacuteteacute ci-contre

Premier theacuteoregraveme de WeierstrassPour toute application continue f [a b] rarr K il existe une suite (Pn [a b] rarr K)nisinN de polynocircmes convergeant uniformeacutement vers f sur[a b]

Deuxiegraveme theacuteoregraveme de WeierstrassPour toute application continue f R rarr K et T-peacuteriodique il existeune suite (Tn [a b]rarr K)nisinN de polynocircmes trigonomeacutetriques conver-geant uniformeacutement vers f sur R

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 55

2 Analyse 55

Seacuteries drsquoapplications convergence simple ndash Deacutefinition

On dit qursquoune seacuterie drsquoapplications converge simplement si etseulement si la suite des sommes partielles (Sn(x))nisinN avec

Sn(x) =n

sumk=0

fk(x) converge simplement

Seacuteries drsquoapplications convergence absolue ndash Deacutefinition

On dit qursquoune seacuterie drsquoapplications converge absolument si etseulement si la suite des sommes partielles (Sn(x))nisinN avec

Sn(x) =n

sumk=0 fk(x) converge absolument

Seacuteries drsquoapplications convergence uniforme ndash Deacutefinition

On dit qursquoune seacuterie drsquoapplications converge uniformeacutement si et seule-ment si la suite des sommes partielles (Sn(x))nisinN avec Sn(x) =n

sumk=0

fk(x) converge uniformeacutement

Seacuteries drsquoapplications convergence normale ndash Deacutefinition

existn0 isin N

sumngtn0

fninfin converge

On dit que sumn

fn converge norma-

lement et seulement si elle veacuterifiela proprieacuteteacute ci-contre

Convergences normale uniforme et simple

La convergence normale entraicircne la convergence uniforme qui elle-mecircme entraicircne la convergence simple

Convergence uniforme ndash Limite et continuiteacute

Si sumngt0

fn converge uniformeacutement sur X et si foralln isin N fn est continue en

a (respectivement admet une limite en a) alors sumngt0

fn est continue en

a (respectivement admet une limite en a)c copyDuno

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 56

56 [1] Matheacutematiques

Convergence uniforme et inteacutegration sur un segment

+infin

sumn=0

fn est continue sur [a b]

sumngt0

(int b

afn(x) dx

)converge dans E

int b

a

(+infin

sumn=0

fn(x)

)dx =

+infin

sumn=0

int b

afn(x) dx

( fn)nisinN seacuterie drsquoapplications avecfn continue sur [a b]+infin

sumn=0

fn converge uniformeacutement sur

[a b]Sous ces hypothegraveses la seacuterie defonctions veacuterifie les proprieacuteteacutes ci-contre

Convergence uniforme et deacuterivation

sumngt0

fn converge uniformeacutement

sur tout segment I

+infin

sumn=0

fn est de classe C1 sur I

(+infin

sumn=0

fn

)prime=

+infin

sumn=0

f primen

sumngt0

fn seacuterie drsquoapplications

convergeant simplement sur Ifn I rarr E de classe C1sumngt0

f primen converge uniformeacutement sur

tout segment de ISous ces hypothegraveses fn et f primen veacuteri-fient les proprieacuteteacutes ci-contre

Inteacutegration sur un intervalle quelconque des fonctions

+infin

sumn=0

fn est inteacutegrable sur I

int

I

∣∣∣∣∣+infin

sumn=0

fn

∣∣∣∣∣ 6+infin

sumn=

int

I| fn|

int

I

+infin

sumn=0

fn =+infin

sumn=0

int

Ifn

sumngt0

( fn) seacuterie drsquoapplications

convergeant simplement sur Ifn I rarr E fonction continue parmorceaux sur I

sumngt0

int

I| fn| converge

Sous ces hypothegraveses fn veacuterifie lesproprieacuteteacutes ci-contre

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 57

2 Analyse 57

212 Seacuteries de Fourier

Coefficients de Fourier exponentiels

cn( f ) =12π

int 2π

0f (x)eminusinx dx

cn coefficient de Fourier exponen-tielf fonction 2π-peacuteriodique conti-nue par morceaux agrave valeurs com-plexesn isin Z

Coefficients de Fourier trigonomeacutetriques

an( f ) =1π

int 2π

0f (x) cos(nx) dx

bn( f ) =1π

int 2π

0f (x) sin(nx) dx

an coefficient de Fourier trigono-meacutetrique en cosinusbn coefficient de Fourier trigono-meacutetrique en sinusf fonction dont on souhaite obte-nir les coefficients de FourierLorsque la fonction f est paire(respectivement impaire) les co-efficients bn (respectivements an)sont nuls

Theacuteoregraveme de Dirichlet

Si f est de classe C1 par morceaux et 2π-peacuteriodique pour tout reacuteel xon a lrsquoeacutegaliteacute suivante

S(x) =+infin

sumn=minusinfin

cneinx =a02

++infin

sumn=1

an cos nx ++infin

sumn=1

bn sin nx

S(x) =12

(f (xminus) + f (x+)

)

Dans ce cas il y a convergence simple de la seacuterie vers S(x)

Eacutegaliteacute de ParsevalSi f est continue par morceaux on a lrsquoeacutegaliteacute suivante

12π

int 2π

0| f (x)|2 dx =

|a0|24

++infin

sumn=1

|an|2 + |bn|22

=+infin

sumn=minusinfin

|cn|2

Convergence normale

Si f est continue et de classe C1 par morceaux sur R la seacuterie de Fourierde f est normalement convergente sur R et a pour somme f

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 58

58 [1] Matheacutematiques

213 Fonctions de plusieurs variables

Deacuteriveacutee partielle

D j f (a) =part fpartx j

(a) = limtrarr0t 6=0

f (a1 a j + t an)minus f (a1 an)

t

f une fonction de plusieurs variablesOn deacutefinit ci-dessus la deacuteriveacutee partielle par rapport agrave la variable x j (saje variable) de la fonction f en un point a = (a1 an)

Deacuteriveacutee selon un vecteurOn dit que f admet une deacuteriveacutee en a selon un vecteur v que lrsquoon notedv f (a) si et seulement si la limite suivante existe

limtrarr0

1t

( f (a + tv)minus f (a))

Si elle existe cette limite est dv f (a)

Theacuteoregraveme fondamental

Soit U un ouvert de Rp si f U rarr Rn est de classe C1 sur Rp alorsf admet en tout point a de Rp une deacuteriveacutee selon tout vecteur h et

Dh f (a) =p

sumj=1

h jD j f (a)

Gradient

grad f =

(part fpartx

(x y)part fparty

(x y))

f U rarr R fonction de classe C1sur UU ouvert de R2

grad f gradient de fAlors Dv f (a) = (grad f (a)) middot v

Diffeacuterentielle drsquoune fonction de deux variables

d f =part fpartx

dx +part fparty

dyf U rarr R fonction de classe C1sur UU ouvert de R2

Applications de classe CkOn dit que f est de classe Ck avec k isin Nlowast sur U si et seulement si fadmet des deacuteriveacutees partielles successives sur U jusqursquoagrave lrsquoordre k et cequel que soit lrsquoordre de deacuterivation et chacune de ces deacuteriveacutees partiellesest continue sur U

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 59

3 Geacuteomeacutetrie 59

Theacuteoregraveme de Schwarz

part2 fpartx jpartxi

=part2 f

partxipartx jf fonction C2 sur Rp

Point critique

Soit U un ouvert de R2 a isin U et f U rarr R une fonction de classe CnOn dira que a est un point critique pour f si et seulement si toutes lesdeacuteriveacutees partielles de f existent et srsquoannulent en a

Extremum local

On dira que f U rarr R2 admet un extremum local sur X sub U en unpoint a isin X si et seulement si forallx isin X f (x) 6 f (a) ( f admettant alorsun maximum en a) ou forallx isin X f (x) gt f (a) ( f admettant alors unminimum en a)

Theacuteoregraveme des fonctions implicites

Soient x = (x1 x2) isin U ougrave U est un ouvert de R2 f U rarr R une

fonction de classe Ck sur U telle que f (x) = 0 etpart fpartx2

(x) 6= 0 alors il

existe deux intervalles ouverts J et K respectivement centreacutes en x1 et x2tels qursquoil existe une unique fonction de classe C1 ϕ J rarr K telle que

forall(x y) isin J times K ( f (x y) = 0lArrrArr y = ϕ(x))

3 Geacuteomeacutetrie

31 Courbes du plan

Point reacutegulier ndash Point bireacutegulier

Un point M(t) est dit reacutegulier si et seulement srsquoil veacuterifie f prime(t) 6= 0 ilest dit bireacutegulier si et seulement si la famille ( f prime(t) f primeprime(t)) est libre

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 60

60 [1] Matheacutematiques

Tangente ndash Deacutefinition

M0PM0PM0P = λfffprime(t0)

Si fprimefprimefprime(t0) 6= 0 la tangente en unpoint M de coordonneacutees t0 estlrsquoensemble des points P veacuterifiant laproprieacuteteacute ci-contre avec λ isin RSi cette limite nrsquoexiste qursquoent+0 (respectivement en tminus0 ) ondira que la courbe admet unedemi-tangente en M(t+0 ) (res-pectivement en M(tminus0 )) Si leslimites en t+0 ) et en tminus0 sont dif-feacuterentes la courbe admet deuxdemi-tangentes en M

Position drsquoun arc par rapport agrave la tangente

Dans les figures ci-dessous f (p)(t0) et f (q)(t0) repreacutesentent les deuxpremiers vecteurs deacuteriveacutes non nuls

f (t)(p)

f (t)(q)

M(t) f (t)(p)

f (t)(q)

M(t)

p impair q pair allure geacuteneacuterale p impair q impair point drsquoin-flexion

f (t)(p)

f (t)(q)

M(t)

f (t)(p)

f (t)(q)

M(t)

p pair q pair point de rebrousse-ment de seconde espegravece

p pair q impair point de rebrous-sement de premiegravere espegravece

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 61

3 Geacuteomeacutetrie 61

Branche infinie ndash DeacutefinitionOn dit que la courbe Γ admet une branche infinie en t0 si et seulementsi lim

trarrt0 f (t) = +infin

Direction asymtotique ndash AsymptoteSi la branche infinie forme un angle θ0 par rapport agrave lrsquoaxe des abscissespour savoir srsquoil srsquoagit drsquoune asymptote ou drsquoune direction asympto-tique on eacutetudie la limite

Y = limθrarrθ0

ρ sin(θminus θ0)

Si cette limite vaut +infin il srsquoagit drsquoune direction asymptotique si lalimite vaut 0 il srsquoagit drsquoune asymptote si la limite vaut b avec b isin Rla droite drsquoeacutequation y = θ0x + b est asymptote agrave la courbe

x

O

y

Branche paraboliqueO dira que la courbe Γ admet une branche parabolique quand t tendvers t0 si cette mecircme courbe admet une direction asymptotique quandt tend vers t0 mais pas drsquoasymptote

SymeacutetriesSoit ϕ t 7rarr ϕ(t) une fonction de changement de parameacutetrage Ondonne ci-dessous les symeacutetries classiques qui permettent de limiterlrsquointervalle drsquoeacutetude de la courbe

x(ϕ(t) = x(t)y(ϕ(t) = y(t)

Identiteacute

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 62

62 [1] Matheacutematiques

x(ϕ(t) = minusx(t)y(ϕ(t) = minusy(t) Symeacutetrie par rapport agrave lrsquoorigine

x(ϕ(t) = y(t)y(ϕ(t) = x(t)

Symeacutetrie par rapport agrave la premiegraverebissectrice

x(ϕ(t) = minusx(t)y(ϕ(t) = y(t)

Symeacutetrie par rapport agrave lrsquoaxe desordonneacutees

x(ϕ(t) = x(t)y(ϕ(t) = minusy(t)

Symeacutetrie par raport agrave lrsquoaxe desabscisses

Coordonneacutees polaires

ρ =radic

x2 + y2

x = ρ cos θ

y = ρ sin θ

Mr

ur

uq

q

xxM

yM

y

O

Eacutequations en coordonneacutees polairesLa droite

ρ =1

λ cos θ + micro sin θ

(λmicro) isin R2

Cette eacutequation repreacutesente ladroite drsquoeacutequation carteacutesienneλx + microyminus 1 = 0

Le cercle

ρ = λ cos θ + micro sin θ

(λmicro) isin R2

Cette eacutequation repreacutesente le cerclecentreacute enO drsquoeacutequation carteacutesiennex2 + y2 minus λxminus microy = 0

Conique dont le foyer est agrave lrsquoori-gine

ρ =p

1 + e cos(θminusϕ)

p paramegravetre de la coniquee excentriciteacute de la coniqueθ angle polaireϕ phase

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 63

3 Geacuteomeacutetrie 63

Branches infinies ndash DeacutefinitionsSi lim

θrarrplusmninfin

ρ = 0 on dit que O est un point-asymptote de la courbe

Si limθrarrplusmninfin

ρ = a on dit que le cercle de centre O et de rayon |a| est uncercle-asymptote agrave la courbeSi lim

θrarrplusmninfin

ρ = plusmninfin on dit que la courbe admet une branche-spirale

Si la branche infinie forme un angle θ0 par rapport agrave lrsquoaxe des abscissespour savoir srsquoil srsquoagit drsquoune asymptote ou drsquoune direction asympto-tique on eacutetudie la limite

Y = limθrarrθ0

ρ sin(θminus θ0)

Si cette limite vaut +infin il srsquoagit drsquoune direction asymptotique si lalimite vaut 0 il srsquoagit drsquoune asymptote si la limite vaut b avec b isin Rla droite drsquoeacutequation y = θ0x + b est asymptote agrave la courbe

Symeacutetries

Soit T la peacuteriode de ρ (crsquoest-agrave-dire ρ(θ + T) = ρ(θ)) Srsquoil existe Tprime telque ρ(θ + Tprime) = minusρ(θ) Tprime est appeleacute antipeacuteriode de ρ

ρ(minusθ) = ρ(θ)

Symeacutetrie par rapport agrave lrsquoaxe desabscisses On fait varier θ dans[0+infin[ avant drsquoeffectuer la symeacute-trie

ρ(αminus θ) = ρ(α)

On fait varier θ dans[α

2+infin

[

puis on effectue la symeacutetrie parrapport agrave la droite passant par Oet drsquoangle polaire α2

ρ(minusθ) = minusρ(θ)

Symeacutetrie par rapport agrave lrsquoaxe desordonneacutees On fait varier θ dans[0+infin[ avant drsquoeffectuer la symeacute-trie

ρ(αminus θ) = minusρ(α)

On fait varier θ dans[α

2+infin

[

puis on effectue la symeacutetrie parrapport agrave la droite passant par O

et drsquoangle polaireα

2+

π

2

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 64

64 [1] Matheacutematiques

32 Proprieacuteteacutes meacutetriques des courbes

Abscisse curviligne

forallt isin I s(t) =int t

t0 f prime(u) du

f t 7rarr M(t)s t 7rarr s(t)

Longueur drsquoun arc

l(AB) =int b

a f prime(t) dt l(AB) longueur de lrsquoarc AB

Rayon de courbure ndash Courbure

R =dsdα

γ =1R

R rayon de courbures abscisse curviligneα = (iii TTT) ougrave TTT est le vecteur tan-gentγ courbure au point M(t)

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 65

Chapitre 2Physique

0 Eacuteleacutements de matheacutematiques

01 Diffeacuterentielles

Deacuteveloppements limiteacutes

Soit f x 7rarr f (x) alors f (x + δx) = f (x) + δx f prime(x) +(δx)2

2f primeprime(x) +

middot middot middotDiffeacuterentielle drsquoune fonction de plusieurs variables

Soit f une fonction des variables x et y alors

d f =

(part fpartx

)

y

dx +

(part fparty

)

x

dy

On peut eacutetendre cette deacutefinition de d f pour une fonction de n va-riablesOn a par deacutefinition du gradient

d f = (grad f ) middot dMMMc copyDuno

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 66

66 [2] Physique

Theacuteoregraveme de Schwarz

part2 f (x y)partxparty

=part2 f (x y)

partypartx

(les deacuteriveacutees croiseacutees drsquoune fonction C2 sont eacutegales)

02 Eacutequations diffeacuterentielles

Eacutequation de relaxation

yprime(t) +y(t)

τ= γ (ougrave γ est

une constante) Sa solution esty(t) = γτ + (y(0)minus γτeminustτ

y t( )

t

Eacutequation de lrsquooscillateur harmonique

yprimeprime(t) + ω20y(t) = 0 Sa solution est

y(t) = λ cos(ω0t) + micro sin(ω0t) ouy(t) = δ cos(ω0t + ϕ)

y t( )

t

Eacutequation drsquoun systegraveme explosif

yprimeprime(t) minus ω20y(t) = 0 Sa solution est

y(t) = λ ch(ω0t) + micro sh(ω0t)

y t( )

t

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 67

0 Eacuteleacutements de matheacutematiques 67

Eacutequation de diffusionpartypartt

= D∆y Les solutions deacutependent des conditions aux limites et des

conditions initiales On la reacutesoud geacuteneacuteralement en reacutegime permanentougrave la solution est sinusoiumldale

Eacutequation de preacutecession

partuuupartt

= ωωω and uuu uuu est en rotation autour duvecteurωωω

wu

Eacutequation du second ordre

ayprimeprime(t) + byprime(t) + cy(t) = g(t)

Le discriminant de son eacutequation caracteacuteristique ((Ec) ar2 + br + c = 0)est ∆ = b2 minus 4ac Soient r1 et r2 les deux racines de cette eacutequation ca-racteacuteristiqueDans un premier temps inteacuteressons nous au cas ougrave g(t) = γ uneconstante

Si ∆ gt 0 les deux racines r1 et r2 sontreacuteelles la solution est du type apeacuteriodique

y(t) = λer1t + microer2 t +γ

c

y t( )

tSi ∆ lt 0 les deux racines de lrsquoeacutequationcaracteacuteristique sont complexes conjugueacuteesla solution est alors pseudo-peacuteriodique

y(t) = (λ cos(βt) + micro sin(βt))eαt +γ

cavec α et β respectivement partie reacuteelle etpartie imaginaire de r1

y t( )

t

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 68

68 [2] Physique

Si ∆ = 0 le reacutegime est critique lrsquoeacutequationcaracteacuteristique admet une racine double

La solution est y(t) = (λt + micro)er1t +γ

c

y t( )

tSi g(t) est une excitation sinusoiumldale on reacutesout en complexes en posanty(t) = Ye jωt pour obtenir une solution particuliegravere

03 Coniques

Eacutequation polaire drsquoune conique avec origine au foyer

r(θ) =p

1 + e cos θ

r distance du point courant agravelrsquoorigineθ angle polairep paramegravetree excentriciteacute

Nature de la conique

ndash une ellipse si 0 lt e =a

blt 1 ab

O

ndash une parabole si e = 1

ndash une hyperbole si e gt 1

Aire drsquoune ellipse

S = πabS surface de la coniquea demi grand axeb demi petit axe

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 69

1 Eacutelectronique 69

1 Eacutelectronique

11 Lois geacuteneacuterales

Loi de Pouillet

i =E

sumk

Rk

i intensiteacute du courant dans lecircuitE tension deacutelivreacutee par le geacuteneacute-rateurRk reacutesistance k du circuit

Loi des nœuds

La loi des nœuds en N srsquoeacutecrit n

sumk=1

ik = 0

Ni1

in

ik

i4

i2i3

Loi des mailles

La loi des mailles sur la maille ci-

contre srsquoeacutecrit n

sumk=1

uk = 0 u1

u2

u3

u4

unuk

Theacuteoregraveme de Millman

Le theacuteoregraveme de Millman appliqueacuteen N donne

u =

n

sumk=1

Gk middot uk +p

sumj=1

i j

n

sumk=1

Gk u1 unu2 uk

uG1 GnG2 Gk

Ni1

i2 ijip

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 70

70 [2] Physique

Theacuteoregraveme de superposition (Helmholtz)Dans un reacuteseau de dipocircles lineacuteaires comportant n sources la tensionaux bornes de chaque dipocircle est la somme algeacutebrique des tensions qursquoily aurait aux bornes de ce dipocircle si une seule source autonome fonction-nait De mecircme lrsquointensiteacute dans une branche drsquoun circuit est la sommedes intensiteacutes qui regravegneraient dans la branche si une seule source au-tonome fonctionnait

12 Reacutegime variable

Puissance reccedilue par un dipocircle

p(t) = u(t)i(t)

lt pgt=1T

int T

0p(t) dt

lt pgtsinusoiumldal= Ueff Ieff cosϕ

On se place en convention reacutecep-teurp(t) puissance instantaneacutee reccediluepar le dipocirclelt p gt puissance moyenne reccediluepar le dipocircleu(t) tension aux bornes de ce di-pocirclei(t) intensiteacute traversant le dipocircleUeff tension efficace aux bornesdu dipocircleIeff intensiteacute efficace traversant ledipocircleϕ deacutephasage entre la tension etlrsquointensiteacute ϕ = arg Z ougrave Z est lrsquoim-peacutedance complexe

Impeacutedance complexe et phase des composants usuels

Reacutesistance

Z = R

ϕ = 0

Bobine

Z = jLω

ϕ = +π

2

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 71

1 Eacutelectronique 71

Condensateur

Z =1

jCω

ϕ = minusπ

2

Z impeacutedanceR valeur de la reacutesistanceC capaciteacute du condensateurL inductance de la bobineω pulsationϕ deacutephasage de u par rapport agrave i

Fonction de transfert

H( jω) =s

e

H( jω) fonction de transferts signal de sortiee signal drsquoentreacutee

Gain en deacutecibels ndash Phase

H(ω) = |H( jω)|

GdB = 20 log |H( jω)|

ϕ = argH

H(ω) gainGdB gain en deacutecibelsH( jω) fonction de transfertϕ phase (avance de la sortie surlrsquoentreacutee)

Diagramme de BodeLe diagramme de Bode en gain (respectivement en phase) consiste agraverepreacutesenter le gain en deacutecibel (respectivement la phase) en fonction de

logω

ω0ou de logω

Filtre passe-bas du premier ordre

log(w)log(w )0

G (dB)

log(w )0 log(w)

jp2

2

4-p

-p

H(ω) =H0

1 + jω

ω0

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dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 72

72 [2] Physique

Filtre passe-haut du premier ordre

log(w )0

log(w)

G (dB)

log(w )0

log(w)

jp

p2

4

2-p

H(ω) =H0 j

ω

ω0

1 + jω

ω0

Filtre passe-bas du deuxiegraveme ordre

log(w )0

log(w)

Q gt Q1 2 Q gt Q2 3

Q3

G (dB) log(w )0 log(w)Q gt Q1 2

Q3

j

0

2-p

-p

Q =1 gt Q2 3Ouml2

H(ω) =H0

1 +

(jω

ω0

)2+ j

ω

Qω0

Filtre passe-haut du deuxiegraveme ordre

log(w)

Q gt Q1 2

Q gt Q2 3

Q3

G (dB)

log(w )0

log(w )0 log(w)

Q gt Q1 2

Q3

j

0

2p

p

Q =1 gt Q2 3Ouml2

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 73

1 Eacutelectronique 73

H(ω) =

H0

(jω

ω0

)

1 +

(jω

ω0

)2+ j

ω

Qω0

Filtre passe bande du deuxiegraveme ordre

log(w)

Q gt Q1 2

Q gt Q2 3

Q3

G (dB)

log(w )0

log(w )0

log(w)

Q gt Q1 2

Q3

jp

0

2

2-p

Q =1 gt Q2 3Ouml2

H(ω) =H0

1 + jQ

ω0minus ω0

ω

)

13 Montages avec amplificateur opeacuterationnel

GeacuteneacuteraliteacutesPour un amplificateur opeacuterationnel ideacuteal en reacutegime lineacuteaire ndash ε = V+ minusVminus = 0lArrrArr |uS| 6 Vsatndash Si ε lt 0 uS = minusVsat si ε gt 0 uS = Vsat on est en reacutegime satureacutendash Lrsquointensiteacute entrant par les bornes + et minus est nulle

Suiveur de tension

+yen-e

uSuE

iS

uS = uE

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 74

74 [2] Physique

Amplificateur inverseur

+yen

-

R2

uSuE

iER1 e

uS = minusR2

R1uE

Amplificateur non inverseur

+yen-

R2

uSuE

iEiS

R1 e

uS =

(1 +

R2

R1

)uE

Convertisseur courant-tension

+yen-

R

uSuE

iE iSe

uS = minusR middot iE

Comparateur simple

+yen-

uSu2 u1

e

Si u1 gt u2 uS = +VsatSi u1 lt u2 uS = minusVsat

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 75

1 Eacutelectronique 75

Inteacutegrateur theacuteorique

+yen-R

C

uSuE

e uS =

minus 1RC

int t

t0uE(t) dt + us(t0)

Deacuterivateur theacuteorique

+yen-

R

uSuE

C e

uS = minusRCduEdt

Comparateur agrave hysteacutereacutesis

ε =R1

R1 + R2uS minus uE

ndash Si uS = +Vsat rArr ε gt 0rArr uE ltR1

R1 + R2Vsat

ndash Si uS = minusVsat rArr ε lt 0rArr uE gt minus R1

R1 + R2Vsat

ndash Si uE isin]minus R1

R1 + R2Vsat

R1

R1 + R2Vsat

[alors le montage est bistable

(uS = plusmnVsat)

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 76

76 [2] Physique

Sommateur inverseur

+yen-

R2

uS

uE1 uE2 uE3

uE1

i1

i2

i3

R11

R1 2

R1 3

e

ik =uEk

R1kuS = minusR2 sum

k

uEk

R1k

2 Thermodynamique

21 Gaz parfait

Eacutequation drsquoeacutetat

pV = nRT

p pression du gazV volume du gazR = N middot k constante des gaz par-faitsT tempeacuteraturen quantiteacute de matiegravere

Vitesse quadratique moyenne

12mu2 =

32kT

m masse atomique du gazu vitesse quadratique moyennek constante de BoltzmannT tempeacuterature

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 77

2 Thermodynamique 77

Coefficients thermoeacutelastiques

α =1V

(partVpartT

)

p

β =1p

(partppartT

)

V

χT = minus 1V

(partVpartp

)

T

α coefficient de dilatation isobareβ coefficient drsquoaugmentation depression agrave volume constantχT coefficient de compressibiliteacuteisothermep pressionT tempeacuteratureV volume

Relation entre les coefficients thermoeacutelastiquesα = pβχT

Modegravele de Van der Waals

(p +

n2a

V2

)(V minus nb) = nRT

a b constantes positivesn quantiteacute de matiegraverep pressionT tempeacuteratureV volumenb covolumeR constante des gaz parfaits

22 Premier et second principes de la thermodynamique

Premier principe

∆U = W + Q

∆U variation drsquoeacutenergie interneW transfert meacutecaniques reccedilus parle systegravemeQ transferts thermiques vers lesystegravemec copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 78

78 [2] Physique

Travail reacuteversible des forces de pression

W = minusint V f

Vi

p dV

W travail des forces de pressionVi volume initialV f volume finalp pressionSi la transformation est isobarealors W = minusp∆V

Enthalpie

H = U + pV

H enthalpieU eacutenergie internep pressionV volume du systegravemeLrsquoenthalpie est une fonction drsquoeacutetat

Premiegravere loi de Joule pour un gaz parfait

dU = CV dT

dU variation drsquoeacutenergie interneCV capaciteacute thermique agrave volumeconstantdT variation de tempeacuterature

CV =

(partUpartT

)

V

Autre formulation U ne deacutependque de T

Seconde loi de Joule pour un gaz parfait

dH = Cp dT

dH variation drsquoenthalpieCp capaciteacute thermique agrave pressionconstantedT variation de tempeacuterature

Cp =

(partHpartT

)

p

Autre formulation H ne deacutependque de T

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 79

2 Thermodynamique 79

Gaz parfait monoatomique

U =32nRT

H =52nRT

U eacutenergie interneH enthalpien quantiteacute de matiegravereR constante des gaz parfaitsT tempeacuterature

Bilan sur les eacutecoulements permanents

(h2 + ek2+ ρgz2)minus (h1 + ek1

+ ρgz1) = wm + qm

wm

qm

Cette relation est aussi appeleacuteerelation de ZeunerOn indexe par 1 et 2 les grandeursrelatives au fluide respectivementen amont et en aval de la machine

hi enthalpie massiqueeki

eacutenergie cineacutetique massiqueρgzi eacutenergie potentielle de pesan-teur massiquewm travail reccedilu par lrsquouniteacute demasse de fluide qui traverse la ma-chineqm transfert thermique reccedilu parlrsquouniteacute de masse de fluide qui tra-verse la machine

Deacutetente de Joule Gay-Lussac

eacutetat initial

eacutetat final

∆U = 0

U eacutenergie interne

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 80

80 [2] Physique

Deacutetente de JoulendashKelvin

h1 + ek1= h2 + ek2

En eacutecoulemement lent (eki≪ hi)

la deacutetente est isenthalpique (h2 =h1)

Rapport des capaciteacutes thermiques

γ =Cp

CVgt 1

Cp =γR

γminus 1

CV =R

γminus 1R constante des gaz parfaitsγ rapport des capaciteacutes ther-miques

Second principe ndash Entropie

dS =δQ

+ δSirrev

S entropieQ transferts thermiques vers lesystegravemeTΣ tempeacuterature de surface dusystegravemeδSirrev gt 0 creacuteation drsquoentropieLrsquoentropie est une mesure statis-tique du deacutesordre

Identiteacutes thermodynamiques

dU = T dSminus p dV

dH = T dS +V dp

dU variation drsquoeacutenergie internedH variation drsquoenthalpiedS variation drsquoentropiep pression du gazV volume du systegravemeT tempeacuterature

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 81

2 Thermodynamique 81

Lois de Laplace

p Vγ = cste1

T Vγminus1 = cste2

Tγp1minusγ = cste3

Ces lois deacutecrivent lrsquoeacutevolution desparamegravetres thermodynamiquespour une transformation isentro-pique (adiabatique reacuteversible) degaz parfaitp pression du gazV volume du systegravemeT tempeacuteratureγ rapport isentropique

23 Changements de phase drsquoun corps pur

Diagramme drsquoeacutetat

vapeur

C

T

T

p

liquidesolide

Le point C est le point critique au delagraveduquel on ne fait plus la diffeacuterence entrela phase liquide et la phase vapeur (eacutetatfluide)Le point T est le point triple ougrave toutes lesphases coexistentp pressionT tempeacuterature

Nomenclature des changements de phase

vapeurliquidesolidefusion

sublimation

condensation

solidification liqueacutefaction

vaporisation

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 82

82 [2] Physique

Diagramme drsquoeacutequilibre liquidendashvapeur

vapeur

T T= C

T gt TC

T lt TC

liquide+

vapeur

C

vvl

vv

VLM

p

V

liquide

courbe drsquoeacutebullition

courbe de roseacutee

vapeur

p = pC

p gt pC

p lt pC

liquide+

vapeur

C

ssl s

v

VL

M

T

S

liquide

courbe drsquoeacutebullition

courbe de roseacutee

Titre de vapeur ndash Titre de liquide

xv =mv

m=

LM

LV

xl =mlm

=MV

LV

xl titre massique de liquidexv titre massique de vapeurml mv masse de liquide et de vapeurLM LVMV distance LM LVMVmesureacutees sur un des deux diagrammesdrsquoeacutetat preacuteceacutedent

On a eacutegalement la relation xl + xv = 1

Expression des fonctions drsquoeacutetat

u = x1u1 + x2u2

h = x1h1 + x2h2

s = x1s1 + x2s2

xi le titre massique du corps pur dansla phase iui hi si lrsquoeacutenergie interne massiquelrsquoenthalpie massique et lrsquoentropie mas-sique du corps dans la phase iu h s lrsquoeacutenergie interne massique lrsquoen-thalpie massique et lrsquoentropie massiquedu corps

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 83

2 Thermodynamique 83

Chaleur latente

l1rarr2 = h2 minus h1 = T(s2 minus s1)

l1rarr2 chaleur latente massique de pas-sage de la phase 1 agrave la phase 2hi enthalpie massique du corps dans laphase isi entropie massique du corps dans laphase iT tempeacuterature de cœxistance desphases

Relation de Clapeyron

l1rarr2 = T(v2 minus v1)partppartT

l1rarr2 chaleur latente massique de pas-sage de la phase 1 agrave la phase 2vi volume massique du corps dans laphase ip pressionT tempeacuterature de changement drsquoeacutetat

24 Machines thermiques

Machines dithermes

machine

QC

W

QF

TC TF

TC tempeacuterature de la source chaudeQC transfert thermique algeacutebrique dela source chaude vers la machineTF tempeacuterature de la source froideQF transfert thermique algeacutebrique de lasource froide vers la machineW transfert meacutecanique reccedilu par la ma-chine

Premier et second principes appliqueacutes sur un cycle

∆U = 0

∆S = 0

Sur un cycle la variation drsquoeacutenergie in-terne (U) et drsquoentropie (S) est nulle(fonctions drsquoeacutetat)c copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 84

84 [2] Physique

Ineacutegaliteacute de Clausius

QC

TC+

QF

TF6 0

(Second principe appliqueacute agrave la machine)TC tempeacuterature de la source chaudeQC transfert thermique algeacutebrique dela source chaude vers la machineTF tempeacuterature de la source froideQF transfert thermique algeacutebrique de lasource froide vers la machine

Efficaciteacute de Carnot du moteur ditherme

eC = 1minus TFTC

e 6 eC

eC efficaciteacute de Carnot (machine reacutever-sible)TC tempeacuterature de la source chaudeTF tempeacuterature de la source froidee efficaciteacute reacuteelle

Efficaciteacute de Carnot du reacutefrigeacuterateur ditherme

eC =TF

TC minus TFe 6 eC

eC efficaciteacute de Carnot (machine reacutever-sible)TC tempeacuterature de la source chaudeTF tempeacuterature de la source froidee efficaciteacute reacuteelle

Efficaciteacute de Carnot de la pompe agrave chaleur

eC =TC

TC minus TFe 6 eC

eC efficaciteacute de Carnot (machine reacutever-sible)TC tempeacuterature de la source chaudeTF tempeacuterature de la source froidee efficaciteacute reacuteelle

Repreacutesentation du cycle

p

V

Le transfert meacutecanique reccedilu par la ma-chine correspond agrave lrsquoaire inteacuterieure de lacourbe dans le diagramme de Clapey-ron (pV) Cette aire doit donc ecirctre neacute-gative (parcourue dans le sens horaire)pour obtenir un moteur (w lt 0)

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 85

2 Thermodynamique 85

T

S

Le transfert thermique reccedilu correspondagrave lrsquoaire inteacuterieure agrave la courbe dans le dia-gramme (S T)

25 Diffusion thermique

Flux thermique

Φth =intint

Sjjjth middotnnn dS

Φth flux thermiquejjjth vecteur courant de diffusionthermiquennn normale agrave la surface dS

Loi de Fourier

jjjth = minusλgradT

jjjth vecteur courant de diffusionthermiqueT tempeacuteratureλ conductiviteacute thermique

Eacutequation de la chaleur

partTpartt

= κ∆T

κ =λ

ρC

κ diffusiviteacute thermiqueT tempeacuterature∆ laplacien scalaireλ conductiviteacute thermiqueρ masse volumiqueC capaciteacute thermique

Convection

jc = minush(Tint minus Text)

jc courant de convection algeacutebriqueh coefficient de convectionTint tempeacuterature inteacuterieureText tempeacuterature exteacuterieure

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 86

86 [2] Physique

Conductance thermique

Φ = G(Tint minus Text)

G = heqS

heq =

(

sumi

1hi

+ sumj

e j

λ j

)minus1

En reacutegime permanent on deacutefinitainsi la conductance thermiqueΦ flux thermique totalG conductance thermiqueTint tempeacuterature inteacuterieureText tempeacuterature exteacuterieureh coefficient de convectionλ conductiviteacute thermiquee j epaisseur de la paroi de conduc-tiviteacute λ j

26 Rayonnement thermique

Flux thermique

ϕi︸︷︷︸incident

= ϕr︸︷︷︸reacutefleacutechi

+ ϕa︸︷︷︸absorbeacute

ϕp︸︷︷︸partant

= ϕe︸︷︷︸eacutemis

+ ϕr︸︷︷︸reacutefleacutechi

+ ϕt︸︷︷︸transmis

Fi

Fr Fd

Ft

Fa

Loi de Planck

Fλ(λ T) =2πhc2

λ51

ehc

kλTminus1

Fλ(λ T) eacutemittanceλ longueur drsquoondeT tempeacuteratureh constante de Planckc vitesse de la lumiegravere dans levidek constante de Boltzmann

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 87

2 Thermodynamique 87

Repreacutesentation graphique de la loi de Planck

F ( T)l l

lieu des maximums

T T1 2gt

T T2 3gt

T T3 4gt

T4

l

Loi du deacuteplacement de Wien

λmT = 2 897 8 microm middotKλm longueur drsquoonde ougrave lrsquoeacutemis-sion est maximaleT tempeacuterature

Loi de StefanCette loi est valable pour tout corps agrave lrsquoeacutequilibre thermodynamique etagrave lrsquoeacutequilibre thermique pour ϕp

ϕe =int +infin

0Fλ(λ T) dλ

ϕe = σT4

ϕe flux eacutemisFλ(λ T) luminance (deacutecrite parla loi de Planck)σ constante de Stefanλ longueur drsquoondeT tempeacuterature

Corps noir

Un corps noir absorbe le flux incident pour toute longueur drsquoonde etquelque soit son incidence Il est en eacutequilibre radiatif (ϕp = ϕi etϕe = ϕa ougrave ϕp est le flux partant ϕi le flux incident ϕe le flux eacutemiset ϕa le flux absorbeacute) et thermique

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 88

88 [2] Physique

3 Meacutecanique du point

31 Cineacutematique

Coordonneacutees carteacutesiennes

OMOMOM = xiii + yjjj + zkkk

x abscissey ordonneacuteez cote

vvv =dOMOMOMdt

=

xyz

aaa =d2OMOMOMdt2

=

xyz

M

i

kj

z

x

zM

xM

yMy

O

Coordonneacutees cylindriques

OMOMOM = ruuur + zuuuz

r rayon polaireθ angle polairez cote

vvv =dOMOMOMdt

=

rrθz

uuur

uuuθ

uuuz

aaa =d2OMOMOMdt2

=

rminus rθ2

2rθ + rθz

uuur

uuuθ

uuuz

M

i

ur

uz

uq

kj

q

z

x

zM

xM

yM y

r

O

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 89

3 Meacutecanique du point 89

Coordonneacutees spheacuteriques

OMOMOM = ruuur

r rayonθ colatitude variant dans [0π]ϕ longitude variant dans [0 2π]

vvv =dOMOMOMdt

=

rrθ

r sin θϕ

uuur

uuuθ

uuuϕ

M

ur

uj

uq

i

k

j

j

q

x

z

r

zM

xM

yM yO

Mouvement circulaire uniforme

OMOMOM = ruuur

r rayon polaireθ angle polaireωωω vitesse angulaire uniforme(ωωω = ωuuuz)

M

v(M)

a(M)ur

uq q x

z

y

O

vvv = ωuuuz andOMOMOM = ωruuuθ aaa = minusω2ruuur = minus v2

ruuur

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 90

90 [2] Physique

32 Changement de reacutefeacuterentiel

x

xrsquo

z zrsquo

y

yrsquo

O Orsquo

Composition des vitesses

vvv(M)R = vvv(M)Rprime︸ ︷︷ ︸vitesse relative

+vvv(Oprime)R + ΩΩΩ andOprimeMOprimeMOprimeM︸ ︷︷ ︸vitesse drsquoentraicircnement

ΩΩΩ vecteur de rotation instantanneacutee de Rprime par rapport agrave R

Composition drsquoacceacuteleacuteration

aaa(M)R = aaa(M)Rprime+ 2ΩΩΩ and vvv(M)Rprime︸ ︷︷ ︸acceacuteleacuteration de Coriolis (ac)

+aaa(Oprime)R + ΩΩΩ and(ΩΩΩ andOprimeMOprimeMOprimeM

)+

dΩΩΩ

dtandOprimeMOprimeMOprimeM

︸ ︷︷ ︸acceacuteleacuteration drsquoentraicircnement (ae)

Forces associeacutees

fffe = minusmaaae

fffc = minusmaaac

fffe force drsquoentraicircnementfffc force de Coriolisaaae acceacuteleacuteration drsquoentraicircnementaaac acceacuteleacuteration de Coriolis

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 91

3 Meacutecanique du point 91

Reacutefeacuterentiel en rotation uniforme autour drsquoun axe fixe

fffe = mΩ2ruuur

(force centrifuge)

fffc = minus2mΩΩΩ and vvv(M)Rprime

W t

W

z = zrsquo

x

yrsquo

xrsquo

yO

Reacutefeacuterentiel galileacuteenDans un reacutefeacuterentiel galileacuteen un point mateacuteriel isoleacute est soit au repossoit animeacute drsquoun mouvement rectiligne uniforme

33 Lois geacuteneacuterales de la meacutecanique

Principe des actions reacuteciproques

FFF1rarr2 = minusFFF2rarr1

M1M2M1M2M1M2 and FFF1rarr2 = 000

FFFirarr j force de i sur jMi point drsquoapplication de la forceFirarr j

Principe fondamental de la dynamique

dpppdt

= sumi

fffi

ppp = mvvv quantiteacute de mouvementdu systegravemefffi force appliqueacutee au systegravemesumi

fffi reacutesultante des forces

Quantiteacute de mouvement drsquoun systegraveme fermeacute

ppp = sumi

mivvv(Pi) = Mvvv(G)

ppp quantiteacute de mouvement du sys-tegravememi masse associeacutee au point mateacute-riel PiM masse du systegravemeG centre de masse du systegraveme

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 92

92 [2] Physique

Theacuteoregraveme du moment cineacutetique en un point fixe

dLLLO

dt=MMMO

(

sumi

fffi

)LLLO moment cineacutetique au point dereacuteduction O

MMMO

(

sumi

fffi

) moment de la reacutesul-

tante des forces en O

Moment cineacutetique ndash Moment cineacutetique barycentrique

LLLB = LLLA +BABABA andmvvv(M)

LLLlowastsystegraveme = LLLG

LLLP moment cineacutetique en Pm masse du systegravemevvv(M) vitesse du point MLLLlowastsystegraveme moment cineacutetique bary-centrique du systegraveme

Theacuteoregraveme de Kœnig du moment cineacutetique

LLLA = LLLlowast +AGAGAG andMvvv(G)

LLL(P) moment cineacutetique en PLLLlowast moment cineacutetique barycen-triqueM masse du systegravemevvv(G) vitesse du centre de graviteacutedu systegraveme

Moment de forces

MMMB(fff) =MMMA(fff) +BABABA and fff MMMP moment de force en Pfff force appliqueacutee au systegraveme

Theacuteoregraveme du moment cineacutetique en un point mobile

dLLLAdt = MMMA (sumi fffi)

minusvvv(A) andmvvv(P)

LLL moment cineacutetique

MMM(

sumi

fffi

) moment de la reacutesul-

tante des forcesm masse du systegravemevvv(P) vitesse de P

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 93

3 Meacutecanique du point 93

Puissance drsquoune force

P = fff middot vvvP puissance de la force ffffff forcevvv(G) vitesse du point mateacuteriel

Eacutenergie cineacutetique drsquoun point et drsquoun systegraveme de points

Ek =12mv2

Ek = sumi

mi

2v2i

Ek eacutenergie cineacutetiquem masse du systegravememi masse du point mateacuteriel Piv vitesse du systegravemevi vitesse du point mateacuteriel Pi

Theacuteoregraveme de lrsquoeacutenergie cineacutetique

dEkdt

= PEk eacutenergie cineacutetiqueP puissance des forces appli-queacutees au systegraveme

Theacuteoregraveme de Kœnig de lrsquoeacutenergie cineacutetique

Ek = Elowastk +12mv2(G)

Ek eacutenergie cineacutetiqueElowastk eacutenergie cineacutetique barycen-triquem masse du systegravemev(G) vitesse du centre de graviteacutedu systegraveme

Eacutenergie meacutecanique

Em = Ek + Ep

Em eacutenergie meacutecaniqueEk eacutenergie cineacutetiqueEp eacutenergie potentiellec copy

Duno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 94

94 [2] Physique

Eacutenergies potentielles

ndash eacutenergie potentielle de pesanteur

Eppes = MgzG

Eppes eacutenergie potentielle de pe-santeurm masse du systegravemeg acceacuteleacuteration de la pesanteurzG cote du centre de graviteacute dusystegraveme

ndash eacutenergie potentielle eacutelastique

Epelas=

12k(∆l)2

Epelas eacutenergie potentielle eacutelastique

k constante de raideur du ressort∆l allongement du ressort

ndash eacutenergie potentielle de gravitation

Epgrav = minusGm1m2

r

Epgrav eacutenergie potentielle de gra-vitationG constante universelle de gravi-tationm1 m2 masses en interactionr distance seacuteparant les deuxmasses

ndash eacutenergie potentielle eacutelectrique

Epel= qV

Epel eacutenergie potentielle eacutelectrique

q charge ponctuelleV potentiel au point ougrave se trouvela charge

Eacutequilibre

dEp

dx(x0) = 0

x0 position drsquoeacutequilibreEp eacutenergie potentielle

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 95

3 Meacutecanique du point 95

Eacutequilibre stable ndash Eacutequilibre instable

d2 Ep

dx2(x0) gt 0

x0

Ep

xO

Minimum drsquoeacutenergie potentielle eacutequilibre stable

d2 Ep

dx2(x0) 6 0

x0

Ep

xO

Maximum drsquoeacutenergie potentielle eacutequilibre instable

Forces conservatives

FFFcons = minusgradEp Les forces conservatives deacuteriventdrsquoune eacutenergie potentielle

Theacuteoregraveme de lrsquoeacutenergie meacutecanique

dEm

dt= Pext non cons +Pint non cons

Em eacutenergie meacutecaniquePext non cons puissance des forcesexteacuterieures au systegraveme nonconservativesPint non cons puissance des forcesinteacuterieures au systegraveme (dans lecas drsquoun systegraveme de points) nonconservatives

34 OscillateursOn se reportera eacutegalement aux oscillateurs eacutelectriques dans la partie eacutelec-tronique de cet ouvrage

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 96

96 [2] Physique

Oscillateur harmonique

d2 Adt2

+ ω20A = 0

A = α cosω0t + β sinω0t

A = γ cos(ω0t + ϕ)

Un oscillateur harmonique est reacute-git par lrsquoeacutequation ci-contre ougrave A grandeur physiqueω0 pulsation de lrsquooscillateurαβγϕ constantes deacutetermineacuteespar les conditions initiales

Portrait de phase drsquoun oscillateur harmonique

A

Aw0

0

Le portrait de phase drsquoun oscilla-teur harmonique est constitueacute decercles concentriques

Oscillateur harmonique amorti

d2 Adt2

+ω0

Q

dAdt

+ ω20A = 0

A grandeur physiqueω0 pulsation de lrsquooscillateur har-moniqueQ facteur de qualiteacute de lrsquooscilla-teur

Reacuteponses drsquoun oscillateur harmonique amorti

Q gt 12 les deux racines delrsquoeacutequation caracteacuteristique r1 et r2sont reacuteelles la solution est du typeapeacuteriodique A(t) = λer1t + microer2t

A( )t

t

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 97

3 Meacutecanique du point 97

Q = 12 on est en reacutegimecritique lrsquoeacutequation caracteacuteristiqueadmet une racine double r La so-lution est A(t) = (λt + micro)ert

A( )t

t

Q lt 12 les deux racinesde lrsquoeacutequation caracteacuteristiques sontcomplexes conjugueacutees la solu-tion est alors pseudo-peacuteriodique A(t) = (λ cos(βt) + micro sin(βt))eαt

avec α et β respectivement partiesreacuteelle et imaginaire de la solution

A( )t

t

Portrait de phase drsquoun oscillateur amorti

Qgt1

2

Q=12

Q

lt12

A

Aw0

Oscillations forceacutees

d2 Adt2

+ω0

Q

dAdt

+ ω20A = E(t)

A grandeur physiqueω0 pulsation de lrsquooscillateur har-moniqueQ facteur de qualiteacute de lrsquooscilla-teurE(t) excitationSi lrsquoexcitation est sinusoiumldale onreacutesout une telle eacutequation en utili-sant la notation complexe et en po-sant A(t) = A0e

jωtIl ne peut y avoir reacutesonance que siQ gt 1

radic2

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 98

98 [2] Physique

35 Mouvement drsquoune particule chargeacutee

Force de Lorentz

FFF = q(EEE + vvv andBBB)

FFF force de Lorentzq charge de la particulevvv vitesse de la particuleBBB champ magneacutetiqueEEE champ eacutelectrique

Mouvement dans un champ magneacutetique stationnaire uniforme

R =

∣∣∣∣mv0qB

∣∣∣∣

ω =

∣∣∣∣qB

m

∣∣∣∣

Ces lois deacutecrivent la trajectoire cir-culaire drsquoune particule de masse met de charge q abandonneacutee dansun champ magneacutetique avec unevitesse vvv0 orthogonale au champmagneacutetique BBBR rayon de la trajectoireω vitesse angulaire de la parti-cule

Un champ magneacutetique ne fait que deacutevier une particule il ne lrsquoacceacutelegraverepas

Effet Hall

EEEHall = minusvvv andBBB

UHall =BI

nqℓ

EEEHall champ eacutelectrique creacuteeacute pareffet HallUHall diffeacuterence de potentiel quiapparaicirct aux bornes de la sondevvv vitesse des particulesBBB champ magneacutetiqueI intensiteacute du courant traversantla sonden densiteacute particulaireq charge de la particuleℓ largeur de la sonde

B

EHall

I l

+++++++

ndashndashndashndashndashndashndash

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 99

3 Meacutecanique du point 99

36 Systegravemes de deux points mateacuteriels

Systegraveme isoleacute de deux points mateacuterielsPour eacutetudier un systegraveme isoleacute de deux points mateacuteriels de masse m1 etm2 on eacutetudie le mouvement drsquoune particule eacutequivalente dans le reacutefeacute-

rentiel barycentrique et de masse micro =m1m2

m1 + m2situeacutee en un point M

tel que GMGMGM = M1M2M1M2M1M2 = rrr

GM1GM1GM1 =minusm2

m1 + m2M1M2M1M2M1M2

GM2GM2GM2 =m1

m1 + m2M1M2M1M2M1M2

(m1 + m2)vvv(G) = cstecstecste

mi masse de la particule se trou-vant en Mimicro masse reacuteduiteG centre de graviteacute du systegravemevvv(G) vitesse de ce centre de gra-viteacutevvvi vitesse de la particule se trou-vant en Mi

Conservation du moment cineacutetique

LLLO = mCCC

ppp = CsteCsteCste

Dans le cas drsquoun systegraveme isoleacute dedeux particules il y a conserva-tion du moment cineacutetique et de laquantiteacute de mouvementLLL moment cineacutetiqueP point fictif (repreacutesentant le mo-bile eacutequivalent)vvv(P) vitesse de ce pointm masse du systegravemeCCC constante des aires

Planeacuteiteacute de la trajectoire ndash Loi des aires

La trajectoire est plane et la vitesseareacuteolaire est constante

dAdt

=C

2laquo Pour des temps eacutegaux les airesbalayeacutees sont eacutegales raquo

v( )M

d aire balayeacuteependant dA

t

O

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 100

100 [2] Physique

Eacutenergie potentielle efficace

Elowastm =12micror2 + Epe f f = E0

Epe f f =microC2

2r2+ Epint (r)

Pour un systegraveme isoleacute de deuxpoint mateacuteriels il y a conserva-tion de lrsquoeacutenergie meacutecanique bary-centriqueElowastm eacutenergie meacutecanique barycen-triqueEpe f f eacutenergie potentielle efficaceEpint (r) eacutenergie potentielle inteacute-rieure

micro masse reacuteduite(

micro =m1m2

m1 + m2

)

r = M1M2C constante des aires

Formules de Binet

vvv = minusCdudθ

uuur + Cuuuuθ

aaa = minusC2u2

(d2 udθ2 + u

)uuur

u =1r

vvv vitesseaaa acceacuteleacuterationC constante des airesθ angle polaireuuur vecteur radialuuuθ vecteur orthoradial

Trajectoires newtonniennes en coordonneacutees polaires

r(θ) =p

1 + e cos(θminus θ0)

p paramegravetre de la coniquee excentriciteacute de la coniquee et θ0 sont deacutetermineacutes par lesconditions initiales

Lois de KeplerCes lois deacutecrivent les trajectoires des planegravetes en supposant le reacutefeacuteren-tiel de Kepler centreacute sur le soleil galileacuteen et les trajectoires des diffeacute-rentes planegravetes indeacutependantes1 Les orbites des planegravetes sont des ellipses ayant le soleil pour foyer2 La vitesse areacuteolaire est constante pour des temps eacutegaux les airesbalayeacutees sont eacutegales

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 101

4 Meacutecanique du solide 101

3 Le carreacute de la peacuteriode est proportionnelle au cube du grand axe

T2 =4π2a3

GMsoleil

4 Meacutecanique du solide

41 Cineacutematique du solide

Champ de vitesse du solide

vvv(A t) = vvv(B t) +ABABAB andΩΩΩ(t)

vvv vitesse du point du solideconsideacutereacuteΩΩΩ vecteur instantaneacute de rotationdu solide

Roulement sans glissement

vvvg S1S2= vvv(IS1 )minus vvv(IS2 ) = 000

vvv(ISk) vitesse du point appar-

tenant au solide Sk et coiumlncidentavec le point I de contact entre lesdeux solidesvvvg S1S2

vitesse de glissement deS1 par rapport agrave S2

Eacutenergie cineacutetique du solide

Ek =12mv2(G)︸ ︷︷ ︸translation

+12J∆Ω2

︸ ︷︷ ︸rotation propre

Ek eacutenergie cineacutetiquem masse du solidev(G) vitesse du centre drsquoinertieJ∆ moment drsquoinertie par rapportagrave lrsquoaxe de rotation instantaneacute dusolide dans le reacutefeacuterentiel barycen-triqueΩΩΩ vecteur vitesse de rotation ins-tantaneacute

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dL

apho

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toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 102

102 [2] Physique

Moment drsquoinertie

Moment drsquoinertie par rapport agravelrsquoaxe ∆

J∆ =intintint

solider2 dm

Eacuteleacutements cineacutetiques L∆ = J∆Ω (Moment cineacutetique)Ek = 1

2 J∆Ω2 (Eacutenergie cineacutetique)D

W

r

Theacuteoregraveme drsquoHuygens

J∆ = JG + ma2

J∆ moment drsquoinertie par rapportagrave lrsquoaxe de rotationJG moment drsquoinertie par rapportagrave lrsquoaxe passant par G et parallegravele agrave∆

D

Wa

G

Quelques moments drsquoinertie classiques

D

R

D

R

h

D

l 2 l 2

sphegravere pleinehomogegravene de masse

m

cylindre pleinhomogegravene de masse

m

tige mincehomogegravene de masse

m

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 103

4 Meacutecanique du solide 103

J∆ =25mR2 J∆ =

12mR2 J∆ =

112

mℓ2

42 Theacuteoregravemes geacuteneacuteraux de la dynamique

Theacuteoregraveme du centre drsquoinertie

mdvvvGdt

= sumi

fffivvvG vitesse du centre drsquoinertie dusolidefffi force exteacuterieure appliqueacutee ausolide

Theacuteoregraveme du moment cineacutetique

dLLLO

dt= sum

i

OMOMOMi and fffi

LLLO moment cineacutetique du solideen O point immobilefffi force exteacuterieure appliqueacutee ausolideMi point drsquoapplication de la forcefi

Moment cineacutetique ndash Moment cineacutetique barycentrique

LLLB = LLLA +BABABA andmvvv(P)

LLLlowastsystegraveme = LLLG

LLL moment cineacutetiquem masse du solidevvv(P) vitesse du point PLLLlowastsystegraveme moment cineacutetique bary-centrique du solide

Theacuteoregraveme de Kœnig du moment cineacutetique

LLLA = LLLlowast +AGAGAG andmvvv(G)

LLL moment cineacutetiqueLLLlowast moment cineacutetique barycen-triquem masse du systegravemevvv(G) vitesse du centre de graviteacutedu solide

Theacuteoregraveme de lrsquoeacutenergie cineacutetique

dEkdt

= PextEk eacutenergie cineacutetiquePext puissance des forces exteacute-rieures appliqueacutees au solide

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 104

104 [2] Physique

Puissance des forces appliqueacutees agrave un solide

P = FFF middot vvv(G) +MMMG middotΩΩΩ

P puissance des forces appli-queacutees au solideFFF force reacutesultantevvv(G) vitesse du centre drsquoinertiedu solideMMM moment des forces exteacuterieuresen GΩΩΩ vecteur de rotation instantaneacuteedu solide

Theacuteoregraveme de Kœnig de lrsquoeacutenergie cineacutetique

Ek = Elowastk +12mv2(G)

Ek eacutenergie cineacutetiqueElowastk eacutenergie cineacutetique barycen-triquem masse du solidevvv(G) vitesse du centre drsquoinertiedu solide

Theacuteoregraveme de lrsquoeacutenergie meacutecanique

dEm

dt= Pext non cons

Em eacutenergie meacutecaniquePext non cons puissance des forcesexteacuterieures non conservatives

Liaison pivotPour une liaison pivot parfaiteM∆ = 0 ougraveM∆ est le moment desactions de contact

43 Contacts entre les solides

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 105

5 Optique 105

Roulement sans glissement

vvvg de S1S2= vvv(IS1 )minus vvv(IS2 ) = 000

vvv(ISk) vitesse du point appar-

tenant au solide Sk et coiumlncidentavec le point I de contact entre lesdeux solidesvvvg de S1S2

vitesse de glissementdu solide S1 par rapport au solideS2

N

T I

S1

S2

Lois de Coulomb1 La reacuteaction normale NNN est dirigeacutee vers lrsquoexteacuterieur du support2 Condition de roulement sans glissement

TTT lt fsNNNougrave TTT est la reacuteaction tangentielle ou force de frottement NNN la reacuteactionnormale et fs le coefficient de frottements statiques3 Srsquoil y a glissement TTT est dans la mecircme direction que la vitesse deglissement et de sens opposeacute Alors

TTT = fdNNNougrave fd est le coefficient de frottement dynamique souvent confonduavec fs

5 Optique

51 Geacuteneacuteraliteacutes

Propagation dans le vide drsquoune onde lumineuse

λ = cT =c

ν

λ longueur drsquoonde du signalc vitesse de la lumiegravere dans levideν freacutequence du signalT peacuteriode du signal

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 106

106 [2] Physique

Propagation dans un milieu transparent isotrope homogegravene

v =c

n

λ = vT =v

ν

v vitesse de la lumiegravere dans le mi-lieun indice du milieuT peacuteriode du signalν freacutequence du signal

Spectre

l (nm)

l (m)

f (Hz)

infrarougemicro ondes

ondes hertziennes

ultraviolet

rayons X

violet indigo bleu vert jaune orange rouge

vis

ible

10ndash9

400

1017

1016

1015

1014

1013

1012

1011

1010

10ndash8

450

10ndash7

480

10ndash6

530

10ndash5

590

10ndash4

620

10ndash3

700

10ndash2

52 Optique geacuteomeacutetrique

Loi de SnellndashDescartes

i2

i1 rn1

n2

n1 sin i1 = n2 sin i2

r = i1

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 107

5 Optique 107

Prisme

sin i1 = n sin r1

sin i2 = n sin r2

r1 + r2 = Ai1

A

D

r1

i2

n

r2

Deacuteviation du prisme

D = i1 + i2 minus A

Dm = 2 arcsin(n sin

A

2

)minus A

D deacuteviationA angle au sommet du prismeDm minimum de deacuteviationi angle drsquoincidence au minimumde deacuteviation

Approximation de GaussPour se placer dans lrsquoapproximation de Gauss il faut des faisceaux peuouverts et des angles drsquoincidence petits

Dioptre spheacuteriquen1pprimeminus n2

p=

n1 minus n2r

p abscisse du point objetpprime abscisse du point imageR = SC rayon algeacutebrique dudioptre

CS

n1 n2

I

r

Miroirs spheacuteriques

C S

I

r

CS

I

r

Miroir concave (R = SC lt 0) Miroir convexe (R = SC gt 0)

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dL

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 108

108 [2] Physique

Relation de conjugaison des miroirs spheacuteriques

1pprime

+1p

=2R

R rayon algeacutebrique du miroir(R lt 0 pour un miroir concave etR gt 0 pour un miroir divergent)pprime distance algeacutebrique de S aupoint imagep distance algeacutebrique de S aupoint objet

Miroir plan

pprime = minusp

pprime distance algeacutebrique de S aupoint imagep distance algeacutebrique de S aupoint objet

Lentilles minces

B

Brsquo

ArsquoA O FFrsquo

B

Brsquo

Arsquo

A OF

Frsquo

Lentille divergente Lentille convergente

Relation de conjugaison des lentilles minces

1pprimeminus 1

p=

1f prime

f prime distance focale de la lentille( f prime lt 0 pour une lentille diver-gente et f prime gt 0 pour une lentilleconvergente)pprime distance algeacutebrique du foyerau point imagep distance algeacutebrique du foyer aupoint objet

Relation de Descartes ndash Relation de Newton

f prime

pprime+

f

p= 1 f f prime = (pprime minus f prime)(pminus f )

(relation de Descartes) (relation de Newton)

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 109

5 Optique 109

Grandissement

γ =pprime

p

γ grandissementpprime distance algeacutebrique de O aupoint imagep distance algeacutebrique de O aupoint objet

53 Interfeacuterences lumineuses

Obtention drsquointerfeacuterencesOn ne peut obtenir drsquointerfeacuterences qursquoavec des rayons lumineux is-sus de deux sources coheacuterentes secondaires obtenues avec une seulesource par division ou du front drsquoonde ou de lrsquoamplitude

Chemin optique dans un milieu homogegravene isotrope

[SM] = c middot τSM

[SM] chemin optique de S agrave Mc vitesse de la lumiegravere dans levideτSM temps mis par le signal pourparcourir la distance SM

Diffeacuterence de marche

δ = [SP1M]minus [SP2M]δ diffeacuterence de marche[SPjM] chemin optique du rayonpassant par Pj

Vibration lumineuse

s(M) = s0 cos(ωtminusϕS minus 2π

λ [SM])

s(M) vibration lumineuse en MS0 amplitude de la vibrationω pulsation de la vibration lumi-neuseϕS phase de la vibration agrave lasourceλ longueur drsquoonde[SM] chemin optique de S agrave M

c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 110

110 [2] Physique

Vibration complexe

s(M) = S0ei(ωtminusϕs)eminus

2iπλ

[SM]

s(M) vibration lumineuse com-plexe en MS0 amplitude de la vibrationω pulsation de la vibration lumi-neuseϕS phase de la vibration agrave lasourceλ longueur drsquoonde[SM] chemin optique de S agrave M

Plan drsquoondeOn appelle plan drsquoonde un plan ougrave tous les points sont dans le mecircmeeacutetat vibratoire

Theacuteoregraveme de MalusLes rayons lumineux sont perpendiculaires en tout point aux surfacesdrsquoondes

Eacuteclairement

E(M) = αs2(M)

E(M) =12αs(M)slowast(M)

E(M) eacuteclairement au point Mα = cε0 une constante positive(E est en fait le vecteur de Poytingvoir cours drsquoeacutelectromagneacutetisme)s(M) vibration lumineuse en Ms(M) vibration lumineuse com-plexe en M

Interfeacuterences

E(M) = 2E0(1 + cos∆ϕ(M))

E(M) eacuteclairementE0 eacuteclairement de la source∆ϕ(M) deacutephasage en MLrsquoeacutecran est brillant si ∆ϕ = 2kπk isin ZLrsquoeacutecran est noir si ∆ϕ = (2k + 1)

π

2 k isin Z

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 111

5 Optique 111

Ordre drsquointerfeacuterence

p =∆ϕ

2π=

δ

λ

p ordre drsquointerfeacuterence∆ϕ deacutephasage en Mδ diffeacuterence de marcheλ longueur drsquoondeLrsquoeacutecran est brillant si p isin Z

Lrsquoeacutecran est sombre si p isin Z +12

Contraste

C =Emax minus Emin

Emax + Emin

C contrasteEmax eacuteclairement maximumEmin eacuteclairement minimum

Trous drsquoYoung

M x( )

x

a

D

S

δ(x) =ax

D(diffeacuterence de marche)

E(x) = 2E0

(1 + cos

2πλ

ax

D

)

i =λD

a(interfrange)

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 112

112 [2] Physique

54 Interfeacuteromegravetre de Michelson

Scheacutema

miroir M2

miroir M1seacuteparatrice SP

source S

Scheacutemas eacutequivalents avec une source ponctuelleCoin drsquoair Lame drsquoair

M2

M1

M1rsquo

SP

M x y( )

S1

S2

S

y

x

eM2

M1

M1rsquo

SP

S

y

x

M x y( )

a

S1 S2

Source ponctuelle ndash Source eacutetendueDans la suite nous consideacutererons que lrsquointerfeacuteromegravetre est eacuteclaireacute avecune source eacutetendue les interfeacuterences sont localiseacutees agrave lrsquoinfini (ob-servables dans le plan focal image drsquoune lentille convergente) alorsqursquoelles sont deacutelocaliseacutees avec une source ponctuelle

Lame drsquoair

δ = 2e cos iδ diffeacuterence de marchei angle drsquoincidencee laquo eacutepaisseur raquo entre les miroirs

e

i

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 113

5 Optique 113

Figure drsquointerfeacuterence

rn

rn =

radicλ f prime

e

radicn

Par symeacutetrie des anneauxrn rayon du ne anneauλ longueur drsquoondee laquo eacutepaisseur raquo entre les miroirsf prime distance focale de la lentille uti-liseacutee pour lrsquoobservation(valable si le centre de la figuredrsquointerfeacuterence est brillant)

Coin drsquoair

δ = 2αxδ diffeacuterence de marcheα angle entre les deux miroirs(quelques dixiegravemes de degreacutes)x abscisse du point du miroirconsideacutereacute

x

O

a

Figure drsquointerfeacuterence

i

i =λγ

Par symeacutetrie des frangesi interfrangeλ longueur drsquoondeα angle entre les deux miroirsγ grandissement de la lentille uti-liseacutee pour lrsquoobservation

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 114

114 [2] Physique

Source eacutemettant un doublet

E(e) = 4E0

(1 +V(e) cos

(4πeλ0

))

V(e) = cos

(2π

δλ

λ20e

)

On observe des battements

E

e

Luminance

Entre les freacutequences ν et ν + dν lasource eacutemet

dE = L(ν) dν

L( )n

n

dn

n2n1

Source agrave raie spectrale

E(e) = 4E0

(1 +V(e) cos

(4πeλ0

))

V(e) = sinc

(2π

δλ

λ20e

)

E

e

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 115

5 Optique 115

55 Autres dispositifs drsquointerfeacuterences

Le FabrymdashPeacuterotS

e

i

Le FabryndashPeacuterot permet de reacutealiser des interfeacuterences entre une infiniteacutedrsquoondes il est donc drsquoune tregraves grande preacutecision

Expression de lrsquoeacuteclairement drsquoun FabryndashPeacuterot

E(Φ) =E0

1 + 4r2(1minus r2)2

sin2(

Φ2

)

Φ =4πeλ0

cos i

F =4r2

(1minus r2)2 finesse

E

F2p 4p

Miroirs de Fresnel

miroir M2

miroir M1

sourceS

zonedrsquointerfeacuterence

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 116

116 [2] Physique

Expression de lrsquoeacuteclairement des miroirs de Fresnel

E(x) =E0

2

(1 + cos

(2πδ

λ

))

δ =2dαd + D

α angle entre les miroirsx abscisse drsquoun point de lrsquoeacutecrand distance entre la source et lrsquoar-recircte des miroirsD distance entre lrsquoarrecircte des mi-roirs et lrsquoeacutecranλ longueur drsquoonde

56 Diffraction des ondes lumineuses

Principe drsquoHuygensndashFresnelQuand une onde lumineuse traverse une ouverture (Σ) qui la limite pour deacutecrire lrsquoonde diffracteacutee au delagrave de (Σ) on suppose que chaquesurface eacuteleacutementaire (dΣ) autour du point courant P de (Σ) reacuteemet verslrsquoavant une ondelette spheacuterique ndash de mecircme freacutequence que lrsquoonde incidente ndash en phase en P avec lrsquoonde incidente ndash drsquoamplitude proportionnelle agrave celle de lrsquoonde incidente et agrave (dΣ)Crsquoest la superposition de ces ondelettes qui deacutecrit lrsquoonde diffracteacutee

Conditions de FraunhoferOn observe la diffraction agrave lrsquoinfini (crsquoest-agrave-dire agrave une distance tregravesgrande devant les dimensions de lrsquoobjet diffractant ou mieux au foyerobjet drsquoune lentille convergente)

Montage de la diffraction agrave lrsquoinfini

sourcedans le

plan focalobjet de ( )

S

L0

M

u

u0

lentille( )L0

lentille( )L

objetdiffractant

eacutecran( ) dans le planfocal image de ( )E

L

S

P

O

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 117

5 Optique 117

Formulation pratique du principe drsquoHuygensndashFresnel

s(M t) = kS0ei(ωtminus 2π

λ[SOM])

intint

PisinΣt(P)ei

π

λnOPOPOP(uuuminusuuu0) dΣ

k constante de FraunhoherS0 amplitude de la vibration lumineuset(P) transparence de lrsquoobjet diffractantn indice du milieu (supposeacute homogegravene)λ longueur drsquoonde de la lumiegravere utiliseacutee

Diffraction par une ouverture rectangulaire

S

M XY( )

f

X

Y

ua

b

( )L0 ( )L

S

O

E(XY) = k2S20a2b2 sinc2

(πaX

λ f

)sinc2

(πbY

λ f

)

k constante de Fraunhofera longueur de la fenteb largeur de la fentef distance focale de la lentille utiliseacutee pour lrsquoobservationλ longueur drsquoonde de la lumiegravere utiliseacuteeOn suppose ici que t(P) = 1 en tout point de lrsquoouverture et que cettemecircme ouverture est plongeacutee dans un milieu drsquoindice uniforme 1

tache centrale

1 zeacuteroer

2 zeacuteroe

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 118

118 [2] Physique

Diffraction par un motif circulaire

La majoriteacute de la lumiegravere est dans un disque de rayon angulaire

θ = 0 61λ

r(tache drsquoAiry) ougrave θ est le rayon angulaire du premier an-

neau sombreCritegravere de seacuteparation de Rayleigh deux taches lumineuses sont seacutepa-reacutees si leur centres sont distincts de plus du rayon de la tache drsquoAiry

Diffraction par un objet opaque

On obtient la mecircme figure agrave lrsquoeacutecran que pour une ouverture de lamecircme forme si ce nrsquoest que le centre est tregraves brillant

6 Eacutelectromagneacutetisme

61 Eacutelectrostatique

Symeacutetries du champ eacutelectriqueLe champ EEE est symeacutetrique par rapport aux plans de symeacutetrie descharges et antisymeacutetrique par rapport aux plans drsquoantisymeacutetrie descharges

Champ et potentiel creacuteeacutes par une charge fixe

q

M

u

r

E(M)

V(M) =q

4πε0r

EEE(M) =q

4πε0r2uuu

EEE = minusgradV

q charge ponctuelle fixeε0 permeacuteabiliteacute du vider distance entre le point M et lachargeEEE(M) champ eacutelectrique en MV(M) potentiel eacutelectrique en M

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 119

6 Eacutelectromagneacutetisme 119

Distribution discregravete ndash Distribution continueDistribution discregravete Distribution continue

EEE(M) = sumi

14πε0

qir2iuuui EEE(M) =

intintint 14πε0

ρ

r2uuu dτ

qi charge ponctuelle situeacutee en riε0 permittiviteacute du vide

ρ densiteacute de chargeε0 permittiviteacute du vide

Eacutequation de Poisson

∆V +ρ

ε0= 0

Eacutequation veacuterifieacutee par le potentieleacutelectrique en reacutegime permanentV potentiel eacutelectriqueρ densiteacute de chargeε0 permittiviteacute du vide

Theacuteoregraveme de Gauss

intcopyint

EEE(M)nnn dS =Qint

ε0

EEE(M) champ eacutelectrique au pointMnnn normale en M agrave la surfaceQint charges inteacuterieures agrave la sur-face fermeacuteeε0 permittiviteacute du vide

Theacuteoregraveme de Gauss pour la gravitation

intcopyint

GGG(M)nnn dS = minus4πGMint

GGG(M) champ de gravitation aupoint Mnnn normale en M agrave la surfaceMint masse inteacuterieure agrave la surfacefermeacuteeG constante universelle de gravi-tation

Champ eacutelectrique creacuteeacutes par un plan infini

EEE(M) = plusmn σ

2ε0uuuz

+ si z gt 0minus si z lt 0

EEE(M) champ eacutelectrique creacuteeacute en Mpar le planσ charge surfaciqueε0 permittiviteacute du videuuuz vecteur normal agrave la surface

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 120

120 [2] Physique

Condensateur plan

EEE = 0 agrave lrsquoexteacuterieur

EEE =σ

ε0uuuz agrave lrsquointeacuterieur

EEE champ eacutelectriqueσ charge surfaciqueε0 permittiviteacute du videOn deacutefinit la capaciteacute C ducondensateur

C =ε0S

e

S surface des armaturese distance entre les armatures

Dipocircle eacutelectrostatique

ppp = qNPNPNP

V(M) =p cos θ

4πε0r2=

ppp middotOMOMOM

4πε0OM3

EEE = minusgradV

q charge positiveN barycentre des charges neacutega-tivesP barycentre des charges posi-tivesppp moment dipolaireV(M) potentiel eacutelectrique du di-pocircleEEE champ eacutelectrique

q

N O P

u

r

E(M)

lignes de champeacutequipotentielles

Eacutenergie potentielle ndash Moment subi dans un champ exteacuterieur

Ep = minusppp middotEEEext(M)

M = ppp andEEEext(M)

Ep Eacutenergie potentielleM moment reacutesultant des forceseacutelectriquesppp moment dipolaireEEEext champ eacutelectrique auquel estsoumis le dipocircle

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 121

6 Eacutelectromagneacutetisme 121

62 Magneacutetostatique

Symeacutetries du champ magneacutetiqueLe champs BBB est symeacutetrique par rapport aux plans drsquoantisymeacutetrie descourants et symeacutetrique par rapport aux plans drsquoantisymeacutetrie des cou-rants

Loi de Biot et Savart

dBdBdB(M) =micro0dCdCdC(P)

4πr2anduuuPM

dC

M

P

uPM

r

dCdCdC =

I dl pour un circuit filiformeqvvv pour une charge ponctuellejjj dτ pour un courant volumiquejjjS dS pour un courant surfacique

dBdBdB champ magneacutetique creacuteeacute parlrsquoeacuteleacutement de courant dCdCdCdCdCdC eacuteleacutement de courantmicro0 permeacuteabiliteacute du vider distance du point courant aupoint M

q charge ponctuellejjjS vecteur courant surfaciquejjj vecteur courant

Theacuteoregraveme drsquoAmpegravere

∮BBB(M) middotdldldl = micro0 Ienlaceacutee

BBB(M) champ magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du videIenlaceacutee intensiteacute enlaceacutee par lacourbe fermeacutee drsquoAmpegraveredldldl choisi en accord avec lrsquoorienta-tion de lrsquointensiteacute

Champ magneacutetique creacuteeacute par une spire circulaire

BBB(M) =micro0 I

2Rsin3 αeeez

z

P

RM

B(M)

I

a

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 122

122 [2] Physique

Champ magneacutetique agrave lrsquointeacuterieur un soleacutenoiumlde infini

BBB = micro0nIeeez

BBB = micro0 jSeeez

BBB champ agrave lrsquointeacuterieur du soleacute-noiumlden nombre de spires par uniteacute delongueurI intensiteacute du courantjS courant surfaciqueeeez vecteur directeur sur lrsquoaxe dusoleacutenoiumlde orienteacute par le sens ducourantmicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Moment magneacutetique drsquoune spire

mmm = ISnnn

mmm moment magneacutetique de laspireS surface de la spireI intensiteacute parcourant la spirennn normale agrave la spire dirigeacutee par lesens du courant

Eacutenergie potentielle ndash Moment magneacutetique

Ep = minusmmm middotBBB

M = mmm andBBB

Ep eacutenergie potentielle magneacute-tiquemmm moment de force exerceacute sur laspireBBB champ magneacutetique auquel estsoumis la spiremmm moment magneacutetique de laspire

Force de Laplace

dfdfdf = dCdCdC andBBBdfdfdf force eacuteleacutementairedCdCdC eacuteleacutement de courantBBB champ magneacutetique

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 123

6 Eacutelectromagneacutetisme 123

63 Eacutequations de Maxwell dans le vide

Vecteur courant

jjj = npqvvv = ρvvv

jjjS = σ vvv

jjj vecteur courantjjjS vecteur de courant surfaciquevvv vitesse des porteurs de chargenp densiteacute particulaire de porteursq charge drsquoun porteurρ densiteacute volumique de chargeσ densiteacute surfacique de charge

Eacutequation de conservation de la charge

div j +partρ

partt= 0

jjj vecteur courantρ charge volumique

Eacutequations de Maxwell

div E =ρ

ε0

rot E = minus partBBBpartt

div B = 000

rot B = micro0jjj + micro0ε0partEEEpartt

Ces eacutequations portent les noms res-pectifs de ndash MaxwellndashGaussndash MaxwellndashFaradayndash sans nomndash MaxwellndashAmpegravere

Le terme ε0partEEEpartt

est appeleacute courant

de deacuteplacementEEEBBB champs eacutelectrique et magneacute-tiquejjj vecteur densiteacute de courantρ charge volumiqueε0 micro0 permittiviteacute et permeacuteabiliteacutedu vide

SuperpositionLes eacutequations de Maxwell sont lineacuteaires toute combinaison lineacuteairede solutions est encore une solution

Puissance des forces eacutelectromagneacutetiques

dP = jjjEEE dτ

dP puissance eacuteleacutementaire par uniteacutede volume dτjjj vecteur courantEEE champ eacutelectrique

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 124

124 [2] Physique

Densiteacute drsquoeacutenergie eacutelectromagneacutetique

Wem =ε0E

2

2+

B2

2micro0

Wem eacutenergie eacutelectromagneacutetiqueE champ eacutelectriqueB champ magneacutetiqueε0 permittiviteacute du videmicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Vecteur de Poynting

ΠΠΠ =EEE andBBB

micro0

ΠΠΠ vecteur de PoyntingEEE champ eacutelectriqueBBB champ magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Theacuteoregraveme de Poynting forme locale

minus partpartt

(ε0E

2

2+

B2

2micro0

)= jjjEEE + div

(EEE andBBB

micro0

)

La perte drsquoeacutenergie eacutelectromagneacutetique est due agrave lrsquoeffet Joule et au rayon-nement du vecteur de Poynting

Potentiel vecteur

BBB = rot A

AAA(M) =micro0

int

circuit

i middotdldldlr

AAA potentiel vecteurBBB champ magneacutetiquei intensiteacute dans le circuit filiformer distance du point M au point cou-rant du circuitmicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Expression geacuteneacuterale du champ eacutelectrique

EEE = minusgradV minus partAAApartt

EEE champ eacutelectriqueV potentiel eacutelectriqueAAA potentiel vecteur

Jauge de Lorentz

div A + micro0ε0partVpartt

= 0

AAA potentiel vecteurV potentiel eacutelectriqueε0 permittiviteacute du videmicro0 permeacuteabiliteacute du videCette jauge permet de fixer le poten-tiel V

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 125

6 Eacutelectromagneacutetisme 125

Relations de passage

E2t = E1t

EEE2n minusEEE1n =σ

ε0nnn1rarr2

BBB2t minusBBB1t = micro0jjjS andnnn1rarr2

B2n = B1n

EEEin composante normale duchamp EEEiBBBit composante tangentielle duchamp BBBiσ charge surfaciquejjjS vecteur densiteacute de courant surfa-ciquennn1rarr2 normale agrave la surfaceε0 permittiviteacute du videmicro0 permeacuteabiliteacute du vide

64 Conduction meacutetallique

Loi drsquoOhm locale

jjj = γEEEjjj vecteur courantEEE champ eacutelectriqueγ conductiviteacute

Loi drsquoOhm globale

int B

AEEE middotdldldl = RAB middot I

EEE champ eacutelectriqueI intensiteacute circulant dans le circuit

R =ℓ

γS reacutesistance drsquoun circuit de

longueur ℓ et de section S

Proprieacuteteacutes locales des champs dans les meacutetaux1 ρ = 0 les charges sont surfaciques

2 f ≪ 1017Hz =rArr∥∥∥∥ε0

partEEEpartt

∥∥∥∥≪ jjjconduction3 En haute freacutequence les courants sont surfaciques (sur une eacutepaisseur

dite eacutepaisseur de peau δ =

radic2

micro0γω)c copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 126

126 [2] Physique

65 Induction dans un circuit fixe avec BBB variable

Force eacutelectromotrice

eAB =int B

A

(minus partAAA

parttmiddotdldldl)

eAB forceacute eacutelectromotriceAAA potentiel vecteur

Diffeacuterence de potentiel

V(B)minusV(A) = eAB minus RABi

eAB force eacutelectromotriceV(B) minus V(A) diffeacuterence de po-tentiel entre les points A et BRAB reacutesistance du circuit ABi intensiteacute du courant circulantdans le circuit

Flux de BBB agrave travers le circuit

Φ =intint

circuitBBB middotnnn dS

Φ flux de BBB agrave travers le circuitBBB champ magneacutetiquennn normale nnn au circuit compatibleavec le sens du courant

Loi de Faraday

ecircuit = minus partΦ

partt

Φ le flux de BBB agrave travers le circuitecircuit la force eacutelectromotrice ducircuit

Loi de LenzLes conseacutequences des pheacutenomegravenes drsquoinduction srsquoopposent toujoursaux causes qui leur ont donneacute naissance En terme de flux cela signifieque si le flux du champ magneacutetique varie lrsquoinduction va produire unchamp magneacutetique qui tendra agrave compenser cette variation de flux

Auto inductance drsquoun circuit

Φ = LiΦ flux de BBB agrave travers le circuitL coefficient drsquoauto inductancedu circuiti intensiteacute dans le circuit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 127

6 Eacutelectromagneacutetisme 127

Mutuelle inductance drsquoun circuit

Φ1rarr2 = Mi1

Φ2rarr1 = Mi2

Φirarr j flux du champ BBB induit parle circuit i agrave travers le circuit jik courant dans le circuit kM coefficient de mutuelle induc-tance

Flux total

Φ1 = Li1 + Mi2

Φ1 flux de BBB agrave travers le circuit 1L coefficient drsquoauto inductanceM coefficient de mutuelle induc-tanceik intensiteacute dans le circuit k

Eacutenergie magneacutetique

Wem =Li212

+ Mi1i2

Wem eacutenergie eacutelectromagneacutetiquestockeacutee dans le circuitL coefficient drsquoauto inductanceM coefficient de mutuelle induc-tanceik intensiteacute dans le circuit k

Proprieacuteteacutes du transformateur ideacuteal

1u2(t)

u1(t)=

N2

N1

2 Si le secondaire est en court-circuit alors∣∣∣∣i2i1

∣∣∣∣ =N1

N2

3 Le rapport de puissance du primaire au secondaire est de 100

4 On a Rvue du primaire =

(N1

N2

)2Rchargec copy

Duno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 128

128 [2] Physique

66 Induction dans un circuit mobile soumis agrave BBB stationnaire

Changement de reacutefeacuterentiel

BBBprime = BBB

EEEprime = EEE︸︷︷︸minusgradV

+vvv andBBB

jjjsol = jjjcond

BBBprime champ magneacutetique dans le reacutefeacute-rentiel du conducteurBBB champ magneacutetique dans le reacutefeacute-rentiel du solEEEprime champ eacutelectrique dans le reacutefeacute-rentiel du conducteurEEE champ eacutelectrique dans le reacutefeacuteren-tiel du solvvv vitesse du conducteur par rap-port au soljjjsol vecteur densiteacute de courant dansle reacutefeacuterentiel lieacute au soljjjcond vecteur densiteacute de courantdans le reacutefeacuterentiel du conducteur

Champ eacutelectromoteur

EEEm = vvv andBBBEEEm champ eacutelectromoteurvvv vitesse du conducteurBBB champ magneacutetique

Force eacutelectromotrice

eAB =int B

A(vvv andBBB) middotdldldl

V(B)minusV(A) = eAB minus RABi

eAB force eacutelectromotrice du circuitRAB reacutesistance du circuiti intensiteacute du circuitvvv vitesse du conducteurBBB champ magneacutetiqueV(M) potentiel au point M

Loi de Faraday

e = minusdΦ

dte force eacutelectromotriceΦ flux de BBB agrave travers le circuit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 129

6 Eacutelectromagneacutetisme 129

67 Mateacuteriaux magneacutetiques

Aimantation

dmmm = MMMdτMMM aimantationmmm moment magneacutetique

Courants drsquoaimantation

jjjaimantation = rot M

jjjS aimantation = MMM andnnn

jjjaimantation vecteur courant drsquoai-mantationjjjS aimantation vecteur courant surfa-cique drsquoaimantationMMM aimantationnnn normale agrave la surface

Excitation magneacutetique

HHH =BBBmicro0minusMMM

BBB = micro0 (HHH +MMM)

HHH excitation magneacutetiqueBBB champ magneacutetiqueMMM aimantationmicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Eacutequation de Maxwell ndash Ampegravere en ARQS

rot H = jjjconductionHHH excitation magneacutetiquejjjconduction vecteur courant deconduction

Aimantation des mateacuteriaux lineacuteaires

MMM = χmHHHMMM aimantationHHH excitation magneacutetiqueχm susceptibiliteacute magneacutetique

Diffeacuterentes cateacutegories de mateacuteriaux magneacutetiques

ndash diamagneacutetiques χm sim minus10minus5 lt 0ndash paramagneacutetiques χm sim 10minus4 gt 0ndash ceux pour lesquels χm ≪ 1 qui ne sont pas lineacuteaires

c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 130

130 [2] Physique

Champ magneacutetique dans les mateacuteriaux lineacuteaires

BBB = micro0microrHHH

micror = 1 + χm

BBB champ magneacutetiqueHHH excitation magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du videmicror permeacuteabiliteacute relativeχm susceptibiliteacute magneacutetique

Diamagneacutetiques

χm = minusnmicro0Ze2

6melt r2 gt

χm susceptibiliteacute magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du viden densiteacute particulaireZ charge du noyaue charge eacuteleacutementaireme masse de lrsquoeacutelectronlt r2 gt distance moyenne de lrsquoeacutelec-tron au noyau

Paramagneacutetiques

χm =nmicro0m

2

3kT

χm susceptibiliteacute magneacutetiquen densiteacute particulairemicro0 permittiviteacute du videm moment magneacutetiquek constante de BoltzmannT tempeacuterature

Aimantation cycle drsquohysteacuteresis

M aimantationH excitation magneacutetiqueMr aimantation reacutemanenteHc champ coercitif

Dispositif de mesure de HHH et de BBB

RRC

e t( ) u2

u1

~

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 131

7 Ondes 131

H(t) =N1

ℓRu1(t)

B(t) =RC

N2Su2(t)

H valeur de lrsquoexcitation magneacute-tiqueB valeur du champ magneacutetiqueN1 nombre de spires du primaireN2 nombre de spires du secondaireℓ longueur du toreS section du tore

7 Ondes

71 Oscillateurs coupleacutes

Couplage par un ressort

K km m

x1 x2

K mx1 = minusk(x1 minus x2)minus Kx1 (1)

mx2 = minusk(x2 minus x1)minus Kx2 (2)

ReacutesolutionDans ces cas simples on combine lineacuteairement les eacutequations (1) et (2)

s = (1) + (2)

d = (1)minus (2)

s + ω2s s = 0

d + ω2dd = 0

Modes propres

ωs =

radicK

mωd =

radic2k + K

m

Le systegraveme drsquooscillateurs coupleacutes vibre uniquement agraveωs si d = 0 crsquoest-agrave-dire si les oscillateurs sont lanceacutes en phaseLe systegraveme drsquooscillateurs coupleacutes vibre uniquement agraveωd si s = 0 crsquoest-agrave-dire si les oscillateurs sont lanceacutes en opposition de phase

c copyDuno

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 132

132 [2] Physique

BattementsSi le couplage est fort et que lrsquoon eacutecarte un seul oscillateur de lrsquoeacutequi-libre on observe un pheacutenomegravene de battements

x

t

ReacutesonanceSi on force lrsquooscillateur agrave osciller on observera aux pulsations ωs et ωddes reacutesonances

x

wws wd

72 Eacutequation de drsquoAlembert - Ondes stationnaires

Eacutequation de drsquoAlembert

∆F =1c2

part2Fpartt2

F(rrr t) une grandeur physique quiveacuterifie lrsquoeacutequation de drsquoAlembertc vitesse de propagation de lrsquoonde∆ laplacien

Solutions de lrsquoeacutequation de drsquoAlembert agrave une dimension

F(x t) = f(tminus x

c

)+ g

(t +

x

c

) f partie onde progressive de la so-lutiong partie onde reacutegressive de la solu-tion

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 133

7 Ondes 133

Onde stationnaire

F(rrr t) = f (r)g(t)Dans le cas drsquoune onde stationnaireil y a deacutecouplage entre le temps et lerepeacuterage spatial

Onde plane progressive harmonique (OPPH)

F = F0 cos (ωtminus kkk middotOMOMOM)

F = F0ei(ωtminuskkkmiddotOMOMOM)

kkk =ω

cuuu

Ces notations sont intrinsegraveques agravelrsquoOPPHF la grandeur physique qui deacutecritlrsquoondekkk vecteur drsquoonde donnant la direc-tion de propagationOMOMOM vecteur positionuuu vecteur unitaire selon la direc-tion de propagationω pulsation de lrsquoondec vitesse de propagation de lrsquoonde

Onde plane progressive harmonique notation complexe

partmiddotpartt

= iωmiddot

nablamiddot = minusikmiddot

Lorsqursquoon utilise la notationcomplexe les opeacuterateurs usuelsprennent des formes tregraves simples

Onde sur une file drsquoatomes ndash Onde sur une corde

part2ξn

partx2=

1c2

part2ξn

partt2

c =

radicka2

m

part2ypartx2

=1c2

part2ypartt2

c =

radicT0ρl

ξn le deacuteplacement du ne atomek constante de raideur des res-sortsa distance au repos entre deuxatomesm masse drsquoun atome

y ordonneacutee du pointT0 tension au repos de la cordeρl masse lineacuteique de la cordec copy

Duno

dL

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nonau

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 134

134 [2] Physique

73 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans le vide

Eacutequations de propagation des champs

∆EEE =1c2

part2EEEpartt2

∆BBB =1c2

part2BBBpartt2

c =1radic

ε0micro0

EEE champ eacutelectriqueBBB champ magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du videε0 permittiviteacute du vide

Vecteur drsquoonde drsquoune OPPH

kkk = kuuu

k =ω

c=

2πλ

kkk vecteur drsquoondeuuu vecteur unitaire directeurω pulsation de lrsquoondeλ longueur drsquoonde de lrsquoondec vitesse de propagation delrsquoonde

Champs transverses

div E = 0 = minusikkkEEE

div B = 0 = minusikkkBBB

kkk vecteur drsquoondeEEE champ eacutelectriqueBBB champ magneacutetiqueEEE et BBB sont orthogonaux agrave la di-rection de propagation

Relation de dispersion ndash Relation de structure

k =ω

cBBB =

kkkωandEEE

Repreacutesentation du champ eacutelectromagneacutetique dans le vide

z

E

B

x

y

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 135

7 Ondes 135

Polarisation

ndash elliptique

EEE(z = 0 t) =

(E0x cosωtE0y cos(ωt + ϕ)

)x

y

EOy

Eox

Egauch

e

droi te

ndash circulaire

EEE(z = 0 t) =

(E0 cosωtE0 sinωt

)

ndash rectiligne

EEE(z = 0 t) =

(E0x cosωtE0y cosωt

)x

EOy

Eox

E

y

Lames agrave retard

Une lame 14 drsquoonde deacutephase deπ2ndash une onde polariseacutee rectilignementressort de ce type de lame polariseacuteeelliptiquementndash une onde polariseacutee elliptiquementressort de ce type de lame polariseacuteerectilignement

Une lame 12 drsquoonde deacutephase deπndash une onde polariseacutee ellipti-quement droite ressort elliptiquegauche de ce type de lamendash une onde polariseacutee rectiligne-ment ressort symeacutetrique par rap-port agrave son axe lent de ce type delamec copy

Duno

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 136

136 [2] Physique

Vecteur de Poynting

ΠΠΠ = EEE and BBBmicro0

=E2

micro0cuuu =

εB2

cuuu

ΠΠΠ = EEE and BBBlowast

micro0

ΠΠΠ vecteur de PoyntingEEE champ eacutelectriqueBBB champ magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Rayonnement dipolaire

M

uq

ur

p

uj

q

jx

z

y

r

O

BBB =micro0 sin θ

4πrcp(tminus r

c

)uuuϕ

EEE =micro0 sin θ

4πrp(tminus r

c

)uuuθ

BBB champ magneacutetiqueEEE champ eacutelectriquep moment dipolairemicro0 permeacuteabiliteacute du videc vitesse de la lumiegravere dans levide

Puissance rayonneacutee en reacutegime sinusoiumldal

ltPgt=micro0p

20ω

4

12πc

p = p0 cos(ω0t + ϕ)

lt P gt puissance moyennerayonneacuteep moment dipolairec vitesse de la lumiegravere dans levidemicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 137

7 Ondes 137

74 Dispersion ndash Absorption

Relation de dispersion

k(ω) = kprime(ω) + ikprimeprime(ω)

k(ω) vecteur drsquoondekprime(ω) partie reacuteelle du vecteurdrsquoondekprimeprime(ω) partie imaginaire du vecteurdrsquoondeω pulsation de lrsquoonde

Vitesse de phase ndash Vitesse de groupe

vϕ =ω

kprime

vg =partω

partkprime

vϕ vitesse de phasevg vitesse de groupeω pulsation de lrsquoondekprime partie reacuteelle du vecteur drsquoondevϕ est la vitesse de propagation delrsquoamplitude et vg est en geacuteneacuteral lavitesse de propagation de lrsquoeacutener-gie

Absorption

δ =1|kprimeprime|

δ profondeur caracteacuteristique delrsquoabsorptionkprimeprime partie imaginaire du vecteurdrsquoonde

Repreacutesentation du champ eacutelectromagneacutetique dans les meacutetaux

z

E

B

x

y

c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 138

138 [2] Physique

75 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans les milieux mateacuteriels

Polarisation

PPP =dpppdτ

ρp = minusdiv P

jjjp =partPPPpartt

ppp moment dipolairePPP polarisationρp charges dues agrave la polarisationjjjp vecteur courant de polarisation

Aimantation

MMM =dmmmdτ

jjja = rot M

mmm moment magneacutetiqueMMM aimantationjjja vecteur courant drsquoaimantation

Vecteurs HHH et DDD

HHH =BBBmicro0minusMMM

DDD = ε0EEE +PPP

HHH vecteur excitation magneacutetiqueBBB champ magneacutetiqueDDD vecteur DEEE champ eacutelectriqueMMM aimantationPPP polarisationmicro0 permeacuteabiliteacute du videε0 permittiviteacute du vide

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 139

7 Ondes 139

Milieux lineacuteaires

PPP = χeEEE

DDD = εrε0EEE

εr = 1 + χe

MMM = χmHHH

BBB = micrormicro0HHH

micror = 1 + χm

HHH vecteur excitation magneacutetiqueBBB champ magneacutetiqueDDD vecteur DMMM aimantationPPP polarisationEEE champ eacutelectriquemicro0 permeacuteabiliteacute du videmicror permeacuteabiliteacute relativeε0 permittiviteacute du videεr permittiviteacute relativeχe susceptibiliteacute eacutelectrique du mi-lieuχm susceptibiliteacute magneacutetique dumilieu

Eacutequations de Maxwell dans les milieux

div D = ρlibre

rot E = minus partBBBpartt

div B = 0

rot H = jjj +partDDDpartt

DDD vecteur DEEE champ eacutelectriqueBBB champ magneacutetiquejjj vecteur courant vraiρlibre densiteacute de charges libres

Relation de dispersion ndash Indice

k2 = εrω2

c2

n =radic

εr

vϕ =c

n

k vecteur drsquoondeεr permittiviteacute relativeω pulsation de lrsquoondec vitesse de la lumiegravere dans le viden indice du milieu(En utilisant ici comme dans les cascourants lrsquoapproximation micror sim 1)c copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 140

140 [2] Physique

Reacuteflexion ndash Transmission

r =n1 minus n2n1 + n2

t =2n1

n1 + n2

R = r2 =

(n1 minus n2n1 + n2

)2

T = t2 =

(2n1

n1 + n2

)2

R + T = 1

r coefficient de reacuteflexion en ampli-tudet coefficient de transmission en am-plitudeR coefficient de reacuteflexion eacutenergeacute-tiqueT coefficient de transmission eacutener-geacutetiquen1 indice du milieu de lrsquoonde inci-denten2 indice du milieu de lrsquoondetransmiseR + T = 1 traduit la conservationeacutenergeacutetique

Un changement de milieu donne naissance agrave ndash une onde progressive (onde transmise)ndash une onde reacutegressive (onde reacutefleacutechie)

Relation de continuiteacute sur la seacuteparation de deux dieacutelectriques

B2B2B2 = B1B1B1

EEE2 t = EEE1 t

εr 2EEE2 n = εr 1EEE1 n

(loi de SnellndashDescartes)

On indice par 1 les grandeurs dumilieu de lrsquoonde incidente et par 2les grandeurs du milieu de lrsquoondetransmiseLe champ magneacutetique comme lacomposante tangentielle du champeacutelectrique est continue agrave la surfacedrsquoun dieacutelectriqueLe comportement de la composantenormale du champ eacutelectrique estdeacutecrite par la loi de SnellndashDescartes

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 141

Chapitre 3Chimie

1 Atomistique

11 Spectroscopie

Spectroscopie

Lors drsquoune transition eacutelectroniqueune particule eacutemet un rayonne-ment deacutecrit par

∆E = hν

Relation de De Broglie

λ =hmv

h constante de Planckν freacutequence du rayonnementeacutemis par la particuleλ longueur drsquoonde du rayonne-ment eacutemis par la particulem masse de la particulev vitesse de la particule

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 142

142 [3] Chimie

La relation de Ritz eacutetablit que

ν = RH middot c(

1n2minus 1

m2

)(nm) isin N2

ν freacutequence de rayonnementRH constante de Rydbergn nombre quantique principal duniveau eacutenergeacutetique final de la par-ticulem nombre quantique principaldu niveau eacutenergeacutetique initial de laparticulec vitesse de propagation de la lu-miegravere dans le videndash n = 1 correspond agrave la seacuterie deLyman (ultraviolet) ndash n = 2 corres-pond agrave la seacuterie de Balmer (visible)ndash n = 3 correspond agrave la seacuterie dePaschen (infrarouge)

E (eV)

0

-136

-339

Lyman

Balmer

Paschen-151

-085

n = yenn = 4

n = 3

n = 2

n = 1

12 Modegravele ondulatoire

Principe drsquoincertitude de Heisenberg

∆x middot∆px gth

∆x incertitude sur la position∆px incertitude sur la quantiteacute demouvement selon lrsquoaxe des xm masse de lrsquoatome

En meacutecanique quantique on ne peut pas connaicirctre preacuteciseacutement agrave lafois la position et la vitesse

Eacutequation de Schroumldinger en reacutegime stationnaire

H Ψ = E Ψ

intintint

espaceΨ2 dτ = 1

Ψ(rrr) fonction drsquoonderrr vecteur positionE eacutenergie totale de lrsquoeacutelectronH opeacuterateur hamiltonien appli-queacute agrave Ψ

|Ψ2| dτ repreacutesente la probabiliteacutede preacutesence de lrsquoeacutelectron dansun volume dτ autour drsquoun pointM(rrr)

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 143

1 Atomistique 143

Eacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegravene

En =minus13 6n2

Lrsquoeacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegraveneest quantifieacutee (n nombre quan-tique principal)

En = minus13 6Z2

n2

Deacutecrit lrsquoeacutenergie de lrsquoatome hydro-geacutenoiumlde (qui ne comporte qursquounseul eacutelectron)

Nombres quantiques

Principal n isin Nlowast

Deacutecrit le niveau eacutenergeacutetique delrsquoatome

En = minus13 6Z2

n2

Secondaire 0 6 l 6 nminus 1l isin N

Quantifie le module du momentcineacutetique LLL de lrsquoatome

|σσσ| =radic

l(l + 1)h

(h = h2π hconstante de Planck)

Magneacutetique minusl 6 m 6 lm isin Z

Quantifie la projection dumomentcineacutetique LOz = mh

Spin ms = plusmn 12

13 Atome polyeacutelectronique

Charge nucleacuteaire effective

Zlowasti = Zminus σi

Zlowasti charge nucleacuteaire effectiveZ numeacutero atomiqueσ constante drsquoeacutecran de Slaterc copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 144

144 [3] Chimie

Position de lrsquoeacutelectronσi

s et pσid

mecircme couche 0 035couche gt n 0 0couche nminus 1 085 1couches lt nminus 1 1 1

Eacutenergie

Ei = minus13 6Zlowast2i

n2

Zlowasti charge nucleacuteaire effectiveEi eacutenergie de lrsquoeacutelectronn nombre quantique principal

E = sumi

Ei Eacutenergie totale de la moleacutecule

Diagramme eacutenergeacutetique

E

K

L

M

N

1s2s

2p

3s

3p

3d4s

4p

niveauxeacutenergeacutetiques

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 145

1 Atomistique 145

Regravegles de remplissage des niveaux eacutelectroniques

Principe de stabiliteacute on remplitles orbitales atomiques par ordredrsquoeacutenergie croissante (regravegle de Kle-chkowsky)Principe de Pauli sur une mecircmeorbitale atomique les deux eacutelec-trons sont de spin opposeacutesPrincipe de Hund lorsque plu-sieurs orbitales atomiques sontde mecircme niveau eacutenergeacutetique leseacutelectrons occupent le maximumdrsquoorbitales atomiques

Regravegle de Klechkowsky

1 s2 s p3 s p d4 s p d f

Eacutenergie drsquoionisation

Crsquoest lrsquoeacutenergie de la reacuteaction drsquoar-rachement drsquoun eacutelectron drsquounemoleacutecule sous forme gazeuse

X(g) = X+(g) + eminus

Affiniteacute eacutelectronique

Crsquoest lrsquoeacutenergie libeacutereacutee par la reacuteac-tion de capture drsquoun eacutelectron parune moleacutecule sous forme gazeuse

X(g) + eminus = Xminus(g)

14 Architecture moleacuteculaire

Regravegle de lrsquooctetLes eacuteleacutements de la deuxiegraveme peacuteriode du tableau peacuteriodique peuventsrsquoentourer au maximum de huit eacutelectrons

Charge formelle

n = ni minus nen charge formelle de lrsquoatomeni nombre drsquoeacutelectrons de valence dans lrsquoatome isoleacutene nombre drsquoeacutelectrons de valence dans lrsquoatome lieacute

MeacutesomeacuterieCrsquoest lrsquoensemble des formules meacutesomegraveres qui modeacutelise la reacutealiteacute

O S O O S O O S O+ +ndashndash

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 146

146 [3] Chimie

Niveau de repreacutesentativiteacute des formules meacutesomegraveresLes formules meacutesomegraveres qui veacuterifient la regravegle de lrsquooctet qui sontneutres ou dont la charge neacutegative est porteacutee par lrsquoatome le plus eacutelec-troneacutegatif sont plus repreacutesentatives que les autres

VSEPR

On compte les doublets drsquoun atome A AXpEq ougrave p nombre drsquoatomes directement lieacutes agrave A (X)q nombre de doublets libres porteacutes par A (E)Ces n = p + q doublets tendent agrave srsquoeacuteloigner au maximum les uns desautres (Theacuteorie de Gillepsie)

n = 2 moleacutecule lineacuteaire n = 3 moleacutecule trigonale

n = 4 moleacutecule teacutetraeacutedrique n = 5 moleacutecule bipyramidale agravebase triangulaire

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 147

1 Atomistique 147

n = 6 moleacutecule octaeacutedrique

15 Orbitales moleacuteculaires

Combinaison lineacuteaire des orbitales atomiques

La combinaison lineacuteaire de deuxorbitales atomiques de mecircmeeacutenergie donne naissance agrave deuxorbitales moleacuteculaires lrsquouneliante et lrsquoautre antiliante

Indice de liaison

i =nminus nlowast

2

n nombre drsquoeacutelectrons de lrsquoorbitalemoleacuteculaire liantenlowast nombre drsquoeacutelectrons de lrsquoorbi-tale moleacuteculaire antiliante

Diagramme des orbitales moleacuteculaires

Diagrammemoleacuteculaire des moleacute-cules A2 de la deuxiegraveme ligne dutableau peacuteriodique agrave partir de O2inclus Pour les autres moleacuteculesπx et πy sont plus stables que σp

2p

OM antiliante

OA2 OA1

OM liante

pz

pz

px

px

py

py

c copyDuno

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nonau

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ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 148

148 [3] Chimie

2 Cineacutetique

Avancement de la reacuteaction

dξ =dniνi

ξ avancement de la reacuteactionνi nombre stœchiomeacutetrique algeacute-brique (νi gt 0 pour un produit etνi lt 0 pour un reacuteactif)ni quantiteacute de matiegravere eacutechangeacutee

Quantiteacute de matiegravere en cours de reacuteaction

ni = ni0 + νiξ

ni quantiteacute de matiegravere agrave la date tni0 quantiteacute de matiegravere initialeνi nombre stœchimeacutetrique algeacute-briqueξ avancement

Vitesse de reacuteaction

r =1νi

dcidt

=1V

dt

r vitesse de la reacuteactionνi nombre stœchiomeacutetrique algeacute-briqueci concentrationξ avancementV volume du reacuteacteur

Ordre drsquoune reacuteaction

ν1A1 + ν2A2 rarr νprime1Aprime1 + νprime2A

prime2

v = k[A1]p1 [A2]

p2

k constante de vitesse de la reacuteac-tion[Ai] concentration de lrsquoespegravece Aipi ordre partiel en Ai

sumi

pi = p ordre global de la reacuteac-

tion

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 149

2 Cineacutetique 149

Deacutegeacuteneacuterescence de lrsquoordre

Si [A2]0 ≫ [A1]0 alors v =kprime[A1]

p1

kprime = k[A2]p20 constante de vitesse

apparente de la reacuteactionp1 ordre apparent de la reacuteaction

Loi de Vanrsquot HoffLorsque la reacuteaction est un processus eacuteleacutementaire les ordres partiels seconfondent avec les coefficients stœchiomeacutetriques et lrsquoordre total agrave lamoleacuteculariteacute

Loi drsquoArrheacutenius

dln k

dT=

Ea

RT2

k constante de vitesseEa eacutenergie drsquoactivationR constante des gaz parfaitsT tempeacuterature

Loi de vitesse drsquoune reacuteaction drsquoordre 1

c = c0eminuskt c concentration de lrsquoespegravece

c0 concentration initialek constante de vitesse

t12 =ln 2αk

Le temps de demi-reacuteaction estindeacutependant de c0 (α eacutetant lenombre stœchiomeacutetrique du reacuteac-tif limitant)

AEQS theacuteoregraveme de Bodenstein

d[A]

dt= 0

Conditions drsquoapplication de lrsquoAp-proximation des Eacutetats Quasi Sta-tionnaires ndash [A] tregraves faiblendash A espegravece tregraves reacuteactive (intermeacute-diaire reacuteactionnel)

Longueur de chaicircne

l =vitesse de disparition reacuteactif

vitesse drsquoinitiation

c copyDuno

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Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 150

150 [3] Chimie

3 Cristallographie

31 Geacuteneacuteraliteacutes

Deacutefinitions

Reacuteseau disposition spatiale desnoeuds

Motif description des entiteacutes quioccupent ces noeuds

Compaciteacute Rapport entre le vo-lume de lamaille et le volume reacuteel-lement occupeacute par les entiteacutes de lamaille

Coordinence nombre drsquoentiteacutes encontact avec une autre entiteacute

Une maille est entiegraverement deacutecritepar son reacuteseau et son motif

32 Mailles et sites dans les cristaux meacutetalliques

Maille hexagonale compacte

Coordinence 12Compaciteacute 0 742 atomes par maille

Maille cubique agrave faces centreacutees

Coordinence 12Compaciteacute 0 744 atomes par maille

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 151

3 Cristallographie 151

Maille cubique centreacutee

Coordinence 8Compaciteacute 0 682 atomes par maille

Sites octaeacutedriques

Dimension rO = (radic2minus 1)r

ndash Au centre et au milieu de chaquearrecircte du la maille cubique face cen-treacutee (4 sites par maille)

ndash Agravec

4et

3c4

dans la maille hexago-

nale compacte (2 sites par maille)

Sites teacutetraeacutedriques

Dimension rT = (

radic32minus 1)r

ndash Au centre de huit petits cubes

drsquoarrecirctea

2dans la maille cubique

face centreacutee (8 sites par maille)

ndash Agravec

8et

7c8

sur chaque cocircteacute vertical

dans lrsquohexagonale compacte (4 sitespar maille)

c copyDuno

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Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 152

152 [3] Chimie

33 Cristaux ioniques

Chlorure de ceacutesium (CsCl)

Les ions Clminus forment un reacuteseau cu-bique (1 atome par maille)Les ions Cs+ sont aux centres de cescubes (1 atome par maille)Coordination [8-8]Structure adopteacutee si radic

3minus 1 6r+rminus

lt 1

Cl-

Cs+

Chlorure de sodium (NaCl)

Les ions Clminus forment un reacuteseau cu-bique faces centreacutees (4 atomes parmaille)Les ions Na+ occupent les sites oc-taeacutedriques de ce reacuteseau (4 atomespar maille)Coordination [6-6]Structure adopteacutee si radic

2minus 1 6r+rminus

ltradic3minus 1

Cl-

Na+

Blende (ZnS)

Les ions Zn2+ forment un reacuteseaucubique faces centreacutees (4 atomes parmaille)Les ions S2minus occupent un site teacutetra-eacutedrique sur deux dans le reacuteseau preacute-ceacutedent (4 atomes par maille)Coordination [4-4]Structure adopteacutee si

0 6r+rminus

ltradic2minus 1

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 153

4 Thermodynamique 153

4 Thermodynamique

La thermodynamique a deacutejagrave eacuteteacute abordeacutee au cours du chapitre de physiqueIl est conseilleacute de se reporter agrave cette section les notions preacutealablement trai-teacutees nrsquoeacutetant pas agrave nouveau abordeacutees ici

41 Fonctions drsquoeacutetat

Deacutefinition

Xi =

(partXpartni

)

Tpn j 6=ni

X fonction drsquoeacutetat extensiveXi grandeur molaire partielle re-lative au composeacute Aini quantiteacute de matiegravere du consti-tuant Ai

Relation de GibbsndashDuhem

sumi

ni dXi Tp = 0

ni quantiteacute de matiegravere du consti-tuant AidXi Tp grandeur standard de reacute-action concernant le constituant Aiagrave T et p constantes

Grandeurs de reacuteaction associeacutees aux fonctions drsquoeacutetat

∆rX = sumi

νiXi =

(partXpartξ

)

Tp

∆rX grandeur de reacuteactionνi nombre stœchiomeacutetrique rela-tif au composeacute AiXi grandeur molaire partielle re-lative au corps Ai

Relation de GibbsndashHelmoltz

partpartT

(∆rG

T

)= minus∆rH

T2

∆rG enthalpie libre de reacuteaction∆rH enthalpie de reacuteactionT tempeacuterature

c copyDuno

dL

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Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 154

154 [3] Chimie

42 Potentiel chimique

Deacutefinition

microi =

(partGpartni

)

Tpn j 6=ni

microi =

(partUpartni

)

VSn j 6=ni

microi =

(partHpartni

)

pSn j 6=ni

microi =

(partFpartni

)

VTn j 6=ni

microi potentiel chimique du com-poseacute AiUH FG eacutenergie interne enthal-pie eacutenergie libre enthalpie libreT pV tempeacuterature pression vo-lumeni quantiteacute de matiegravere du com-poseacute Ai

Condition drsquoeacutequilibre physique

microϕ1 = microϕ2

Le potentiel chimique du corps purdans les deux phases est le mecircmemicroϕi potentiel chimique du corpspur dans la phase i

Eacutevolution vers un eacutetat drsquoeacutequilibre

Srsquoil nrsquoest pas agrave lrsquoeacutequilibre le corps pur passe irreacuteversiblement de laphase de plus haut potentiel chimique vers la phase de plus bas po-tentiel chimique et ce jusqursquoagrave lrsquoobtention de lrsquoeacutegaliteacute preacuteceacutedente

Potentiel drsquoun gaz

microi(g) = micro0i(g) + RT ln

pip0

microi(g) potentiel chimique du gazAi

micro0i(g)

potentiel chimique standard

du gaz Ai (agrave la pression p0)R constante des gaz parfaitsT tempeacuteraturepi pression partielle du gaz Ai

p0 pression standard (1 bar = 105Pa)

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 155

4 Thermodynamique 155

Potentiel drsquoun soluteacute

microi(s) = micro0i(s) + RT ln

cic0

R constante des gaz parfaitsT tempeacuteratureci concentration du composeacute Ai

c0 concentration standard(1 mol middot Lminus1)

43 Grandeurs standards de reacuteaction

Enthalpie standard de reacuteaction

∆rH0 = sum

i

νiH0i

∆rH0 enthalpie standard de reacuteac-

tionνi nombre stœchiomeacutetrique ducomposeacute Ai

H0i enthalpie standard molaire de

Ai pris dans son eacutetat standard

Entropie standard de reacuteaction

∆rS0 = sum

i

νiS0i

∆rS0 entropie standard de reacuteac-

tionνi nombre stœchiomeacutetrique ducomposeacute Ai

S0i entropie standard molaire deAi pris dans son eacutetat standard

Enthalpie libre standard de reacuteaction

∆rG0 = sum

i

νiG0i

∆rG0 enthalpie libre standard de

reacuteactionνi nombre stœchiomeacutetrique ducomposeacute Ai

G0i enthalpie libre standard mo-

laire de Ai pris dans son eacutetat stan-dard

c copyDuno

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Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 156

156 [3] Chimie

Relation entre grandeurs de reacuteaction

∆rG0 = ∆rH

0 minus T∆rS0

∆rS0 entropie standard de reacuteac-

tion∆rH

0 enthalpie standard de reacuteac-tion∆rG

0 enthalpie libre standard dereacuteactionT tempeacuterature

Premiegravere loi de Kirchhoff

d∆rH0

dT= ∆rC

0p = sum

i

νiC0pi

∆rH0 enthalpie standard de reacuteac-

tionC0pi capaciteacute thermique mo-

laire du constituant Ai agrave pressionconstanteνi nombre stœchimeacutetrique ducomposeacute AiT tempeacuterature

Deuxiegraveme loi de Kirchhoff

d∆rS0

dT=

∆rC0p

T= sum

i

νiC0pi

T

∆rS0 entropie standard de reacuteac-

tionC0pi capaciteacute thermique mo-

laire du constituant Ai agrave pressionconstanteνi nombre stœchimeacutetrique ducomposeacute AiT tempeacuterature

Relations de GibbsndashHelmoltz

∆rS0 = minusd∆rG

0

dT

∆rH0 = minusT2 d

dT

(∆rG

0

T

)

∆rS0 entropie standard de reacuteac-

tion∆rH

0 enthalpie standard de reacuteac-tion∆rG

0 enthalpie libre standard dereacuteactionT tempeacuterature

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 157

4 Thermodynamique 157

Relation de Hess

∆rH0 = sum

i

νi∆ fH0i

∆rG0 = sum

i

νi∆ fG0i

∆rH0 enthalpie standard de reacuteac-

tion∆rG

0 enthalpie libre standard dereacuteaction∆fH

0 enthalpie standard de for-mation du composeacute Ai (nulle pourles corps purs)∆fG

0 enthalpie libre standard deformation du composeacute Ai

Cycle de BornndashHaberCrsquoest un cycle thermodynamique qui permet de calculer avec la loide Hess lrsquoenthalpie de standard de reacuteaction en deacutecomposant les reacuteac-tifs en atomes et en recomposant ces mecircmes atomes pour former lesproduits

44 Eacutequilibres chimiques

Deacutefinition de lrsquoaffiniteacute chimique

A = minussumi

νimicroi = minus∆rG

A affiniteacute chimique∆rG

0 enthalpie libre standard dereacuteactionνi nombre stœchiomeacutetrique ducomposeacute Aimicroi potentiel chimique du com-poseacute Ai

Expression de lrsquoaffiniteacute

A = A0 minus RT ln

(

prodi

aνi

i

)

A affiniteacute chimiqueA0 affiniteacute chimique standardai activiteacute du composeacute Aiνi nombre stœchimeacutetrique ducomposeacute AiR constante des gaz parfaitsT tempeacuterature

c copyDuno

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Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 158

158 [3] Chimie

Condition drsquoeacutequilibre

A = 0

Dans ce cas

A0 = RT lnK0 = RT ln

(

prodi

aνi

i

)

K0 est la constante drsquoeacutequilibre dela reacuteaction

Sens drsquoeacutevolution

A middot dξ gt 0

Si A gt 0 dξ gt 0 il y a eacutevolution

dans le sens 1minusrarrSi A lt 0 dξ lt 0 il y a eacutevolution

dans le sens 2larrminusConstante drsquoeacutequilibre

K0(T) = prodi

aνi

i eacutequilibre

K0(T) constante drsquoeacutequilibre de lareacuteaction qui ne deacutepend que de latempeacuteratureai eacutequilibre coefficient drsquoactiviteacute ducomposeacute Ai agrave lrsquoeacutequilibreνi nombre stœchiomeacutetrique ducomposeacute Ai

Tempeacuterature drsquoinversion

∆rG0(Ti) = 0

K0(Ti) = 1

Agrave cette tempeacuterature la reacuteaction

preacutepondeacuterante passe du sens 1minusrarrau sens 2larrminus

Effet de la tempeacuterature loi de Vanrsquot Hoff

dlnK0

dT=

∆rH0

RT2

K0 constante drsquoeacutequilibre de la reacute-action∆rH

0 enthalpie standard de la reacute-actionR constante des gaz parfaitsT tempeacuterature

Une augmentation de la tempeacuterature deacuteplace la reacuteaction dans le sensendothermique

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 159

4 Thermodynamique 159

Effet de la pression loi de Le ChacirctelierUne augmentation de la pression deacuteplace lrsquoeacutequilibre dans le sens dediminution de la quantiteacute de matiegravere de gaz (∆νgaz lt 0)

Introduction drsquoun constituant actif

dA = RT(

∆νgaz minusνi

xi

)dnin

dA variation de lrsquoaffiniteacuteνi nombre stœchimeacutetrique ducomposeacute Aixi titre molaire du composeacute Ain quantiteacute de matiegravere totaledni variation de quantiteacute de ma-tiegravere du composeacute Ai

Ajout drsquoun constituant inactif

dA = RT∆νgazdnn

dA variation de lrsquoaffiniteacuten quantiteacute de matiegraveredn variation de quantiteacute de ma-tiegravere du constituant introduit

Variance ndash Regravegle des phases de Gibbs

v = c + 2minusϕ

c = nminus kminus r

v variancec nombre de constituants indeacute-pendantsϕ nombre de phasesn nombre de constituantsk nombre de relations entre lesconstituantsr relation particuliegraveres (imposeacuteespar le manipulateur)

c copyDuno

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Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 160

160 [3] Chimie

45 Eacutequilibres liquidendashvapeur

Loi de Raoult

pi = plowasti xli

pi pression partielle du composeacuteAiplowasti pression saturante du com-poseacute Ai

xli titre molaire de Ai liquide

Loi de Henry

pi = kxli

pi pression partielle du composeacuteAik 6= plowasti constante de Henryxli titre molaire de Ai liquide

Solution ideacuteale deacutefinitionUne solution est dite ideacuteale si toutes les interactions entre les espegravecesqui la composent sont identiques interactions A1ndashA1A2ndashA2 et A1ndashA2

Diagramme binaire drsquoune solution ideacuteale

p2

p1

p

vapeur

liquide

courbe drsquoeacutebullition

courbe de roseacuteeliquide + vapeur

x2

Eacutequations des courbes

Courbe drsquoeacutebullition

p = plowast1 + (plowast2 minus plowast1)xl2

Courbe de roseacutee

p =plowast1plowast2

plowast2 minus (plowast2 minus plowast1)xv2

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 161

4 Thermodynamique 161

Diagrammes isothermes

p2

p

p1

vapeur

liquide

liquide + vapeur

x2

Fuseau simple

p2

p

p1 vapeur

liquide

liquide

+ vap

eur

x2

Azeacuteotrope positif

p2

p

p1

vapeur

liquideliquide + vapeur

x2

Azeacuteotrope neacutegatif

Lrsquoazeacuteotrope est la manifestation delrsquoeacutecart de la solution par rapport agravela solution ideacuteale

Diagrammes isobares

T2

T

T1

vapeur

liquide

liquide + vapeur

x2

Fuseau simple

T2

T

T1vapeur

liquide

liquide + vapeur

x2

Azeacuteotrope positifc copyDuno

dL

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Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 162

162 [3] Chimie

T2

T

T1

vapeur

liquide

liquide

+ vap

eur

x2

Azeacuteotrope neacutegatif

Agrave pression constante unazeacuteotrope bout agrave tempeacuteratureconstante et donne une vapeur demecircme composition

Analyse thermique

T2

N

M

T

T1

x2

T2

TM

TN

T

t

M

N

T2

T

T1

x2

TM

TN

T

t

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 163

4 Thermodynamique 163

Theacuteoregraveme des moments

T2

LS

M

T

T1

liquide

solide

sol i dus

liquidusliquide + solide

x2x2x2

l

x2

s

nlML + nvMV = 0

nl quantiteacute de matiegravere de liquidenv quantiteacute de matiegravere de vapeurML distance algeacutebrique de M agrave lacourbe drsquoeacutebullitionMV distance algeacutebrique de M agravela courbe de roseacutee

46 Reacuteactions drsquooxydoreacuteduction

Couple redox

α ox + n eminusreacuteduction

oxydation

β red

Nombre drsquooxydation ndash DeacutefinitionCrsquoest le nombre drsquoeacutelectrons laquo perdus raquo par rapport agrave lrsquoatome neutre

Nombre drsquooxydations ndash Regravegles de deacutetermination

ndash atome isoleacute neutre no 0 ndash ion simple le nombre drsquooxyda-tions est la charge de lrsquoion ndash moleacutecule ou ion complexe

ndash entre deux atomes du mecircmeeacuteleacutement on attribue agrave chacun lrsquoundes eacutelectrons du doublet de liai-son

ndash entre deux atomes diffeacuterentson attribue les eacutelectrons de liaisonau plus eacutelectroneacutegatif

Dans tous les cas sum no = q avecq la charge de lrsquoeacutedifice atomique

Oxydant ndash Reacuteducteur

Un oxydant est une espegravece dontle nombre drsquooxydation peut dimi-nuer

Un reacuteducteur est une espegravece dontle nombre drsquooxydation peut aug-menter

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 164

164 [3] Chimie

Eacutequilibrage drsquoune eacutequation redoxPour eacutequilibrer une eacutequation on procegravede en

1 deacuteterminant le nombre drsquoeacutelectrons eacutechangeacutes avec le nombre drsquooxy-dations

2 effectuant un bilan des charges et en assurant lrsquoeacutelectroneutraliteacute avecH+ et lrsquoeacutequilibre en atomes drsquooxygegravene avec H2O

3 effectuant un bilan de matiegravere

Eacutelectrode agrave hydrogegravene

Crsquoest lrsquoeacutelectrode de reacutefeacuterencepour les mesures de poten-tiels redox (agrave toute tempeacuteratureE0(H+H2) = 0 000 V) Cetteeacutelectrode est fictive

H sous 1 bar2

Pt

pH = 0

Formule de Nernst

E = E0 +RTnF ln

aαox

aβred

aox activiteacute de lrsquooxydantared activiteacute du reacuteducteurAvec ndash a = 1 pour tout solide ou un li-quide pur dans la phase

ndash a =c

c0pour un soluteacute

ndash a =pip0

la pression partielle pour

un gaz (dans le cas des solutionsdilueacutees)E potentiel de lrsquoeacutelectrodeE0 potentiel standard du coupleredoxn nombre drsquoeacutelectrons eacutechangeacutesF = N middot e nombre de FaradayR constante des gaz parfaitsT tempeacuterature

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 165

5 Mateacuteriaux meacutetalliques 165

Formule de Nernst forme usuelle

E = E0 +0 06n

logaαox

aβred

Agrave 25˚CRTF ln 10

= 0 06

Reacuteactions aux eacutelectrodes drsquoune pile

La reacuteduction se produit agrave la ca-thodeLrsquooxydation se produit agrave lrsquoanode

On symbolise une pile par

ox1 red1︸ ︷︷ ︸pocircle neacutegatif

ox2 red2︸ ︷︷ ︸pocircle positif

Force eacutelectromotrice drsquoune pile

E = E2 minus E1

E force eacutelectromotrice (feacutem) de lapileE1 potentiel du couple consti-tuant lrsquoanodeE2 potentiel du couple consti-tuant la cathode

5 Mateacuteriaux meacutetalliques

51 Diagrammes drsquoEllingham

PrincipeOn eacutetudie la formation des oxydesrameneacutee agrave une mecircme quantiteacutede dioxygegravene reacuteaction qui srsquoeacutecritsous la forme geacuteneacuterale

α red +12O2 β ox

On trace la courbe

∆rG0 = ∆rH

0 minus T∆rS0

Approximation drsquoEllingham

Pour construire ces diagrammes on considegravere que ∆rG0 ∆rH

0 et ∆rS0

sont indeacutependants de la tempeacuterature Cette approximation est appeleacuteeapproximation drsquoEllingham

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 166

166 [3] Chimie

Allure du diagramme

DrG ( )0

T

0 T

TF TE

changement de pente marquantun changement drsquoeacutetat

oxyde

meacutetal

Affiniteacute du systegraveme

A =12RT ln

p

pe

A affiniteacute chimiquep pression du reacuteacteurpe pression drsquoeacutequilibre agrave une tem-peacuterature donneacuteeT tempeacuteratureR constante des gaz parfaits

Corrosion drsquoun meacutetalUn meacutetal est oxydeacute par un oxyde dont la droite drsquoEllingham se situeau-dessus de sa propre droite

52 Diagrammes potentiel-pH

ConventionsConvention 1 sur le domaine frontiegravere les concentrations des deuxespegraveces sont eacutegales agrave une concentration arbitrairement choisieConvention 2 on fixe la concentration totale en un eacuteleacutement donneacute Surle domaine frontiegravere les concentrations sont reacuteparties eacutequitablement

Construction du diagramme potentielndashpH

1 On deacutetermine le degreacute drsquooxydation des espegraveces mises en jeu2 On calcule le pH frontiegravere pour les espegraveces de mecircme degreacute drsquooxy-dation3 On calcule avec la formule de Nernst lrsquoeacutequation des droites seacuteparantles domaines des espegraveces de degreacute drsquooxydation distincts

Les droites verticales marquent des reacuteactions acido-basiquesLes droites horizontales marquent des reacuteactions redox

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 167

5 Mateacuteriaux meacutetalliques 167

Deacutefinition du pH

pH = minus log(

[H3O+]

c0

)La relation ci-contre nrsquoest valableqursquoen milieux dilueacutes[H3O+] concentration en ionsH3O+ dans le milieuc0 concentration standard(1 mol middot Lminus1)

Produit ionique de lrsquoeau

Ke =[H3O+] middot [OHminus]

(c0)2= 10minus14

pKe = minus log Ke = 14

Ke produit ionique de lrsquoeau[H3O+] concentration en ionsH3O+ dans le milieu[OHminus] concentration en ionsOHminus dans le milieuc0 concentration standard

Constante drsquoaciditeacute drsquoun couple acidobasique

HA + H2O Aminus + H3O+

Ka =[H3O+] middot [Aminus]

[HA] middot c0

pKa = minus log Ka

Ka constante drsquoaciditeacute du coupleacidobasique (ne deacutepend que de latempeacuterature)[H3O+] concentration en ionsH3O+ dans le milieu[HA] concentration de lrsquoespegraveceacide dans le milieu[Aminus] concentration de lrsquoespegravecebasique dans le milieuc0 concentration standard

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 168

168 [3] Chimie

Principaux diagrammes potentiels ndash pH

E

0 1

01

pH

Fe3 +

Fe2 +

Fes

Zns

Zn2 +

Zn(OH)s

Zn(OH)4

2 -

Fe(OH)2

Fe(OH)3

Cu O2

Cu(OH)2

Cu2 +

Cus

Diagramme potentiel ndash pH de lrsquoeau

Le couple H2 H2O est repreacutesenteacute par une droite de pente minus0 06 etdrsquoordonneacutee agrave lrsquoorigine 0 00 V

Le couple H2O OHminus est repreacutesenteacute par une droite de pente minus0 06et drsquoordonneacutee agrave lrsquoorigine 1 23 V

53 Courbes intensiteacutendashpotentiel

Tension minimale agrave appliquer

U gt∆rG

2F

U tension appliqueacutee∆rG enthalpie libre de la reacuteactionF nombre de Faraday

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 169

5 Mateacuteriaux meacutetalliques 169

Intensiteacute du courant ndash Vitesse de reacuteaction

i = nFdξ

dt

v =1V

dt

i intensiteacute du courantn nombre drsquoeacutelectrons eacutechangeacutesau cours de la reacuteactionF nombre de Faradayξ avancement de la reacuteactionV volume de solution eacutelectrolyteLa vitesse de reacuteaction et lrsquointen-siteacute sont proportionnelles

Montage expeacuterimental

Egeacuteneacuterateur

microampegraveremegravetre(galvanomegravetre)

eacutelectrodes de travail

eacutelectrodede reacutefeacuterence

millivoltmegravetre

mAmV

Systegraveme lent ndash Systegraveme rapide

Systegraveme rapideSystegraveme lent (existence de surten-sions ηA et ηC respectivement ano-diques et cathodiques)

i

v

i

vhAhC

c copyDuno

dL

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toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 170

170 [3] Chimie

Courant limite de diffusion

i

i lim

v

Le pheacutenomegravene de diffusion limitela vitesse de deacuteplacement des eacutelec-trons il existe donc un courant li-mite

Tension agrave appliquer

U = EA minus EC︸ ︷︷ ︸thermodynamique

+ ηA minus ηC︸ ︷︷ ︸cineacutetique

+ri

U tension agrave appliquerEA potentiel du couple delrsquoanodeEC potentiel du couple de la ca-thodeηA surtension anodiqueηC surtension cathodiquer reacutesistance interne de lrsquoeacutelectro-lytei intensiteacute du courant

54 Corrosion

Reacuteaction de corrosion

M + ox minusrarr Mn+ + red

M meacutetal qui va ecirctre corrodeacuteox un meilleur oxydant que lemeacutetalMn+ cation associeacute au meacutetal dansun couple redoxred reacuteducteur associeacute agrave lrsquooxydantox

Corrosion avec des eacutelectrodes diffeacuterentes

Quand les eacutelectrodes sont diffeacuterentes crsquoest le meacutetal qui a le plus petitpotentiel redox qui se corrode

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 171

5 Mateacuteriaux meacutetalliques 171

Corrosion avec des eacutelectrodes identiquesDans le cas drsquoune pile de concen-tration crsquoest le meacutetal qui plongedans la solution la plus dilueacutee quise corrode

Crsquoest le meacutetal qui plonge dans lasolution la moins aeacutereacutee qui se cor-rode

Domaines de corrosion drsquoimmuniteacute et de passivationndash On appelle domaine de corrosion le(s) domaine(s) drsquoun diagrammeEndashpH ougrave le meacutetal se retrouve sous forme drsquoionsndash On appelle domaine drsquoimmuniteacute le domaine drsquoun diagramme EndashpHougrave le meacutetal est stable (il nrsquoest pas corrodeacute)ndash On appelle domaine de passivation le domaine drsquoun diagramme EndashpH ougrave le meacutetal se retrouve sous forme de preacutecipiteacute qui est susceptiblede former une couche protectrice agrave la surface du meacutetal

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 172

Annexe A mformulairetex 2772008 2251Page 173

Annexe APrimitives usuelles

Primitive Intervalleint dtt

= ln |t|+ k Rlowastint

cos t dt = sin t + k Rint dt

cos2 t= tan t + k R

π

2+ kπ

k isin Z

int dtcos t

= ln∣∣∣∣tan

(t

2+

π

4

)∣∣∣∣+ k R π

2+ kπ

k isin Z

inttan t dt = minus ln | cos t|+ k R

π

2+ kπ

k isin Z

intch t dt = sh t + k R

int dt

ch2 t= th t + k R

int dtch t

= 2Arctan et + k R

intth t dt = ln ch t + k R

intemt dt =

1memt + k (m isin Clowast) R

inttα dt =

tα+1

α + 1+ k (α isin Rminus minus1) R

intsin t dt = minus cos t + k R

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apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe A mformulairetex 2772008 2251Page 174

174 [A] Primitives usuelles

int dt

sin2 t= minus cot t + k R kπ k isin Z

int dtsin t

= ln∣∣∣∣tan

t

2

∣∣∣∣+ k R kπ k isin Z

intcot t dt = ln | sin t|+ k R kπ k isin Z

intsh t dt = ch t + k R

int dt

sh2 t= minus coth t + k Rlowast

int dtsh t

= ln∣∣∣∣th

t

2

∣∣∣∣+ k Rlowast

intcoth t dt = ln | sh t|+ k R

intat dt =

at

ln a+ k (a isin Rlowast+ minus 1) R

Dans la suite on suppose a isin Rlowastint dt

t2 + a2=

1aArctan

t

a+ k R

int dtradica2 minus t2

=

Arcsin t

|a| + k

minusArccos t|a| + k

]minus a a[

int dtradict2 + a2

=

Argsh t

|a| + k

ln(t +radict2 + a2

)+ k

R

int dtradict2 minus a2

=

Argcht

|a| + k

ln(t +radic

t2 minus a2)

+ k]|a|+infin[

minusArgch∣∣∣∣t

a

∣∣∣∣+ k

ln∣∣∣t +

radict2 minus a2

∣∣∣+ k]minusinfin |a|[

int dtradict2 + b

= ln∣∣∣t +

radict2 + b

∣∣∣ + k (b isinRlowast)

R [minusb b]

int dtt2 minus a2

=

Argth t + k ]minus 1 1[12a

ln(tminus a

t + a

)+ k Rminus minusa a

Annexe B mformulairetex 2772008 2251Page 175

Annexe BDeacuteveloppements limiteacutes

Principaux deacuteveloppements limiteacutes1

1minus x= 1 + x + x2 + x3 + middot middot middot+ xn + o(xn)

(1+x)α =1+αx+α(αminus1)

2x2+middot middot middot+α(αminus1) middot middot middot (αminusn+1)

nxn+ o

xrarra(xn)

radic1+x = 1+

12xminus 1

2 middot 4 x2+middot middot middot+(minus1)nminus1 1 middot 3 middot 5 middot middot middot (2nminus3)

2 middot 4 middot 6 middot middot middot 2n xn+o(xn)

1radic1 + x

= 1 minus 12x +

1 middot 32 middot 4 x

2 + middot middot middot + (minus1)n 1 middot 3 middot 5 middot middot middot (2nminus 1)2 middot 4 middot 6 middot middot middot 2n xn +

o(xn)

ln(1 + x) = xminus x2

2+

x3

3minus x4

4+ middot middot middot+ (minus1)n+1 x

n

n+ o(xn)

ln(1minus x) = minusxminus x2

2minus x3

3minus x4

4minus middot middot middot minus xn

n+ o(xn)

ln(a + x) = ln a +x

aminus x2

2a2+

x3

3a3+ middot middot middot+ (minus1)n+1 x

n

an+ o(xn)

ex = 1 + x +x2

2+

x3

3+ middot middot middot+ xn

n+ o(xn)

c copyDuno

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe B mformulairetex 2772008 2251Page 176

176 [B] Deacuteveloppements limiteacutes

cos x = 1minus x2

2+

x4

4minus x6

6+ middot middot middot+ (minus1)n x2n

(2n)+ o(x2n+1)

ch x = 1 +x2

2+

x4

4+

x6

6+ middot middot middot+ x2n

(2n)+ o(x2n+1)

sin x = xminus x3

3+

x5

5minus x7

7+ middot middot middot+ (minus1)n x2n+1

(2n + 1)+ o(x2n+2)

sh x = x +x3

3+

x5

5+

x7

7+ middot middot middot+ x2n+1

(2n + 1)+ o(x2n+2)

tan x = x +x3

3+

215

x5 +17315

x7 + o(x7)

th x = xminus x3

3+

215

x5 minus 17315

x7 + o(x7)

Arccos x =π

2minus x minus 1

2x3

3minus middot middot middot minus 1 middot 3 middot 5 middot middot middot (2nminus 1)

2 middot 4 middot 6 middot middot middot 2nx2n+1

2n + 1+

o(x2n+2)

Arcsin x = x +12x3

3+ middot middot middot+ 1 middot 3 middot 5 middot middot middot (2nminus 1)

2 middot 4 middot 6 middot middot middot 2nx2n+1

2n + 1+ o(x2n+2)

Arctan x = xminus x3

3+

x5

5minus x7

7+ middot middot middot+ (minus1)n x2n+1

(2n + 1)+ o(x2n+2)

Argch x nrsquoest pas deacutefini au voisinage de 0 et nrsquoadmet pas de deacutevelop-pement limiteacute au voisinage de 1 (tangente verticale)

Argsh = xminus 12x3

3+

1 middot 32 middot 4

x5

5+ middot middot middot+(minus1)n 1 middot 3 middot 5 middot middot middot (2nminus1)

2 middot 4 middot 6 middot middot middot 2nx2n+1

2n+1+

o(x2n+2)

Argth x = x +x3

3+

x5

5+ middot middot middot+ x2n+1

(2n + 1)+ o(x2n+2)

Annexe C mformulairetex 2772008 2251Page 177

Annexe CFormulestrigonomeacutetriques

1 Angles remarquables

sin 012

radic22

radic32

1 0

cos 1

radic32

radic22

12

0 minus1

tan 0

radic33

1radic3 0

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nonau

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Annexe C mformulairetex 2772008 2251Page 178

178 [C] Formules trigonomeacutetriques

2 Relations trigonomeacutetriques

Relations entre les rapports trigonomeacutetriques drsquoun mecircme arc

cos2 a + sin2 a = 1

tan a =sin a

cos acot a =

cos asin a

1 + tan2 a =1

cos2 a1 + cot2 a =

1

sin2 a

cos2 a =1

1 + tan2 asin2 a =

11 + cot2 a

Formules drsquoadditioncos(a + b) = cos a cos bminus sin a sin bcos(aminus b) = cos a cos b + sin a sin bsin(a + b) = sin a cos b + cos a sin bsin(aminus b) = sin a cos bminus cos a sin b

tan(a + b) =tan a + tan b

1minus tan a tan b

tan(aminus b) =tan aminus tan b

1 + tan a tan b

Formules de duplication

cos(2a) =

cos2 aminus sin2 a2 cos2 aminus 11minus 2 sin2 a

sin(2a) = 2 sin a cos a

tan(2a) =2 tan a

1minus tan2 a

Expression de cos a sin a tan a en fonction de tan a2

cos a =1minus tan2 a

21 + tan2 a

2

sin a =2 tan a

21 + tan2 a

2

tan a =2 tan a

21minus tan2 a

2

Transformations de produits en sommes

cos a cos b =12

(cos(aminus b) + cos(a + b))

sin a sin b =12

(cos(aminus b)minus cos(a + b))

sin a cos b =12

(sin(a + b) + sin(aminus b))

Annexe C mformulairetex 2772008 2251Page 179

2 Relations trigonomeacutetriques 179

sin b cos a =12

(sin(a + b)minus sin(aminus b))

cos2 a =1 + cos(2a)

2sin2 a =

1minus cos(2a)2

Transformation des sommes en produits

cos p + cos q = 2 cosp + q

2cos

pminus q

2

cos pminus cos q = minus2 sin p + q

2sin

pminus q

2

sin p + sin q = 2 sinp + q

2cos

pminus q

2

sin pminus sin q = 2 sinpminus q

2cos

p + q

21 + cos a = 2 cos2

a

21minus cos a = 2 sin2

a

2

Arcs associeacutescos(minusa) = cos a sin(minusa) = minus sin acos(π + a) = minus cos a sin(π + a) = minus sin acos(πminus a) = minus cos a sin(πminus a) = sin a

cos(π

2minus a)

= sin a sin(π

2minus a)

= cos a

cos(π

2+ a)

= minus sin a sin(π

2+ a)

= cos a

tan(π + a) = tan a cot(π + a) = cot a

tan(π

2minus a)

= cot a cot(π

2minus a)

= tan a

tan(π

2+ a)

= minus cot a cot(π

2+ a)

= minus tan a

Fonctions circulaires reacuteciproques

Arctan x + Arctan1x

2sgnx

forall(a b) isin R2

Arctan a + Arctan b =

Arctana + b

1minus absi ab lt 1

π

2sgn a si ab = 1

Arctana + b

1minus ab+ π sgn a si ab gt 1c copy

Duno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe C mformulairetex 2772008 2251Page 180

180 [C] Formules trigonomeacutetriques

Arctan x + Arctan1x

2sgn x

Trigonomeacutetrie hyperbolique

sh x =ex minus eminusx

2ch x =

ex + eminusx

2ch(a + b) = ch a ch b + sh a sh b sh(a + b) = sh a ch b + ch a sh bch(aminus b) = ch a ch bminus sh a sh b sh(aminus b) = sh a ch bminus ch a sh b

th(a + b) =th a + th b

1 + th a th bth(aminus b) =

th a + th b

1minus th a th b

ch 2a =

ch2 a + sh2 a2 ch2 aminus 11 + 2 sh2 a

sh 2a = 2 sh a ch a

ch2 xminus sh2 x = 1

th 2a =2 th a

1 + th2 ach p + ch q = 2 cosh

p + q

2ch

pminus q

2

ch pminus ch q = 2 shp + q

2sh

pminus q

2

sh p + sh q = 2 shp + q

2ch

pminus q

2

sh pminus sh q = 2 coshp + q

2sh

pminus q

2

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 181

Annexe DOpeacuterateurs vectoriels

Cette annexe sert essentiellement en physique mais elle peut trouver sonutiliteacute en chimie (par exemple lrsquoHamiltonien comporte un laplacien) ou enmaths (notamment dans le cadre du chapitre des fonctions de plusieurs va-riables)

1 Notations

Opeacuterateur Nabla

On utilise tregraves souvent lrsquoopeacuterateur laquo Nabla raquo

partpartxpart

partypartpartz

Champs utiliseacutes par la suiteDans la suite on considegravere un champ vectoriel

AAA(M) =

Ax(x y z)Ay(x y z)Az(x y z)

iiijjjkkk

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dL

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 182

182 [D] Opeacuterateurs vectoriels

On consideacuterera eacutegalement un champs vectoriel BBB et le champs scalaireV(x y z)

2 Gradient

Coordonneacutees carteacutesiennes

gradV =nablanablanablaV =

partVpartx

(x y z)

partVparty

(x y z)

partVpartz

(x y z)

Coordonneacutees cylindriques

gradV =nablanablanablaV =

partVpartr

1r

partVpartθ

partVpartz

uuur

uuuθ

uuuz

Coordonneacutees spheacuteriques

gradV =

partVpartr

1r

partVpartθ

1r sin θ

partVpartϕ

uuur

uuuθ

uuuϕ

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 183

4 Rotationnel 183

3 Divergence

Coordonneacutees carteacutesiennes

div A =partAx

partx+

partAy

party+

partAz

partz=nablanablanablaAAA

Coordonneacutees cylindriques

div A =1r

partpartr

(r middot Ar) +1r

partAθ

partθ+

partAz

partz

Coordonneacutees spheacuteriques

div A =1r2

partpartr

(r2 middot Ar) +1

r sin θ

partpartθ

(sin θAθ) +1

r sin θ

partAϕ

partϕ

4 Rotationnel

Coordonneacutees carteacutesiennes

rot A =nablanablanablaandAAA =

partpartxpart

partypartpartz

and

Ax

Ay

Az

=

partAz

partyminus partAy

partzpartAx

partzminus partAz

partxpartAy

partxminus partAx

party

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 184

184 [D] Opeacuterateurs vectoriels

Coordonneacutees cylindriques

rot A =

1r

partAz

partθminus partAθ

partzpartAr

partzminus partAx

partr1r

partpartr

(r middot Aθ)minus 1r

partAr

partθ

Coordonneacutees spheacuteriques

rot A =

1r sin θ

(part

partθ(Aϕ sin θ)minus partAθ

partϕ

)

1r

(1

sin θ

partAr

partϕminus part

partr(r middot Aϕ

)

1r

(partpartr

(r middot Aθ)minus partAr

partθ

)

5 Laplacien

Coordonneacutees carteacutesiennesLaplacien scalaire

∆V = nabla2V =part2Vpartx2

+part2Vparty2

+part2Vpartz2

= div (gradV)

Laplacien vectoriel

∆AAA =nablanablanabla2AAA =

∆Ax =part2Ax

partx2+

part2Ax

party2+

part2Ax

partz2

∆Ay =part2Ay

partx2+

part2Ay

party2+

part2Ay

partz2

∆Az =part2Az

partx2+

part2Az

party2+

part2Az

partz2

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 185

6 Relations entre les opeacuterateurs 185

Coordonneacutees cylindriquesLaplacien scalaire

∆V =1r

partVpartr

+part2Vpartr2

+1r2

part2Vpartθ2 +

part2Vpartz2

∆V =1r

partpartr

(r

partVpartr

)+

1r2

part2Vpartθ2 +

part2Vpartz2

Le Laplacien vectoriel nrsquoa pas ici drsquoexpression simple

Coordonneacutees spheacuteriquesLe Laplacien scalaire est

∆V =1r

partpartr2

(rV) +1

r2 sin2 θ

part2Vpartϕ2 +

1

r2 sin2 θ

partpartθ

(sin θ

partVpartθ

)

6 Relations entre les opeacuterateurs

Opeacuterateur A middot grad

(BBBgrad)AAA =

(BBBnablanablanabla) Ax

(BBBnablanablanabla) Ay

(BBBnablanablanabla) Az

=

BxpartAx

partx+ By

partAx

party+ Bz

partAx

partz

BxpartAy

partx+ By

partAy

party+ Bz

partAy

partz

BxpartAz

partx+ By

partAz

party+ Bz

partAz

partz

En coordonneacutees cylindriques et spheacuteriques lrsquoexpression nrsquoest plus li-siblec copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 186

186 [D] Opeacuterateurs vectoriels

Autres relationsrotrotrot (gradU) = 0div (rot A) = 0∆AAA = grad(div A)minus rotrotrot (rot A)grad(U middotV) = U gradV +V gradUdiv (V middotAAA) = V div A +AAA middot gradVrotrotrot (V middotAAA) = V rot A + (gradV) andAAAdiv (AAA andBBB) = BBB middot rot AminusAAA middot rot B

7 Theacuteoregravemes geacuteomeacutetriques

Theacuteoregraveme drsquoOstrogradskiintcopyint

Misin(S)AAA(M)nnnext dS =

intintint

Misin(V)div A(M) dV

Theacuteoregraveme de Stokes∮

Misin(C)AAA(M)dM =

intint

Misin(S)rot Annn(P) dS

Theacuteoregraveme du gradientintcopyint

Misin(S)U(M)nnnext dS =

intintint

Misin(V)gradA(M) dV

Autre formulation (avec les notations adopteacutees pour le theacuteoregraveme deStokes) ∮

Misin(C)U(M)dMdMdM =

intint

Misin(S)nnn(M) and gradU(M) dS

Annexe E mformulairetex 2772008 2251Page 187

Annexe EUniteacutes et constantesfondamentales

1 Uniteacutes du Systegraveme International

On distingue trois types drsquouniteacutes dans le Systegraveme International les uniteacutesde base les uniteacutes suppleacutementaires (ces deux premiegraveres cateacutegories eacutetant di-mensionnellement indeacutependante) et les uniteacutes suppleacutementaires et deacuteriveacuteesqui peuvent srsquoexprimer en fonction des premiegraveres

11 Uniteacutes principales du systegraveme international

Grandeur physique Uniteacute SymboleLongueur megravetre mMasse kilogramme kgTemps seconde sCourant eacutelectrique ampegravere ATempeacuterature kelvin KQuantiteacute de matiegravere mole molIntensiteacute lumineuse candela cdc copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe E mformulairetex 2772008 2251Page 188

188 [E] Uniteacutes et constantes fondamentales

12 Uniteacutes secondaires du systegraveme international

Grandeur physique Uniteacute SymboleAngle radian radAngle solide steradian sr

13 Uniteacutes courantes du systegraveme international

Grandeur physique Uniteacute SymboleFreacutequence hertz Hzharr sminus1

Force newton Nharr kg middotm middot sminus2Eacutenergie joule Jharr m middotNPuissance watt Wharr J middot sminus1Pression pascal Paharr N middotmminus2Charge eacutelectrique coulomb Charr A middot sDiffeacuterence de potentiel eacutelectrique volt Vharr Aminus1 middotm middotN middot sminus1Reacutesistance eacutelectrique ohm Ω harr Aminus1 middotm middotN middot sminus2Conductance eacutelectrique siemens Sharr A2 middotN middot sCapaciteacute eacutelectrique farad Fharr A2 middotmminus1 middotNminus1 middot s2Champ magneacutetique tesla Tharr Aminus1 middotmminus1 middotNInductance henry Hharr Aminus2 middotm middotNFlux magneacutetique weber Wbharr Aminus1 middotm middotNFlux lumineux lumen lmharr cd middot srIllumination lux lxharr cd middotmminus2 middot sr

14 Multiples deacutecimaux pour les uniteacutes

Facteur Preacutefixe Symbole Facteur Preacutefixe Symbole10 deacuteca- da 10minus1 deacuteci- d102 hecto- h 10minus2 centi- c103 kilo- k 10minus3 milli- m106 meacutega- M 10minus6 micro- micro

109 giga- G 10minus9 nano- n1012 tera- T 10minus12 pico- p1015 peta- P 10minus15 femto f1018 exa- E 10minus18 atto- a

Annexe E mformulairetex 2772008 2251Page 189

2 Constantes fondamentales 189

2 Constantes fondamentales

Constante ValeurConstante de gravitation G = 6 67259 middot 10minus11 m3 middot kgminus1 middot sminus2Ceacuteleacuteriteacute de la lumiegravere dans levide

c = 299792458 m middot sminus1c asymp 3 middot 108 m middot sminus1

Permeacuteabiliteacute du videmicro0 = 4π middot 10minus7 H middotmminus1micro0 asymp 1 25664 middot 10minus6 H middotmminus1

Permittiviteacute du vide ε0 asymp 8 85419 middot 10minus12 F middotmminus1

Constante de Planck h = 6 6260755 middot 10minus34 J middot sminus1h = 4 135669 middot 10minus15 eV middot s

Constante des gaz parfaits R = 8 314 J middotKminus1 middotmolminus1

Nombre drsquoAvogadro N = 6 0221367 middot 1023 molminus1

Constante de Boltzmann k = 1 380658 middot 10minus23 J middotKminus1Charge eacuteleacutementaire e = 1 602217733 middot 10minus19 CConstante de Faraday F = 96485 309 C middotmolminus1

Constante de Stefan-Boltzmann σ = 5 67051 middot 10minus8 W middotmminus2 middotKminus4

3 Ordres de grandeurs

Grandeur ValeurConductiviteacute du meacutetal σ asymp 108 Ωminus1 middotmminus1Tension de seuil pour une diode Vd asymp 0 6 VChamp de pesanteur agrave la surface de la Terre g = 9 8 m middot sminus2Rayon terrestre RT = 6400 kmMasse de la Terre MT asymp 6 middot 1024 kgAltitude drsquoun satellite geacuteostationnaire H asymp 36 000 kmDistance Terre-Soleil dTminusS asymp 1 5 middot 1011 mDistance Terre-Lune dTminusL asymp 3 8 middot 108 mMasse du soleil MS asymp 2 middot 1030 kgCoefficient de frottement acier-acier micro asymp 0 2Raideur drsquoun ressort k asymp 100 N middotmminus1Masse du proton mp = 1 673 middot 10minus27 kgMasse du neutron mn = 1 675 middot 10minus27 kgMasse de lrsquoeacutelectron me = 9 109 middot 10minus31 kg

c copyDuno

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ndeacutelit

Annexe E mformulairetex 2772008 2251Page 190

Annexe F mformulairetex 2772008 2251Page 191

Annexe FConstantes chimiques

Potentiels standards redox

(Agrave 25˚C 1013 bar pH=0)

Couples redox E0 en voltsMnOminus4 + 4H+ + 3eminus larrrarr MnO2 + 2H2O 1700MnOminus4 + 8H+ + 5eminus larrrarr Mn2+ + 4H2O 1490Cr2O

2minus7 + 14H+ + 6eminus larrrarr 2Cr3+ + 7H2O 1330

MnO2 + 4H+ + 2eminus larrrarr Mn2+ + 2H2O 1230Br2 + 2eminus larrrarr 2Brminus 1090Hg2+ + 2eminus larrrarr Hg 0850Ag+ + eminus larrrarr Ag 0798Hg+ + eminus larrrarr Hgminus 0790Fe3+ + eminus larrrarr Fe2+ 0780MnOminus4 + eminus larrrarr MnO2minus

4 0560I2 + 2eminus larrrarr 2Iminus 0540Cu2+ + 2eminus larrrarr Cu 0340Cu2+ + eminus larrrarr Cu+ 01502H+ + 2eminus larrrarr H2 0000Fe3+ + 3eminus larrrarr Fe minus0040

c copyDuno

dL

apho

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ndeacutelit

Annexe F mformulairetex 2772008 2251Page 192

192 [F] Constantes chimiques

Couples redox E0 en voltsPb2+ + 2eminus larrrarr Pb minus0120Sn2+ + 2eminus larrrarr Sn minus0140Fe2+ + 2eminus larrrarr Fe minus0441Zn2+ + 2eminus larrrarr Zn minus0762Mn2+ + 2eminus larrrarr Mn minus1180Al3+ + 3eminus larrrarr Al minus1660Na+ + eminus larrrarr Na minus2715Ca2+ + 2eminus larrrarr Ca minus2763Ba2+ + 2eminus larrrarr Ba minus2900K+ + eminus larrrarr K minus2924

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 193

Annexe GTableau peacuteriodique

1re colonne alkalins meacutetalliques

2e colonne alkalino terreux

Colonnes 3ndash11 meacutetaux de transition

Colonne 17 halogegravenes

Colonnes 18 gaz rares

Gaz noble Meacutetaux

Meacutetaux de transition Alkalin meacutetaliques

Halogegravene Espegravece rare

Non meacutetaux Alkalino terreux

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 194

194 [G] Tableau peacuteriodique

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1I H

hydrogegravene

10083 4 numeacutero atomique minusrarr 6

II Li Be C larrminus symbolelithium beacuteryllium nom de lrsquoeacuteleacutement minusrarr carbone

694 901 1201 larrminusmasse atomique11 12

III Na Mgsodium magneacutesium

2299 243119 20 21 22 23 24 25 26 27

IV K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Copotassium calcium scandium titane vanadium chrome manganegravese fer cobalt

3910 4008 4496 4788 5094 5200 5494 5585 589337 38 39 40 41 42 43 44 45

V Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rhrubidium strontium yttrium zirconium niobium molybdegravene techneacutetium rutheacutenium rhodium

8547 8762 8891 9122 9221 9594 9891 1011 102955 56 57 72 73 74 75 76 77

VI Cs Ba La Hf Ta W Re Os Irceacutesium baryum lanthane hafnium tantale tungstegravene rheacutenium osmium iridium

1329 1373 1389 1785 1809 1839 1862 1902 192287 88 89

VII Fr Ra Acfrancium radium actinium

2230 2260 2270

58 59 60 61 62Ce Pr Nd Pm Smceacuterium praseacuteodyme neacuteodyme promeacutethium samarium

1401 1409 1442 1449 150490 91 92 93 94Th Pa U Np Pu

thorium protactinium uranium neptunium plutonium

2320 2310 2380 2370 2441

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 195

195

10 11 12 13 14 15 16 17 18

2Heheacutelium

40035 6 7 8 9 10B C N O F Nebore carbone azote oxygegravene fluor neacuteon

1081 1201 1401 1600 1900 201813 14 15 16 17 18Al Si P S Cl Ar

aluminium silicium phosphore soufre chlore argon

2698 2809 3097 3207 3545 399528 29 30 31 32 33 34 35 36Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Krnickel cuivre zinc gallium germanium arsenic seacuteleacutenium brome krypton

5869 6355 6539 6972 7259 7492 7896 7990 838046 47 48 49 50 51 52 53 54Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

palladium argent cadmium indium eacutetain antimoine tellure iode xeacutenon

1064 1079 1124 1148 1187 1218 1276 1269 131378 79 80 81 82 83 84 85 86Pt Au Hg Ti Pb Bi Po At Rn

platine or mercure thallium plomb bismuth polonium astate radon

1951 1970 2006 2044 2072 2090 2100 2100 2220

63 64 65 66 67 68 69 70 71Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

europium gadolinium terbium dysprosium holmium erbium thulium ytterbium luteacutetium

1520 1573 1589 1625 1649 1673 1689 1730 175095 96 97 98 99 100 101 102 103Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

ameacutericium curium berkeacutelium californium einstenium fermium mendeacutelevium nobeacutelium lawrencium

2431 2471 2471 2521 2521 2571 2561 2591 2601

c copyDuno

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Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 196

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 197

Index

Abel (lemme drsquondash) 51absorption 137accroissements finis

(theacuteoregraveme des) 39activiteacute 164adheacuterence 29adiabatique (transformation ndash) 81adjoint (drsquoun

endormorphisme) 24affiniteacute 145Alembert

eacutequation drsquondash 132regravegle de drsquondash 49theacuteoregraveme de drsquondash 10

algegravebre 5Ampegravere (theacuteoregraveme drsquondash) 121amplificateur opeacuterationnel 73angles remarquables 177anneau 3application

composition 11injective 11lipschitizienne 37surjective 11

application lineacuteaire 12ndash17image 15 16noyau 15 16rang 15

application lineaire

spectre 26approximation des eacutetats quasi

stationnaires (AEQS) 149arrangement 5Arrheacutenius (loi drsquondash) 149asymptote 61asymtote 63auto-induction 126automorphisme 15automorphismes

orthogonaux 25avancement drsquoune reacuteaction 148

base 13changement de ndash 19duale 14

Bertrandseacuterie de ndash 48

Bessel (ineacutegaliteacute de ndash) 23Bezout

eacutegaliteacute de 9Bezout (theacuteoregraveme de ndash) 7binocircme (de Newton) 6Binet (formules de ndash) 100Biot et Savart (loi de ndash) 121Bolzano-Weiertrass

(theacuteoregraveme de ndash) 35boule

fermeacutee 28ouverte 28

branche infinie 61

c copyDuno

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toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 198

198 INDEX

branche parabolique 61

capaciteacutes thermiques 78Cauchy

critegravere de ndash 49produit de ndash 50regravegle de ndash 49suite de ndash 30

Cauchy-Lipschitz (theacuteoregravemede ndash) 45

Cauchy-Schwarz (ineacutegaliteacute de ndash)22

Cayley-Hamilton (theacuteoregraveme de ndash) 27

centre drsquointertie (theacuteoregravemedu ndash) 91

chaleur latente 83champ

gravitationnel 119magneacutetostatique 121

champeacutelectrostatique 118

changement de reacutefeacuterentiel 90Chasles (relation de ndash) 43cineacutetique chimique 148Clapeyron (relation de ndash) 83classe (drsquoune fonction) 39classe drsquoeacutequivalence 2codimension 14coefficients

thermoeacutelastiques 77combinaison 6compacte (partie) 29complegravete (partie ndash) 30complexe (nombre ndash) 32ndash33composition

des acceacuteleacuterations 90des vitesses 90

conduction de la chaleur 85coniques 68conjugueacute (drsquoun nombre complexe)

32connexiteacute par arcs 30constante

drsquoeacutecran 143drsquoaciditeacute 167

de vitesse (drsquoune reacuteaction) 148continuiteacute 36continuiteacute uniforme 37convection 85convegence

simple (seacuterie drsquoapplications)55

convergenceabsolue (seacuterie drsquoapplications)

55absolue (seacuterie) 50normale (seacuterie drsquoapplications)

55normale (seacuterie de Fourier) 57semi-convergence (seacuterie) 50simple (suite drsquoapplications)

52theacuteoregraveme de ndash domineacutee (suite

drsquoapplications) 54theacuteoregraveme de ndashmonotone (suite

drsquoapplications) 54uniforme (seacuterie drsquoapplications)

55uniforme (suite drsquoapplications)

52convexiteacute 40convexiteacute (ineacutegaliteacute de ndash) 40coordonneacutees

carteacutesiennes 88cylindriques 88polaires 62spheacuteriques 89

Coriolisacceacuteleacuteration de ndash 90force de ndash 90

corps 4Coulomb (lois de ndash) 105couple

redox 163courbure 64Cramer (systegraveme de ndash) 21

deacuteriveacutee 38partielle 58selon un vecteur 58

deacuterivabiliteacute 39deacuteterminant 19

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 199

INDEX 199

deacuteveloppements limiteacutes 175degreacute (drsquoun polynocircme) 8Descartes (loi de ndash) 106dieacutelectriques (milieux ndash) 138diagonalisabiliteacute 27diagramme

binaires 160ndash163drsquoEllingham 165E-pH 166intensiteacute-potentiel 168

diffeacuteomorphisme 40diffraction 116ndash118diffusion

eacutequation de ndash 67de chaleur 85

direction asymptotique 61 63Dirichlet (theacuteoregraveme de ndash) 57dispersion 137

relation de 134divisibiliteacute

dans N 6dans K[X] 9

division euclidiennedrsquoun polynocircme 9dans N 6

domination (theacuteoregraveme de ndash) 42

eacutelectrostatique 118endomorphisme 15

adjoint 24eacutenergie

cineacutetique 93cineacutetique (du solide) 101interne 77meacutecanique 93magneacutetique 127potentielle 94

enthalpie 78entropie 80eacutequation

drsquoonde 132diffeacuterentielle 66redox 164

eacutequation diffeacuterentielle 44lineacuteaire du premier ordre 44

lineacuteaire du second ordre 45eacutequilibre 94

stabiliteacute drsquoun ndash 95espace

euclidien 30preacutehilbertien 30vectoriel 5 12ndash17vectoriel normeacute 27ndash31

extremum local 59

factorielle 5famille

geacuteneacuteratrice 13libre 13

Faraday (loi de ndash) 126 128fermeacute 28filtre 71ndash73flux

du champ magneacutetique 126thermique 85

fonctionde plusieurs variables 58de transfert 71reacuteelle de la variable

reacuteelle 35ndash38trigonomeacutetrique

reacuteciproque 38fonctions implicites (theacuteoregraveme

des ndash) 59force

centrale 99drsquoinertie 90de Lorentz 98

formelineacuteaire 14quadratique 22

forttements solide 105Fourier

loi de ndash 85seacuteries de ndash 57

fraction rationnelle 10ndash11Fresnel

miroirs de ndash 115principe drsquoHuyghens ndash 116

Gaussapproximation de ndash 107

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 200

200 INDEX

theacuteoregraveme de ndash 7 119gaz parfait 76Gibbs

regravegle des phases de ndash 159relation deGibbsndashDuhem 153relation de GibbsndashHelmoltz

153gradient 58Grassman (formule de ndash) 17groupe 2

cyclique 3geacuteneacuterateurs de ndash 3monogegravene 3

Heine (theacuteoregraveme de ndash) 37Henry (loi de ndash) 160Hess (loi de ndash) 157Hund (principe de ndash) 145hysteacuteresis 130

ideacuteal 4identiteacutes thermodynamiques 80ineacutegaliteacute de la moyenne 41induction

de Lorentz 128de Neumann 126

inertie (force drsquondash) 90injective 11inteacutegrale

deacutependant drsquoun paramegravetre43

de Riemann 42impropre 43

inteacutegration 41ndash44inteacuterieur (drsquoune partie) 29interfeacuterences 109ndash116interfeacuteromegravetre

de Fabry-Perot 115de Michelson 112

intgreacuteationpar parties 41

isomorphisme 15

jauge de Lorentz 124

Kœnig (theacuteoregravemes de ndash) 92 93103 104

Kepler (lois de ndash) 100Klechkowsky (regravegle de ndash) 145

lames agrave retard 135Laplace (force de ndash) 122Le Chacirctelier (loi de ndash) 159Leibniz (formule de ndash) 39lemme drsquoAbel 51lentille mince 108Lenz (loi de ndash) 126limite 36lipschitzienne (application ndash) 37loi

drsquoArrheacutenius 149drsquoOhm 125de Biot et Savart 121de composition 2de Faraday 126 128de Fourier 85de Hess 157de Le Chacirctelier 159de Lenz 126de Planck 86de Pouillet 69de Raoult 160de SnellndashDescartes 106 140de Stefan 87de Vanrsquot Hoff 149des mailles 69des noeuds 69

longueur (drsquoun arc) 64

machinesthermiques 83

magneacutetostatique 121Malus (theacuteoregraveme de ndash) 110mateacuteriaux magneacutetiques 129matrice 17ndash22

exponentielle de ndash 19inverse 20opeacuterations 18produit 18

Maxwelleacutequations de ndash dans le vide

123

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 201

INDEX 201

eacutequations de ndash dans lesmilieux 139

eacutequation de ndash en ARQS 129Minkowski (ineacutegaliteacute de ndash) 23miroirs

de Fresnel 115spheacuteriques 107

modes propres 131module (drsquoun nombre complexe)

32Moivre (formule de ndash) 33moment cineacutetique 92

theacuteoregraveme du ndash 92 103multipliciteacute (des racines) 10

Nernst (formule de ndash) 164Newton

binocircme de ndash 6nombre

drsquooxydations 163entier 5ndash7premier 7quantique 143rationnel 5ndash7

normeeacutequivalente 28euclidienne 22

Ohm (loi drsquondash) 125onde

eacutelectromagneacutetique 134ndash140eacutequation drsquondash 132lumineuse 109plane progressive 133stationnaire 133

orbitaleatomique 144moleacuteculaire 147

orthogonaliteacute 23oscillateurs 95

coupleacutes 131ouvert 28oxydo-reacuteduction 163

paramagneacutetisme 129Parseval (eacutegaliteacute de ndash) 57

Pauli (principe de ndash) 145pgcd dans Z 7pKa 167Planck (loi de ndash) 86point

bireacutegulier 59reacutegulier 59

polarisationdrsquoun dieacutelectrique 138de la lumiegravere 135

polynocircme 8ndash11caracteacuteristique 26scindeacute 10

potentieleacutelectrique 118chimique 154redox 164

Pouillet (loi de ndash) 69Poynting (vecteur de ndash) 124Poyting (vecteur de ndash) 136ppcm dans Z 7premier principe (thermodynamique)

77primitives usuelles 173principe fondamental de la

dynamique 91prisme 107produit scalaire 22projecteur 16puissance

drsquoune force 93 104rayonneacutee 136

puissance eacutelectromagneacutetique 123Pythagore (theacuteoregraveme de ndash) 30

reacutefeacuterentielchangement de ndash 90galileacuteen 91

reacuteflextion drsquoune onde 140reacutesultante cineacutetique (theacuteoregraveme de

la ndash) 103regravegle

de Klechkowsky 145regravegle des xα f (x) 42

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 202

202 INDEX

racinedrsquoun polynocircme 10niegravemes drsquoun complexe 33niegravemes de lrsquouniteacute 33

rangdrsquoune application lineacuteaire 15formule du ndash 15

Raoult (loi de ndash) 160rayon de courbure 64relation

binaire 1drsquoeacutequivalence 1drsquoordre 1de conjugaison 108de dispersion 134de structure 134

Riemanninteacutegrale de ndash 42seacuterie de ndash 48somme de ndash 41

Rolle (theacuteoregraveme de ndash) 39roulement sans glissement 101 105

seacuterie 47ndash51alterneacutee 49de Bertrand 48de Fourier 57de Riemann 48geacuteomeacutetrique 48produit de Cauchy 50

seacuterie entiegravere 51ndash52deacuterivation 51inteacutegration 51rayon de convergence 51

Schwarz (theacuteoregraveme de ndash) 59SnellndashDescartes (loi de ndash) 140solide (meacutecanique du ndash) 101somme de Riemann 41somme directe 12sous-anneau 4sous-espace

suppleacutementaire 13sous-espace propre 26sous-groupe 3spectroscopie 141Stefan (loi de ndash) 87

Stirling (formule de ndash) 50suite 34ndash35

adjacente 35arithmeacutetique 34extraite 35geacuteomeacutetrique 34

suppleacutementaire (sous-espaces) 13surjective 11susceptibiliteacute

eacutelectrique 139magneacutetique 129 130

symeacutetrie 16drsquoune courbe parameacutetreacutee 61drsquoune courbe polaire 63

systegraveme lineacuteaire 21de Cramer 21

tangente (agrave une courbe) 60Taylor-Lagrange

ineacutegaliteacute de ndash 40Taylor-Young (formule de ndash) 40tempeacuterature drsquoinversion 158Theacuteoregraveme

de Dirichlet 57de Scharz 59

theacuteoregravemedrsquoeacutequivalence 42de domination 42de Rolle 39des accroissements finis 39

topologie 27torseur cineacutetique 101

valeur drsquoadheacuterence 29valeur propre 26Van der Waals (gaz de ndash) 77Vanrsquot Hoff (loi de ndash) 149variance 159vecteur propre 26vitesse

drsquoentraicircnement 90de groupe 137de phase 137de reacuteaction 148quadratique moyenne 76

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 203

INDEX 203

voisinage 29

Weierstrassdeuxiegraveme theacuteoregraveme de ndash 54premier theacuteoregraveme de ndash 54

Young (trous drsquondash) 111

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

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matheacutematiques

physique

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sciences de lrsquoingeacutenieur

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lionel porcheron

ingenieur de lrsquoenseeiht agrave toulouse

bull Toutes les formules et deacutefinitions du pro-gramme de mpsi et mp en matheacutematiques physique et chimie

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ISBN 978-2-10-053787-7

  • Table des matiegraveres
    • Avant-propos
    • Chapitre 1 Matheacutematiques
      • 1 Algegravebre
        • 11 Relations
        • 12 Structures algeacutebriques
        • 13 Nombres entiers nombres rationnels
        • 14 Arithmeacutetique dans Z
        • 15 Polynocircmes et fractions rationnelles
        • 16 Geacuteneacuteraliteacutes sur les applications
        • 17 Applications lineacuteaires ndash Espaces vectoriels
        • 18 Matrices ndash Deacuteterminants ndash Systegravemes lineacuteaires
        • 19 Espaces vectoriels euclidiens
        • 110 Reacuteduction des endomorphismes
          • 2 Analyse
            • 21 Espaces vectoriels normeacutes
            • 22 Nombres reacuteels
            • 23 Nombres complexes
            • 24 Suites
            • 25 Fonctions reacuteelles de la variable reacuteelle
            • 26 Deacuterivation
            • 27 Inteacutegration
            • 28 Eacutequations diffeacuterentielles
            • 29 Seacuteries
            • 210 Seacuteries entiegraveres
            • 211 Suites et seacuteries drsquoapplications
            • 212 Seacuteries de Fourier
            • 213 Fonctions de plusieurs variables
              • 3 Geacuteomeacutetrie
                • 31 Courbes du plan
                • 32 Proprieacuteteacutes meacutetriques des courbes
                    • Chapitre 213Physique
                      • 0 Eacuteleacutements de matheacutematiques
                        • 01 Diffeacuterentielles
                        • 02 Eacutequations diffeacuterentielles
                        • 03 Coniques
                          • 1 Eacutelectronique
                            • 11 Lois geacuteneacuterales
                            • 12 Reacutegime variable
                            • 13 Montages avec amplificateur opeacuterationnel
                              • 2 Thermodynamique
                                • 21 Gaz parfait
                                • 22 Premier et second principes de la thermodynamique
                                • 23 Changements de phase drsquoun corps pur
                                • 24 Machines thermiques
                                • 25 Diffusion thermique
                                • 26 Rayonnement thermique
                                  • 3 Meacutecanique du point
                                    • 31 Cineacutematique
                                    • 32 Changement de reacutefeacuterentiel
                                    • 33 Lois geacuteneacuterales de la meacutecanique
                                    • 34 Oscillateurs
                                    • 35 Mouvement drsquoune particule chargeacutee
                                    • 36 Systegravemes de deux points mateacuteriels
                                      • 4 Meacutecanique du solide
                                        • 41 Cineacutematique du solide
                                        • 42 Theacuteoregravemes geacuteneacuteraux de la dynamique
                                        • 43 Contacts entre les solides
                                          • 5 Optique
                                            • 51 Geacuteneacuteraliteacutes
                                            • 52 Optique geacuteomeacutetrique
                                            • 53 Interfeacuterences lumineuses
                                            • 54 Interfeacuteromegravetre de Michelson
                                            • 55 Autres dispositifs drsquointerfeacuterences
                                            • 56 Diffraction des ondes lumineuses
                                              • 6 Eacutelectromagneacutetisme
                                                • 61 Eacutelectrostatique
                                                • 62 Magneacutetostatique
                                                • 63 Eacutequations de Maxwell dans le vide
                                                • 64 Conduction meacutetallique
                                                • 65 Induction dans un circuit fixe avec B variable
                                                • 66 Induction dans un circuit mobile soumis agrave B stationnaire
                                                • 67 Mateacuteriaux magneacutetiques
                                                  • 7 Ondes
                                                    • 71 Oscillateurs coupleacutes
                                                    • 72 Eacutequation de drsquoAlembert - Ondes stationnaires
                                                    • 73 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans le vide
                                                    • 74 Dispersion ndash Absorption
                                                    • 75 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans les milieux mateacuteriels
                                                        • Chapitre 3 Chimie
                                                          • 1 Atomistique
                                                            • 11 Spectroscopie
                                                            • 12 Modegravele ondulatoire
                                                            • 13 Atome polyeacutelectronique
                                                            • 14 Architecture moleacuteculaire
                                                            • 15 Orbitales moleacuteculaires
                                                              • 2 Cineacutetique
                                                              • 3 Cristallographie
                                                                • 31 Geacuteneacuteraliteacutes
                                                                • 32 Mailles et sites dans les cristaux meacutetalliques
                                                                • 33 Cristaux ioniques
                                                                  • 4 Thermodynamique
                                                                    • 41 Fonctions drsquoeacutetat
                                                                    • 42 Potentiel chimique
                                                                    • 43 Grandeurs standards de reacuteaction
                                                                    • 44 Eacutequilibres chimiques
                                                                    • 45 Eacutequilibres liquidendashvapeur
                                                                    • 46 Reacuteactions drsquooxydoreacuteduction
                                                                      • 5 Mateacuteriaux meacutetalliques
                                                                        • 51 Diagrammes drsquoEllingham
                                                                        • 52 Diagrammes potentiel-pH
                                                                        • 53 Courbes intensiteacutendashpotentiel
                                                                        • 54 Corrosion
                                                                            • Annexe A13Primitives usuelles
                                                                            • Annexe B13Deacuteveloppements limiteacutes
                                                                            • Annexe C Formules13trigonomeacutetriques
                                                                              • 1 Angles remarquables
                                                                              • 2 Relations trigonomeacutetriques
                                                                                • Annexe D13Opeacuterateurs vectoriels
                                                                                  • 1 Notations
                                                                                  • 2 Gradient
                                                                                  • 3 Divergence
                                                                                  • 4 Rotationnel
                                                                                  • 5 Laplacien13
                                                                                  • 6 Relations entre les opeacuterateurs
                                                                                  • 7 Theacuteoregravemes geacuteomeacutetriques
                                                                                    • Annexe E Uniteacutes et constantes13fondamentales
                                                                                      • 1 Uniteacutes du Systegraveme International
                                                                                        • 11 Uniteacutes principales du systegraveme international
                                                                                        • 12 Uniteacutes secondaires du systegraveme international
                                                                                        • 13 Uniteacutes courantes du systegraveme international
                                                                                        • 14 Multiples deacutecimaux pour les uniteacutes
                                                                                          • 2 Constantes fondamentales
                                                                                          • 3 Ordres de grandeurs
                                                                                            • Annexe F13Constantes chimiques
                                                                                            • Annexe G13Tableau peacuteriodique
                                                                                              • Index
Page 4: 4 Le formuLaire mpsi, mp... 6493233 isBn 978-2-10-051941-5 lionel porcheron ingenieur de l’enseeiht à toulouse. • Toutes les formules et définitions du pro-gramme de mpsi et

LE FORMULAIREMPSI MP

1 500 formules de matheacutematiquesphysique et chimie

4e eacutedition

Lionel PorcheronIngeacutenieur de lrsquoENSEEIHT agrave Toulouse

9782100519415_lim_P01-04 Page III Mardi 5 aoucirct 2008 314 15

copy Dunod Paris 2000 2003 2004 2008

9782100519415_lim_P01-04 Page IV Mardi 5 aoucirct 2008 314 15

ISBN 978-2-10-053787-7

Chapitre 0 mformulairetex 2772008 2251Page V

Table des matiegraveres

Avant-propos IX

Chapitre 1 Matheacutematiques 11 Algegravebre 1

11 Relations 112 Structures algeacutebriques 213 Nombres entiers nombres rationnels 514 Arithmeacutetique dans Z 715 Polynocircmes et fractions rationnelles 816 Geacuteneacuteraliteacutes sur les applications 1117 Applications lineacuteaires ndash Espaces vectoriels 1218 Matrices ndash Deacuteterminants ndash Systegravemes lineacuteaires 1719 Espaces vectoriels euclidiens 22110 Reacuteduction des endomorphismes 26

2 Analyse 2721 Espaces vectoriels normeacutes 2722 Nombres reacuteels 3123 Nombres complexes 3224 Suites 3425 Fonctions reacuteelles de la variable reacuteelle 3526 Deacuterivation 3827 Inteacutegration 4128 Eacutequations diffeacuterentielles 4429 Seacuteries 47210 Seacuteries entiegraveres 51211 Suites et seacuteries drsquoapplications 52

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Chapitre 0 mformulairetex 2772008 2251Page VI

VI Table des matiegraveres

212 Seacuteries de Fourier 57213 Fonctions de plusieurs variables 58

3 Geacuteomeacutetrie 5931 Courbes du plan 5932 Proprieacuteteacutes meacutetriques des courbes 64

Chapitre 2 Physique 65

0 Eacuteleacutements de matheacutematiques 6501 Diffeacuterentielles 6502 Eacutequations diffeacuterentielles 6603 Coniques 68

1 Eacutelectronique 6911 Lois geacuteneacuterales 6912 Reacutegime variable 7013 Montages avec amplificateur opeacuterationnel 73

2 Thermodynamique 7621 Gaz parfait 7622 Premier et second principes de la thermodynamique 7723 Changements de phase drsquoun corps pur 8124 Machines thermiques 8325 Diffusion thermique 8526 Rayonnement thermique 86

3 Meacutecanique du point 8831 Cineacutematique 8832 Changement de reacutefeacuterentiel 9033 Lois geacuteneacuterales de la meacutecanique 9134 Oscillateurs 9535 Mouvement drsquoune particule chargeacutee 9836 Systegravemes de deux points mateacuteriels 99

4 Meacutecanique du solide 10141 Cineacutematique du solide 10142 Theacuteoregravemes geacuteneacuteraux de la dynamique 10343 Contacts entre les solides 104

5 Optique 10551 Geacuteneacuteraliteacutes 10552 Optique geacuteomeacutetrique 10653 Interfeacuterences lumineuses 10954 Interfeacuteromegravetre de Michelson 11255 Autres dispositifs drsquointerfeacuterences 11556 Diffraction des ondes lumineuses 116

Chapitre 0 mformulairetex 2772008 2251Page VII

Table des matiegraveres VII

6 Eacutelectromagneacutetisme 11861 Eacutelectrostatique 11862 Magneacutetostatique 12163 Eacutequations de Maxwell dans le vide 12364 Conduction meacutetallique 12565 Induction dans un circuit fixe avec BBB variable 12666 Induction dans un circuit mobile soumis agrave BBB stationnaire 12867 Mateacuteriaux magneacutetiques 129

7 Ondes 13171 Oscillateurs coupleacutes 13172 Eacutequation de drsquoAlembert - Ondes stationnaires 13273 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans le vide 13474 Dispersion ndash Absorption 13775 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans les milieux mateacuteriels 138

Chapitre 3 Chimie 1411 Atomistique 141

11 Spectroscopie 14112 Modegravele ondulatoire 14213 Atome polyeacutelectronique 14314 Architecture moleacuteculaire 14515 Orbitales moleacuteculaires 147

2 Cineacutetique 148

3 Cristallographie 15031 Geacuteneacuteraliteacutes 15032 Mailles et sites dans les cristaux meacutetalliques 15033 Cristaux ioniques 152

4 Thermodynamique 15341 Fonctions drsquoeacutetat 15342 Potentiel chimique 15443 Grandeurs standards de reacuteaction 15544 Eacutequilibres chimiques 15745 Eacutequilibres liquidendashvapeur 16046 Reacuteactions drsquooxydoreacuteduction 163

5 Mateacuteriaux meacutetalliques 16551 Diagrammes drsquoEllingham 16552 Diagrammes potentiel-pH 16653 Courbes intensiteacutendashpotentiel 16854 Corrosion 170

Annexe A Primitives usuelles 173

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Chapitre 0 mformulairetex 2772008 2251Page VIII

VIII Table des matiegraveres

Annexe B Deacuteveloppements limiteacutes 175

Annexe C Formules trigonomeacutetriques 1771 Angles remarquables 177

2 Relations trigonomeacutetriques 178

Annexe D Opeacuterateurs vectoriels 1811 Notations 181

2 Gradient 182

3 Divergence 183

4 Rotationnel 183

5 Laplacien 184

6 Relations entre les opeacuterateurs 185

7 Theacuteoregravemes geacuteomeacutetriques 186

Annexe E Uniteacutes et constantes fondamentales 1871 Uniteacutes du Systegraveme International 187

11 Uniteacutes principales du systegraveme international 18712 Uniteacutes secondaires du systegraveme international 18813 Uniteacutes courantes du systegraveme international 18814 Multiples deacutecimaux pour les uniteacutes 188

2 Constantes fondamentales 189

3 Ordres de grandeurs 189

Annexe F Constantes chimiques 191

Annexe G Tableau peacuteriodique 193

Index 197

Chapitre 0 mformulairetex 2772008 2251Page IX

Avant-propos

La quatriegraveme eacutedition de ce formulaire rassemble les principaux reacutesultats descours de matheacutematiques de physique et de chimie eacutetablis tout au long desdeux anneacutees de classes preacuteparatoires dans la filiegravere MP Cette nouvelle eacutedi-tion srsquoameacuteliore encore un peu avec lrsquoapparition de la couleur Ce formulairesrsquoaveacuterera fort utile aussi bien pendant votre laquo preacutepa raquo que lorsque la peacuteriodefatidique des concours approchera

Il a eacuteteacute scindeacute en trois parties les parties relatives aux matheacutematiques agravela physique et agrave la chimie chacune drsquoentre elles rassemblant les principauxreacutesultats eacutetablis en cours pour chacune des filiegraveres auxquelles srsquoadresse cetouvrage Agrave la fin de lrsquoouvrage figurent en annexes les donneacutees qui ne sontpas neacutecessairement agrave connaicirctre mais qui sont neacuteanmoins fort utiles au quo-tidien

Un effort tout particulier a eacuteteacute fait pour rendre ces formules les plus laquo li-sibles raquo possible en deacutetaillant la signification de chaque symbole et en preacute-cisant bien agrave chaque fois les conditions drsquoapplication de ces formules Sou-lignons tout de mecircme que lrsquoapprentissage de ces formules ne se substituepas agrave lrsquoapprentissage du cours

Merci agrave tous ceux qui ont accepteacute de collaborer agrave cet ouvrage et en particu-lier agrave Pascal OLIVE et Jean-Marie MONIER pour leur consciencieuse relec-ture respective des parties physique et matheacutematiques agrave Bruno COURTETpour avoir parfaitement assureacute le suivi de ce nouveau venu dans la collec-tion laquo Jrsquointegravegre raquo

Lionel PORCHERONlionelporcheronfreefr

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 1

Chapitre 1Matheacutematiques

1 Algegravebre

11 Relations

Proprieacuteteacutes drsquoune relation binaireSoitR une relation binaire dans E elle est dite reacuteflexive si et seulement si forallx isin E xRx

symeacutetrique si et seulement si forall(x y) isin E2 xRy =rArr yRx

antisymeacutetrique si et seulement si forall(x y) isin E2 xRyyRx

=rArr x = y

transitive si et seulement si forall(x y z) isin E3 xRyyRz

=rArr xRz

Relation drsquoordre

Une relation binaireR de E est dite relation drsquoordre si et seulement siR est reacuteflexive antisymeacutetrique et transitive

Relation drsquoeacutequivalence

Une relation binaireR de E est une relation drsquoeacutequivalence si et seule-ment siR est reacuteflexive symeacutetrique et transitive

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2 [1] Matheacutematiques

Classe drsquoeacutequivalence

SoitR une relation drsquoeacutequivalence dans E pour x isin E on appelle classedrsquoeacutequivalence de x (moduloR) lrsquoensemble deacutefini par

clR(x) = y isin E xRy

Ensemble-quotient

On appelle ensemble-quotient de E parR et on note ER lrsquoensembledes classes drsquoeacutequivalence moduloR

ER = clR x isin E

12 Structures algeacutebriques

Lois de compositions

On appelle loi interne toute application de Etimes Erarr E

Un loi lowast est dite associative si et seulement si forall(x y z) isin E3 x lowast (y lowast z) = (x lowast y) lowast z

Une loi lowast interne est dite commutative si et seulement si

forall(x y) isin E2 x lowast y = y lowast xOn dit que e est un eacuteleacutement neutre pour lowast si et seulement si

forallx isin E x lowast e = e lowast x = xOn appelle symeacutetrique de x isin E un eacutelement de E noteacute xminus1 veacuterifiant

xminus1 lowast x = x lowast xminus1 = eOn dit que rHE est stable par lowast si et seulement si

forall(x y) isin H2 x lowast y isin H

Groupe

Un ensemble muni drsquoune loi interne (G middot) est un groupe si et seule-ment si ndash middot est associative ndash middot admet un eacuteleacutement neutre e ndash tout eacuteleacutement de G admet un symeacutetrique pour la loi middotSi la loi middot est commutative on dit que le groupe G est abeacutelien ou com-mutatif

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 3

1 Algegravebre 3

Sous-groupe

Soit (G middot) un groupe Une partie H de G est un sous groupe de G si etseulement si ndash H est stable par la loi middot ndash H contient lrsquoeacuteleacutement neutre ndash forallx isin H xminus1 isin H

Groupe commutatif

ndash (ZnZ+) est un groupe commutatifndash lrsquoapplication pn Zrarr (ZnZ)

x 7rarr x mod n appeleacutee surjection canonique est

un morphisme surjectif de groupes

Geacuteneacuterateurs du groupe

Les geacuteneacuterateurs du groupe (ZnZ+) sont les k avec k isin Z et k and n =1

Groupe monogegravene ndash Groupe cyclique

ndash Un groupe G est dit monogegravene si et seulement srsquoil admet un geacuteneacutera-teur crsquoest-agrave-dire si et seulement srsquoil existe a isin G tel que G =lt a gtndash Un groupe G est dit cyclique si et seulement si G est monogegravene etfini

Anneau

Un ensemble A muni de deux lois internes noteacutees + et middot est un anneausi et seulement si ndash (A+) est un groupe commutatif drsquoeacuteleacutement neutre 0A ndash middot est associative et admet un eacuteleacutement neutre 1A ndash middot est distributive par rapport agrave + crsquoest-agrave-dire

forall(x y z) isin A3 x middot (y + z) = (x middot y) + (x middot z) (x + y) middot z = (x middot z) + (y middot z)

Si middot est commutative on dit que lrsquoanneau A est commutatifc copyDuno

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4 [1] Matheacutematiques

Anneau integravegre

On dit qursquoun anneau (A+ middot) est integravegre si et seulement si A est com-mutatif et

forall(x y) isin A2 (x middot y = 0A)rArr (x = 0A ou y = 0A)

Sous-anneau

Soit (A+ middot) un anneau B une partie de A est un sous-anneau si etseulement si ndash (B+) est un sous groupe de (A+) ndash B est stable par middot ndash 1A isin B

Ideacuteal drsquoun anneau commutatif

I est dit un ideacuteal de A anneau commutatif avec I sub A si et seulementsrsquoil veacuterifie les proprieacuteteacutes

I 6= emptyforall(x y) isin I2 x + y isin Iforalla isin A forallx isin I ax isin I

Corps

Un ensemble (K+middot)muni de deux lois internes est un corps si et seule-ment si ndash (K+ middot) est un anneau commutatif ndash Tout eacuteleacutement de K0K est inversible par la loi middot

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1 Algegravebre 5

Espace vectorielUn ensemble E est dit un K-espace vectoriel si E est non vide et sion dispose de deux lois une loi interne noteacutee + et drsquoune loi externe(Ktimes Erarr E) veacuterifiant (E+) est un groupe abeacutelien1 forall(λmicro) isin K2 forallx isin E (λ + micro)x = λx + microx

2 forallλ isin K forall(x y) isin E2 λ(x + y) = λx + λy

3 forall(λmicro) isin K2 forallx isin E λ(microx) = (λmicro)x4 forallx isin E 1x = x

AlgegravebreOn appelle K-algegravebre tout ensemble A muni drsquoune loi interne noteacutee +drsquoune loi externe Ktimes Ararr A et drsquoune loi interne noteacutee lowast veacuterifiant 1 (A+ middot) est un K-espace vectoriel2 lowast est distributive par rapport agrave +3 forallλ isin K forall(x y) isin A2 λ(x lowast y) = (λx) lowast y = x lowast (λy)Cette algegravebre est associative si et seulement si lowast est associative com-mutiative si et seulement si lowast est commutative unitaire si et seulementsi A admet un eacutelement neutre pour lowast

13 Nombres entiers nombres rationnels

Factorielle ndash Deacutefinition

n =n

prodk=1

k n factorielle nPar convention 0 = 1

Permutations

cardS(n) = nn factorielle n nombre de per-mutations drsquoun ensemble agrave n eacuteleacute-ments

Arrangements

Apn =

n(nminus p)

(n p) isin N2 avec p 6 n

On note Apn le nombre drsquoarrange-

ments de p eacuteleacutements agrave partir drsquounensemble de n eacuteleacutements (crsquoest-agrave-dire le nombre de p-uplets com-poseacutes drsquoeacuteleacutements deux agrave deux dis-tincts)

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6 [1] Matheacutematiques

Combinaisons

Cpn =

np(nminus p)

(n p) isin N2 avec p 6 nOn appelle combinaison (noteacuteeCpn) toute partie de cardinal p drsquoun

ensemble agrave n eacuteleacutements

Combinaisons ndash Proprieacuteteacutes

Cpn = C

nminuspn forall(n p) isin NtimesN

Cpn + C

p+1n = C

p+1n+1 forall(n p) isin NtimesZ

Binocircme de Newton

(x + y)n =n

sumk=0

Cknx

kynminuskn isin N(x y) isin A2 et xy = yx avec A unanneau commutatif

Divisibiliteacute

Soit (a b) isin Z2 on dit que a divise b si et seulement si il existe c isin Ztel que b = ac

Division euclidienne

forall(a b) isin ZtimesNlowast exist(q r) isin Z2 tel que a = bq + r et 0 6 r lt b

Q est archimeacutedien

forallε isin Qlowast+ forallA isin Qlowast+ existN isin Nlowast Nε gt A

Q est dense

x lt y =rArr (existz isin Qx lt z lt y) forall(x y) isin Q2

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 7

1 Algegravebre 7

14 Arithmeacutetique dans Z

Plus Grand Commun Diviseur (PGCD)Soit (x1 xn) isin Zn une famille drsquoentiers relatifs non tous nuls la fa-mille des diviseurs communs agrave tous les (xi)iisin[1n] admet un plus grandeacuteleacutement appeleacute plus grand commun diviseur

Plus Petit Commun Multiple (PPCM)Soit (x1 xn) isin Nn la famille des multiples communs non nulsaux (xi)iisin[1n] admet un plus petit eacuteleacutement appeleacute plus petit communmultiple

Nombres premiers entre euxSoient (x1 xn) isin (Zlowast)n ces nombres sont premiers entre eux si etseulement si ils veacuterifient la proprieacuteteacute pgcd(x1 xn) = 1

Theacuteoregraveme de BezoutSoient (x1 xn) isin (Zlowast)n pour que tous ces entiers soient premiersentre eux il faut et il suffit qursquoil existe (u1 un) isin Zn tel quen

sumi=1

xiui = 1

Theacuteoregraveme de Gauss

a|bcpgcd(a b) = 1 =rArr a|c forall(a b c) isin (Zlowast)3

Produit du PGCD par le PPCM

pgcd(a b) middot ppcm(a b) = |a middot b| forall(a b) isin (Zlowast)2

Nombres premiersOn dit qursquoun entier p isin N est premier si et seulement si p gt 2 et srsquoilveacuterifie

foralla isin Nlowast (a|p =rArr (a = 1 ou a = p))

Deacutecomposition en nombres premiersTout entier n isin N 0 1 admet une deacutecomposition unique en un pro-duit de nombres premiers agrave lrsquoordre pregraves des facteurs

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8 [1] Matheacutematiques

15 Polynocircmes et fractions rationnelles

Support drsquoune suite ndash Deacutefinition drsquoun polynocircme

Pour toute suite (an)nisinN de KN on apelle support lrsquoensemble des n isinN tels que an 6= 0

On appelle polynocircme agrave une indeacutetermineacutee agrave coefficients constantstoute suite de KN agrave support fini

Polynocircme agrave une indeacutetermineacutee

On note K[X] le corps des polynocircmes agrave une indeacutetermineacutee X agrave valeursdans K Tout eacuteleacutement P de K[X] peut srsquoeacutecrire sur la base canonique(Xn)nisinN sous la forme P = sum

nanX

n

Degreacute drsquoun polynocircme ndash Deacutefinition

deg P = max n isin Nan 6= 0 deg P degreacute du polynocircme P

Degreacute drsquoun polynocircme ndash Proprieacuteteacutes

deg(P + Q) 6 max(deg P degQ)

(PQ) isin K[X]

Lorsque deg P 6= degQ alors deg(P+Q)=max(deg P+degQ)

deg(PQ) = deg P + degQ

Produit

PQ = sumncnX

n

cn =n

sump=0

apbnminusp

P = sumnanX

n isin K[X]

Q = sumnbnX

n isin K[X]

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 9

1 Algegravebre 9

Composition

P Q = P(Q) = sumnanQ

nP Q polynocircme composeacuteP = sum

nanX

n isin K[X]

Q isin K[X]

Deacuterivation

Pprime = sumngt1

nanXnminus1 P = sum

nanX

n isin K[X]

Pprime polynocircme deacuteriveacute de P

Division euclidienne

forall(A B) isin (K[X])2 exist(Q R) isin (K[X])2A = BQ + R avec deg R ltdeg BQ quotient de la division euclidienne de A par BR reste de la division euclidienne de A par B

Divisibiliteacute dans K[X]

On dit que A divise P deux polynocircmes de K[X] si et seulement srsquoilexiste Q isin K[X] tel que P = AQOn appelle plus grand commun diviseur de (Pk)kisin[1n] isin (K[X] 0)le polynocircme de plus haut degreacute parmi les diviseurs des PkSoient (PQ) isin (K[X])2 ils sont dits premiers entre eux si et seulementsi leur plus grand commun diviseur est 1

Proprieacuteteacute de Gauss Soient A B et C trois polynocircmes non nuls deK[X] si A divise BC et si A et B sont premiers entre eux alors A diviseCSi A est premier avec B et avec C alors A est premier avec BC

Eacutegaliteacute de Bezout pour deux polynocircmesSoient A et B deux polynocircmes non nuls de K[X] Ces deux polynocircmessont premiers entre eux si et seulement si il existe un unique couple(UV) de polynocircmes de K[X] tels que

AU + BV = 1

Polynocircme irreacuteductibleUn polynocircme P isin K[X] est dit irreacuteductible si et seulement si deg P gt 1et si P nrsquoadmet comme diviseurs que les eacuteleacutements non nuls du corps Ket les multiples de lui-mecircmec copyDuno

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 10

10 [1] Matheacutematiques

Fonction polynomiale

Agrave tout polynocircme P = sumnanX

n on associe la fonction polynomiale

P ξ 7rarrsumnanξ

n

Racine drsquoun polynocircme

P(α) = 0α est appeleacutee racine du polynocircmeP isin K[X] si elle veacuterifie la proprieacuteteacuteci-contre

Soit (α)iisinI famille des racines deux agrave deux distinctes du polynocircme PCe polynocircme peut alors srsquoexprimer sous la forme P = Qprod

iisinI(xminus αi)

mi

ougrave mi est la multipliciteacute de la racine αi et Q un polynocircme nrsquoayant pasde zeacutero dans K

Multipliciteacute drsquoune racine drsquoun polynocircme

P(mminus1)(α) = 0

P(m)(α) 6= 0

α est une racine P de multipli-citeacute m si elle veacuterifie la proprieacuteteacute ci-contre

Polynocircme scindeacuteUn polynocircme P isin K[X] est dit scindeacute sur K si et seulement si il existeλ isin K 0 et une famille drsquoeacuteleacutements non neacutecessairement distincts(xi)iisin[1n] tels que

P = λn

prodi=1

(Xminus xi)

Theacuteoregraveme de drsquoAlembert amp ConseacutequenceLe corps C est algeacutebriquement clos tout polynocircme non constant deK[X] admet au moins un zeacutero dans CConseacutequence Tout polynocircme non constant est scindeacute sur C

Fraction rationnelle ndash Deacutefinition

R =sumnanX

n

sumnbnX

n

R isin K(X) fraction rationnelleK(X) corps des fractions ration-nelles(an bn) isin K2 coefficients

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1 Algegravebre 11

Zeacuteros et pocircles drsquoune fraction rationnelle

Soit R =P

Qisin K(X) avec (PQ) isin K[X]2 une fraction rationnelle

Si P et Q sont deux polynocircmes premiers entre eux - on appelle zeacuteros de R les zeacuteros de P- on appelle pocircles de R les zeacuteros de Q

Deacutecomposition en eacuteleacutements simples

R =P

Sα11 times middot middot middot times Sαn

n

R = E +n

sumi=1

αi

sumj=1

Cαi j

Sji

R isin K(X) une fraction ration-nelleSαi

i isin K[X] polynocircme irreacuteduc-tibles premiers deux agrave deux entreeuxforalliαi isin NlowastE isin K[X] partie entiegravere de R

16 Geacuteneacuteraliteacutes sur les applications

Application injective

forall(x y) isin E2

( f (x) = f (y) =rArr x = y)

Une application f est dite injec-tive si et seulement si elle veacuterifiela proprieacuteteacute ci-contre

Application surjective

forally isin F existx isin E f (x) = y

Une application lineacuteaire f de Edans F est dite surjective si etseulement si elle veacuterifie la pro-prieacuteteacute ci-contre

Composition de fonctions injectives de fonctions surjectives

g f injective rArr f injectiveg f surjective rArr g surjective f et g deux applicationsc copy

Duno

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

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12 [1] Matheacutematiques

17 Applications lineacuteaires ndash Espaces vectoriels

Espace vectoriel ndash DeacutefinitionSoit E un ensemble muni drsquoune loi interne noteacutee + drsquoune loi externeKtimes Erarr E noteacutee middot telles que (E+) est un groupe abeacutelienforallλ isin K forall(x y) isin E2 λ(x + y) = λx + λyforall(λmicro) isin K2 forallx isin E (λ + micro)x = λx + microxforall(λmicro) isin K2 forallx isin E λ(microx) = (λmicro)xforallx isin E 1x = xUn tel ensemble est appeleacute K-espace vectoriel

Sous-espace vectorielSoit E un K-espace vectoriel et F sub E F est dit sous-espace vectorielde E si et seulement si il veacuterifie les proprieacuteteacutes suivantes (1) F 6= empty(2) forall(x y) isin F2 x + y isin F(3) forallλ isin K forallx isin F λx isin F

Sous-espace engendreacute par une partie

Vect(A) =⋂

FsubEFsupA

F

E K-espace vectorielA sub EVect(A) sous-espace vectorielengendreacute par AAutrement dit Vect(A)est le pluspetit sous-espace vectoriel de Econtenant A ou si A 6= empty lrsquoen-semble des combinaisons lineacuteairesdes eacuteleacutements de E

Somme directe de sous-espaces vectoriels

E = sumiisinI

Ei

forall(i j) isin I2 Ei capsumj 6=i

E j = 0

(Ei)iisinI famille de sous-espacesvectoriels drsquoun espace vectoriel ESi la somme des Ei veacuterifie les deuxproprieacuteteacutes ci-contre elle est ditedirecteDans ce cas forallx isin E il existe uneunique deacutecomposition x = sum

iisinIxi

avec xi isin Ei

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1 Algegravebre 13

Sous-espaces vectoriels suppleacutementaires

E =oplus

iisinIEi

(Ei)iisinI famille de sous-espacesvectoriels drsquoun espace vectoriel EIls sont dits suppleacutementaires si etseulement srsquoils sont en somme di-recte et que leur somme est eacutegale agraveE

Famille geacuteneacuteratriceSoit (xi)iisinI une famille de vecteurs drsquoun espace vectoriel de E sur KOn dit que cette famille est geacuteneacuteratrice si et seulement si tout eacuteleacutementx de E peut srsquoexprimer comme combinaison lineacuteaire des xi crsquoest-agrave-direqursquoil existe une famille (λi)iisinI telle que x = sum

iisinIλixi

Famille libre

sumiisinI

λixi = 0 =rArr foralli isin I λi = 0(xi)iisinI famille de vecteurs de E(λi)iisinI famille de scalaires de KUne famille est libre si elle veacuterifiela proprieacuteteacute ci-contre

Proprieacuteteacutes fondamentales des famillesndash Toute sur-famille drsquoune famille geacuteneacuteratrice drsquoune famille geacuteneacuteratriceest geacuteneacuteratricendash Toute sous famille drsquoune famille libre est une famille libre

ndash Si (x1 xn) libre et (x1 xn xn+1) lieacutee alors xn+1 =n

sumi=1

λixi

ndash Une famille comportant le vecteur nul est lieacutee

Base drsquoun espace vectoriel ndash DeacutefinitionUne base de E est une famille de vecteurs (xi)iisinI de E libre et geacuteneacutera-triceAutres formulations une base est une famille libre maximale ou en-core une famille geacuteneacuteratrice minimale

Theacuteorie de la dimensionUn K-espace vectoriel est dit de dimension finie si et seulement si Eadmet au moins une famille geacuteneacuteratrice de dimension finieSoit E un K-espace vectoriel de dimension finie alors 1 E admet au moins une base de dimension finie2 Toutes les bases de E sont finies et ont le mecircme cardinal appeleacute di-mension de E et noteacute dim E

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14 [1] Matheacutematiques

Theacuteoregraveme de la base incomplegraveteSoit E un K-espace vectoriel de dimension n et F = (x1 xr)unefamille libre de E Il y a au moins une faccedilon de compleacuteter F par nminus rvecteurs drsquoune base de E pour obtenir une base de E

Base duale deacutefinition

elowasti (e j) = δi j =

1 si i = j0 si i 6= j

E K-espace-vectorielElowast dual de EB = (e1 en) une base de EBlowast = (elowast1 e

lowastn) base de Elowast

Blowast est appeleacute base duale de BProprieacuteteacutes des familles libres et des familles geacuteneacuteratrices

Soient E un K-espace vectoriel de dimension nndash Toute famille libre de E comporte au plus n eacuteleacutementsndash Toute famille geacuteneacuteratrice de E comporte au moins n eacuteleacutements

Droite vectorielle ndash HyperplanOn appelle droit vectorielle tout sous-espace vectoriel de dimension 1On appelle hyperplan tout sous-espace vectoriel de dimension nminus 1drsquoun espace vectoriel de dimension n

CodimensionSoit F un sous-espace vectoriel de E il est dit de codimension finiesi et seulement si F admet au moins un suppleacutementaire de dimensionfinie dans E

Application lineacuteaire ndash Deacutefinition

forall(x y) isin E2 forallλ isin K

f (x + λy) = f (x) + λ f (y)

On dit que f est une application li-neacuteaire de E dans F si et seulementsi elle veacuterifie la proprieacuteteacute ci-contre

Forme lineacuteaire ndash DeacutefinitionOn appelle forme lineacuteaire une application lineacuteaire qui va de E dans lecorps de reacutefeacuterence K

Applications lineacuteaires et famille de vecteursforall f isin L(E F) et pour toute famille finie F drsquoeacuteleacutements de E ndash f (Vect(F )) = Vect( f (F ))ndash si F est lieacutee alors f (F ) est lieacutee

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 15

1 Algegravebre 15

ndash si f (F ) est libre alors F est librendash si f est bijective pour toute base B de E f (B) est une base de F

Image et noyau drsquoune application lineacuteaire ndash Deacutefinition

Im f = y isin Fexistx isin E f (x) = yOn appelle image de f le sous-espace vectoriel de F noteacute Im f deacute-fini ci-contre

Ker f = x isin E f (x) = 0On appelle noyau de f le sous-espace vectoriel de E noteacute Ker fdeacutefini ci-contre

Noyau drsquoune forme lineacuteaire

Le noyau drsquoune forme lineacuteaire autre que la forme nulle est un hyper-plan

Rang drsquoune application lineacuteaire ndash Deacutefinition

Soient E et F deux espaces vectoriels sur K et f une application lineacuteairede E dans F Si Im f est de dimension finie dim Im f srsquoappelle rangde f et se note rg f

Formule du rang

dim E = rg f + dim(Ker f )

E espace vectoriel de dimensionfinief application lineacuteairerg f rang de fKer f noyau de f

Isomorphisme ndash Endomorphisme ndash Automorphisme

ndash Un isomorphisme drsquoespaces vectoriels est une application lineacuteairede E dans F bijective

ndash Un endomorphisme de E est une application lineacuteaire de E dans E

ndash Un automorphisme est un endomorphisme bijectif On note GL(E)lrsquoensemble des automorphismes de E

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16 [1] Matheacutematiques

Endomorphisme nilpotentOn dit qursquoun endomorphisme f drsquoun K-espace-vectoriel E est nil-potent si et seulement si existp isin Nlowast tel que f p = 0 Lrsquoordre de nilpotenceest alors le plus petit p isin Nlowast tel que f p = 0

Applications lineacuteaires ndash Cas de la dimension finie

(1) f isomorphisme(2) f injective(3) f surjective(4) rg f = n

E et F deux espaces vectoriels demecircme dimension n sur Kf isin L(E F)Les propositions ci-contre sontdeux agrave deux eacutequivalentes

(1) f automorphisme(2) f injective(3) f surjective(4) rg f = n

E espace vectoriel de dimensionn sur Kf isin L(E)Les propositions ci-contre sontdeux agrave deux eacutequivalentes

Image et noyau drsquoune application lineacuteaire ndash Proprieacuteteacutes

f surjective lArrrArr Im f = Ff injective lArrrArr Ker f = 0 f application lineacuteaire de E dans F

Projecteur ndash Deacutefinition

p2 = p (1)

Un projecteur est une applicationlineacuteaire veacuterifiant la relation (1)p est alors le projecteur sur Im pparallegravelement agrave Ker p

Symeacutetrie ndash Deacutefinition

s2 = IdE

Une symeacutetrie est une applicationlineacuteaire veacuterifiant la relation ci-contre

p = 12 (s + IdE) est un projecteur

s est la symeacutetrie par rapportagrave Ker(s minus IdE) parallegravelement agraveKer(s + IdE)

Une symeacutetrie est une applicationlineacuteaire veacuterifiant les proprieacuteteacutes ci-contre

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 17

1 Algegravebre 17

Formule de Grassman

dim(A + B) = dim A + dim B minus dim(A cap B) ougrave A et B sont deuxsous-espaces vectoriels de E de dimensions finies

18 Matrices ndash Deacuteterminants ndash Systegravemes lineacuteaires

Ensemble des matrices

On noteMmn(K) lrsquoensemble des matrices agrave m lignes et n colonnes

Matrices et applications lineacuteaires

f (e j) =m

sumi=1

ai j fi

f application lineacuteaire de E dans Fdeux espaces vectoriels de dimen-sion finieM = (ai j)iisin[1m] jisin[1n] matrice as-socieacutee agrave lrsquoapplication lineacuteaire fB = (e j) jisin[1n] base de E

Bprime = ( fi)iisin[1m] base de F

Somme de deux matrices

γi j = αi j + βi j

M = (αi j) isin Mmn(K)

N = (βi j) isin Mmn(K)

M + N = (γi j) isin Mmn(K)

Produit drsquoune matrice par un scalaire

M = λN

(γi j) = (λ middot αi j)

λ isin KM = (αi j) isin Mmn(K)

N = (γi j) isin Mmn(K)

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 18

18 [1] Matheacutematiques

Produit de matrices

β1 jβ2 j

βk j

βp j

αi1αi2 middot middot middotαik middot middot middotαip

γi j

M = (αik) isin Mmp(K)N = (βk j) isin Mpn(K)

MN = (γi j) isin Mmn(K)

γi j =p

sumk=1

αik middot βk j

Proprieacuteteacutes des opeacuterations sur les matrices

(M + N)P = MP + NP (MN) isin (Mmp(K))2 P isinMpn(K)

(microM)(λN) = microλ(MN)

M isin Mmp(K)N isin Mpn(K)

(λmicro)2 isin K2

(MN)P = M(NP)

M isin Mmp(K)N isin Mpn(K)N isin Mnq(K)

Attention En geacuteneacuteral MN 6= NM

Transposeacutee drsquoune matrice

A = (ai j) iisin[1n]

jisin[1p]

tA = (a ji) jisin[1p]iisin[1n]

A isin Mnp(K)tA isin Mpn(K) matrice transpo-seacutee de A

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1 Algegravebre 19

Changement de base

Aprime = Qminus1AP

Aprime matrice drsquoune application li-neacuteaire de E (dans la base base Bprime)vers F (dans la base base C prime)A matrice de la mecircme applicationlineacuteaire de E (dans la base base B)vers F (dans la base base C)P matrice de passage de B agrave BprimeQ matrice de passage de C agrave C primeDans le cas drsquoun endomorphismeQ = P (seulement deux bases sontneacutecessaires)

Exponentielle de matrice

exp(A) =+infin

sumk=0

1kAk

A isin Mn(K)exp(A) exponentielle de la ma-trice A

Deacuteterminant ndash DeacutefinitionUn deacuteterminant est une forme multilineacuteaire alterneacuteeMultilineacuteariteacute (det(α1V1 αnVn) = α1 middot middot middot middot αn det(V1 Vn))Alterneacutee Vi = Vj avec i 6= j =rArr det(V1 Vn) = 0Dans une base B = (e1 en) de E on note detB lrsquoapplication

detB(V1 Vn) = sumσisinSn

ε(σ)aσ(1)1 middot middot middot aσ(n)n

Avec Vj =n

sumi j=1

ai j jei j j

Deacuteterminant drsquoun produit de matrices

det(M middot N) = detM middot detN M isin Mn(K)N isin Mn(K)

Deacuteterminant et matrice inversible

M inversible lArrrArr detM 6= 0c copyDuno

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20 [1] Matheacutematiques

det(Mminus1) = (detM)minus1 M isin Mn(K) inversible

Deacuteterminant de Vandermonde∣∣∣∣∣∣∣

1 x1 x21 middot middot middot xnminus11

1 xn x2n xnminus1n

∣∣∣∣∣∣∣= prod

16 jlti6n

(xi minus x j) (x1 xn) isin Kn

Matrice inversible ndash DeacutefinitionUne matrice M isin Mn(K) est dite inversible srsquoil existe une matrice Ntelle que

M middot N = N middotM = InLa matrice N est alors appeleacutee inverse de M et se note Mminus1

Matrices inversiblesSoit A isin Mn(K) et f un endomorphisme repreacutesenteacute par A dans unebase Les proprieacuteteacutes ci-dessous sont deux agrave deux eacutequivalentes (1) f est bijective(2) A est inversible agrave gauche(3) A est inversible agrave droite(4) A est inversible(5) A est reacuteguliegravere agrave gauche(6) A est reacuteguliegravere agrave droite(7) A est reacuteguliegravere

Matrice des cofacteurs ndash Comatrice

comM = (detMi j)iisin[1n]jisin[1n]

comM comatrice de M (ou ma-trice des cofacteurs)Mi j matrice M laquo priveacutee raquo de sa ie

ligne et de sa je colonne

Matrice inverse

Mminus1 =1

detM

t

com(M)

M isin Mn(K) matrice inversiblecom(M) matrice des cofacteursde M

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1 Algegravebre 21

Systegraveme lineacuteaire ndash Deacutefinition

a11x1 + middot middot middot+ a1pxp = b1

an1x1 + middot middot middot+ anpxp = bn

On peut interpreacuteter ce systegravemecomme le produit de la matriceA = (ai j)iisin[1n] jisin[1p] par le vecteurX = (xi)iisin[1p] (vecteur inconnu)Ce produit est eacutegal au vecteur se-cond membre B = (bi)iisin[1n]

Systegraveme de Cramer

forall j isin [1 p] x j =det A j(b)

det A

Dans le cas drsquoun systegraveme de Cra-mer n = p = rg ALe systegraveme admet alors une so-lution unique donneacutee par les for-mules de Cramer ci-contreA j(b) est obtenue agrave partir de A enremplaccedilant le vecteur colonne c jpar b

Cas ougrave rg A = n lt p

Apregraves permutation des inconnues on peut supposer que la matriceAprime = (ai j)iisin[1n]

jisin[1n]

extraite de A est inversible On eacutetablit alors le systegraveme

suivant

a11x1 + middot middot middot+ a1nxn = b1 minus (a1n+1xn+1 + middot middot middot+ a1pxp)

an1x1 + middot middot middot+ annxn = bn minus (ann+1xn+1 + middot middot middot+ anpxp)

Ce systegraveme est de Cramer et admet donc une solution unique Cetensemble est un sous-espace affine de dimension pminus n

Cas ougrave rg A lt n

Soit on peut se ramener au cas preacuteceacutedent par combinaison lineacuteaire deseacutequations soit le systegraveme nrsquoadmet pas de solutionc copyDuno

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22 [1] Matheacutematiques

19 Espaces vectoriels euclidiens

Produit scalaire ndash Deacutefinition

Un produit scalaire euclidien surE est une application ϕ de E2 dansR veacuterifiant (1) ϕ est bilineacuteaire(2) ϕ est symeacutetrique(3) forallx isin E ϕ(x x) gt 0(4) forallx isin E ϕ(x x) = 0rArr x = 0

ϕ veacuterifiant (3) est dite positiveϕ veacuterifiant (4) est dite deacutefinieϕ veacuterifiant (3) et (4) est ditedeacutefinie-positiveOn note ce produit scalaire (middot|middot)

Forme quadratique

forallx isin E q(x) = ϕ(x x)ϕ une forme bilineacuteaire symeacutetriquesur Etimes Eq E rarr R forme quadratique as-socieacutee agrave ϕ

Matrice associeacutee

MatB(ϕ) = (ϕ(ei e j))iisin[1n]jisin[1n]

MatB(ϕ) matrice de ϕ dans BB base de Eϕ E times E rarr R forme bilineacuteairesymeacutetrique

Expression matricielle

ϕ(x y) =t XAY

ϕ E times E rarr R forme bilineacuteairesymeacutetrique(x y) isin E2

X = MatB(x)Y = MatB(y)

Norme euclidienne ndash Deacutefinition

x2 =radic

(x|x) middot 2 norme euclidienne sur Ex isin E

Ineacutegaliteacute de Cauchy-Schwarz

|(x|y)| 6 x middot y forall(x y) isin E2

Il y a eacutegaliteacute si et seulement si les vecteurs x et y sont lieacutes

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 23

1 Algegravebre 23

Ineacutegaliteacute triangulaire ou de Minkowski

x + y 6 x+ y forall(x y) isin E2

Il y a eacutegaliteacute si et seulement si les vecteurs x et y sont positivement lieacutesou si x = 0

Relations entre produit scalaire et norme

forall(x y) isin E2 1 x + y2 = x2 + 2(x|y) + y22 xminus y2 = x2 minus 2(x|y) + y2

3 (x|y) =12

(x + y2 minus x2 minus y2

)

4 (x|y) =14

(x + y2 minus xminus y2

)

Vecteurs orthogonaux

Soit (x y) isin E2 on dit que ces deux vecteurs sont orthogonaux si etseulement si (x|y) = 0

Parties orthogonales ndash Orthogonal drsquoune partie

forall(x y) isin Atimes B (x|y) = 0

Aperp = x isin Eforally isin A (x|y) = 0

x y deux vecteurs respective-ment de A et de BA B deux parties orthogonalesde EAperp orthogonal de la partie A

Ineacutegaliteacute de Bessel

n

sumj=1|(e j|x)|2 6 x2

E espace vectoriel preacutehilbertienx vecteur de E(e j) jisin[1n] famille orthonormalede E

Projecteur orthogonal

Ker p = (Im p)perp

Im p = (Ker p)perpp projecteur orthogonal sur Im pparallegravelement agrave Ker p

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24 [1] Matheacutematiques

Attention un projecteur orthogonal nrsquoest pas une application ortho-gonale

Diagonalisation drsquoune matrice symeacutetrique

forallS isin Sn(R) exist(ΩD) isin On(R)timesDn(R) S = ΩDΩminus1

Sn(R) ensemble des matrices symeacutetriques de R

On(R) groupe orthogonal

Dn(R) ensemble des matrices diagonales de R

Valeurs propres de matrices symeacutetriques

Les valeurs propres drsquoune matrice S isin Sn(R) sont reacuteelles

Endomorphisme adjoint ndash Deacutefinition

forall f isin L(E) exist f lowast isin L(E) tel que

forall(x y) isin E2 ( f (x)|y) = (x| f lowast(y))

E espace vectoriel euclidienL(E) ensemble des endomor-phismes de Ef endomorphisme de Ef lowast lrsquoadjoint de fx y deux vecteurs de E

Automorphismes orthogonaux symeacutetriques antisymeacutetriques

(1) f lowast = fminus1(2) f lowast = f(3) f lowast = minus f

Un automorphisme f veacuterifiant ndash (1) est dit orthogonalndash (2) est dit symeacutetrique ou auto-adjointndash (3) est dit antisymeacutetrique

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 25

1 Algegravebre 25

Proprieacuteteacutes des adjoints

Ker f lowast = (Im f )perp Im f lowast = (Ker f )perp

(λ f + g)lowast = λ f lowast + glowast

(g f )lowast = f lowast glowast

(IdE)lowast = IdE

( f lowast)lowast = f

( fminus1)lowast = ( f lowast)minus1

Mat f lowast =t Mat f

( f g) isin L(E)2 endomorphismesde E admettant des adjointsf lowast endomorphisme adjoint de E

Aperp orthogonal de A A eacutetant unepartie de E

Deacutefinition et proprieacuteteacutes des automorphismes orthogonaux

(1) forall(x y) isin E2 ( f (x)| f (y)) = (x|y)(2) forallx isin E f (x) = x(3) f isin O(E)

Les proprieacuteteacutes (1) (2) et (3) sonteacutequivalentes(1) traduit la conservation du pro-duit scalaire(2) traduit la conservation de lanorme

O(E) ensemble des automor-phismes orthogonaux de Ef isin L(E)

Caracteacuterisation des automorphismes orthogonaux

tM middotM = In ou M middott M = In

f lowast f = f f lowast = IdE

M matrice orthogonale deMn(K)f automorphisme orthogonal deEIdE application identiteacute de EIn matrice identiteacute deMn(K)c copy

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26 [1] Matheacutematiques

110 Reacuteduction des endomorphismes

Valeur propre ndash Deacutefinition

existx isin E x 6= 0 tel que

f (x) = λx

f isin L(E)λ isin K valeur propre de fAutre formulation f minus λ IdE estnon injectif

Spectre drsquoun endomorphismeSoit f isin L(E) on appelle spectre de f noteacute Sp( f ) lrsquoensemble

Sp( f ) = λ isin K existx isin E 0 f (x) = λxVecteur propre ndash Deacutefinition

x 6= 0 et existλ isin K

f (x) = λx

x isin E vecteur propre de ff isin L(E)(alors λ isinSp( f ))

Sous-espace propre ndash Deacutefinition

SEP( f λ) = Ker( f minus λ IdE)

SEP( f λ) sous-espace propre as-socieacute agrave λf isin L(E)λ isin Sp( f )

Polynocircme caracteacuteristique ndash Deacutefinition

χA(λ) = det(Aminus λIn)

χ f (λ) = det( f minus λIdE)

χA(λ) polynocircme caracteacuteristiquede Aχ f (λ) polynocircme caracteacuteristiquede ff isin L(E)A matrice drsquoordre n associeacutee agrave f

Polynocircme caracteacuteristique ndash Proprieacuteteacutes

ndash Le coefficient dominant est(minus1)nndash Le coefficient de λnminus1 est(minus1)nminus1 tr Andash Le terme constant est det A

A isin Mn(K)χA(λ) polynocircme caracteacuteristiquede Aλ indeacutetermineacutee du polynocircme

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2 Analyse 27

Diagonalisabiliteacute

1 f est diagonalisable2 Il existe une base de E formeacutee devecteurs propres de f 3 La somme des sous-espacespropres pour f est eacutegale agrave E4 La somme des dimensions dessous-espaces propres pour f esteacutegale agrave dim E

Les proprieacuteteacutes ci-contre sont deuxagrave deux eacutequivalentesE espace vectoriel de dimensionfinief isin L(E)

TrigonalisationSoit f isin L(E) les deux proprieacuteteacutes suivantes sont eacutequivalentes 1 f est trigonalisable2 χ f est scindeacute sur K

Drapeau

foralli isin 1 n dim(Ei) = iforalli isin 1 nminus 1 Ei sub Ei+1

E un K-espace-vectoriel(E1 En) famille de sous-espaces vectoriels de En = dim E

Theacuteoregraveme de Cayley - Hamilton

Le polynocircme caracteacuteristique de f annule f crsquoest-agrave-dire forall f isinL(E) χ f = 0

2 Analyse

21 Espaces vectoriels normeacutes

Norme ndash Deacutefinition

On appelle norme sur un K-espace vectoriel E toute application N Erarr R veacuterifiant les trois points suivants 1 forallλ isin K forallx isin EN(λx) = |λ|N(x)2 forallx isin E N(x) = 0 =rArr x = 03 forall(x y) isin E2 N(x + y) 6 N(x) + N(y)

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28 [1] Matheacutematiques

Normes eacutequivalentesDeux normes N1 et N2 sont dites eacutequivalentes si et seulement si il existe(αβ) isin Rlowast+

2 tels que

αN1 6 N2 6 βN1

Distance ndash DeacutefinitionSoit (E middot ) un espace vectoriel normeacute on appelle distance associeacutee agravela norme middot lrsquoapplication d E2 rarr R deacutefinie par d(x y) = xminus yLa distance possegravede les proprieacuteteacutes suivantes 1 forall(x y) isin E2 d(x y) = d(y x)2 forall(x y) isin E2 d(x y) = 0 =rArr x = y3 forall(x y z) isin E3 d(x z) 6 d(x y) + d(y z)4 forall(x y) isin E2 forallλ isin K d(λx λy) = |λ|d(x y)5 forall(x y z) isin E3 d(x + z y + z) = d(x y)

Distance drsquoun point agrave une partieOn appelle distance de x isin E agrave A une partie non vide de E R espacevectoriel le reacuteel deacutefini par

d(x A) = infaisinA

d(x a)

Boule ouverte ndash Deacutefinition

B(a r) = x isin Eaminus x lt r

Boule fermeacutee ndash Deacutefinition

B(a r) = x isin Eaminus x 6 r

Partie ouverte de E

On appelle ouvert de E toute partie X de E veacuterifiant la proprieacuteteacute

forallx isin X existr isin Rlowast+ B(x r) sub X

Partie fermeacutee de E

On appelle fermeacute de E toute partie de E dont le compleacutementaire dansE est un ouvert de E

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2 Analyse 29

Partie borneacutee ndash DeacutefinitionSoit (E middot ) un K-espace vectoriel une partie A de E est dite borneacuteesi et seulement si

existM isin R+ forall(x y) isin A2 d(x y) 6 M

VoisinageSoit a isin E un K-espace vectoriel on dit que V est un voisinage de a siet seulement srsquoil existe r gt 0 tel que B(a r) sub V

Inteacuterieur ndash Frontiegravere ndash AdheacuterenceOn appelle inteacuterieur drsquoune partie A sub E avec E unK-espace vectoriel A=

Ω ouvert de EΩsubA

Ω

On appelle adheacuterence de A (noteacutee A) la partie A =⋂

F fermeacute de EFsupA

F

On appelle frontiegravere de A la partie de A noteacutee partA la partie deacutefinie par

A AValeur drsquoadheacuterence

On dit que a est valeur drsquoadheacuterence de la suite de E (un)nisinN si et seule-ment srsquoil existe une suite extraite de (un)nisinN telle que uσ(n) minusminusminusminusrarrararr+infin

a

Caracteacuterisation de la continuiteacute pour une application lineacuteaireSoit f isin L(E F) ougrave E et F sont deux K-espaces vectoriels alors lesdeux propositions suivantes sont eacutequivalentes (1) f est continue(2) existM isin R+ forallx isin E f (x)F 6 MxE

Partie compacteOn dit que X sub E E eacutetant un K-espace vectoriel est une partie com-pacte de E si et seulement toute suite drsquoeacuteleacutements de X admet au moinsune valeur drsquoadheacuterence dans X

Partie compacte en dimension finieLes parties compactes drsquoun K-espace vectoriel de dimension finie sontles parties fermeacutees borneacutees

Normes en dimension finieToutes les normes sur un K-espace vectoriel de dimension finie sonteacutequivalentes

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

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30 [1] Matheacutematiques

Applications lineacuteaires en dimension finieSoient E et F deux K-espaces vectoriels normeacutes si E est de dimensionfinie alors toute application lineacuteaire Erarr F est continue

Suites de CauchyOn appelle suite de Cauchy dans un K-espace vectoriel normeacute toutesuite veacuterifiant

forallε gt 0 existN isin N forall(p q) isin NtimesNlowast p gt N =rArr up minus up+q 6 ε

Toute suite convergente dans un K-espace vectoriel normeacute est de Cau-chy

Partie complegravete ndash DeacutefinitionUne partie A drsquoun K-espace vectoriel normeacute est dite complegravete si etseulement si toute suite de Cauchy drsquoeacuteleacutements de A converge dans A

Partie complegravete ndash ProprieacuteteacutesToute partie X drsquoun K-espace vectoriel normeacute complet veacuterifie

X fermeacuteelArrrArr X complegraveteToute partie compacte drsquoun K-espace vectoriel normeacute est complegravete

Connexiteacute par arcsUne partie A drsquoun K-espace vectoriel normeacute de dimension finie est diteconnexe par arcs si et seulement si forall(x y) isin A2 existγ isin C0([a b] E) telque

γ(a) = x γ(b) = yforallt isin [a b]γ(t) isin A

Espace preacutehilbertien ndash Espace euclidienOn appelle espace preacutehilbertien tout couple (Eϕ) ougrave E est un K-espace vectoriel et ϕ un produit scalaire sur EOn appelle espace euclidien tout espace preacutehilbertien de dimensionfinie

Theacuteoregraveme de PythagorePour toute famille orthogonale finie (xi)iisinI drsquoun espace preacutehilbertien(E (middot|middot)) on a ∥∥∥∥∥sum

iisinIxi

∥∥∥∥∥

2

= sumiisinIxi2

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2 Analyse 31

22 Nombres reacuteels

Preacutesentation

(R+ middot) est un corps commutatif

6 est une relation drsquoordre total dans R

forall(a b c) isin R3

a 6 b =rArr a + c 6 b + ca 6 b0 6 c

=rArr ac 6 bc

Toute partie non vide majoreacutee de R admet une borne supeacuterieure dansR

Distance usuelle dans R

d RtimesRrarr R(x y) 7rarr |xminus y|

Le nombre reacuteel d(x y) est la dis-tance usuelle dans R

R corps archimeacutedien

forallε isin Rlowast+ forallA isin Rlowast+ existn isin Nlowast nε gt A

Partie entiegravere ndash Deacutefinition

forallx isin R

E(x) 6 x 6 E(x) + 1

x isin RE(x) partie entiegravere de xE(x) est lrsquounique entier relatif veacute-rifiant la proprieacuteteacute ci-contre

Densiteacute

forall(x y) isin R2

(x lt y =rArr (existd isin D x lt d lt y))

D sub RCette partie D est dite dense dansR si et seulement si elle veacuterifie laproprieacuteteacute ci-contreTheacuteoregraveme Q est dense dans Rc copy

Duno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

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32 [1] Matheacutematiques

23 Nombres complexes

Forme carteacutesienne Forme polaire drsquoun nombre complexe

z = a + ib

z = ρeiθ

z nombre complexe (z isin C)a partie reacuteelle de z (a isin R) on lanote aussi Re(z)b partie imaginaire de z (b isin R)on la note aussi Im(z)ρ module de z (ρ isin R+)θ argument de z (θ isin R)

Nombre complexe conjugueacute ndash Deacutefinition

z = a + ib

z = aminus ib

z isin C nombre complexez isin C nombre complexe conju-gueacute de za partie reacuteelle de z et de zb partie imaginaire de z

Nombre complexe conjugueacute ndash Proprieacuteteacutes

z + z = 2Re(z)

zminus z = 2i Im(z)

z nombre complexez nombre complexe conjugueacute dez

z = z si z est reacuteel

z = minusz si z est imaginaire pur

Module drsquoun nombre complexe

|z|2 = z middot z |z| module de z

Module drsquoun produit ndash Module drsquoun quotient

|zzprime| = |z| middot |zprime|

zprime 6= 0∣∣∣z

zprime∣∣∣ =|z||zprime|

z isin C nombre complexezprime isin C nombre complexe

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 33

2 Analyse 33

Ineacutegaliteacute triangulaire

|z + zprime| 6 |z|+ |zprime| z isin C nombre complexezprime isin C nombre complexe

Condition de cocycliciteacute ou drsquoalignement de quatre points

z4 minus z1z3 minus z1

z4 minus z2z3 minus z2

isin R

Mi point du plan drsquoaffixe zizi isin CLes points M1 M2 M3 et M4 sontcocyliques ou aligneacutes si et seule-ment si leurs affixes veacuterifient laproprieacuteteacute ci-contre

Formule de Moivre

(cos θ+ i sin θ)n = cos nθ+ i sin nθ θ isin Rn isin Z

Formule drsquoEuler

cos x =eix + eminusix

2

sin x =eix minus eminusix

2i

x isin R

Racines niegravemes drsquoun complexe

zk = nradicr(ei

ϕ+2kπn

)

Les zk sont les solutions de lrsquoeacutequa-tion zn = reiϕ(k n) isin N2 avec 0 6 k 6 nminus 1z isin Cr isin R+En particulier les racines niegravemes

de lrsquouniteacute zk = ei2kπn

Groupe des racines niegravemes de lrsquouniteacuteU = z isin C |z| = 1 est un groupe pour la multiplication

c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 34

34 [1] Matheacutematiques

24 Suites

Convergence ndash DeacutefinitionOn dit qursquoune suite numeacuterique (un)nisinN converge vers une limite l isin Ksi et seulement si

forallε gt 0 existN isin N foralln gt N isin N n =rArr |un minus l| 6 ε

On dit qursquoune suite numeacuterique (un)nisinN converge si et seulement si existl isin K forallε gt 0 existN isin N foralln isin N n gt N =rArr |un minus l| 6 ε

Suite borneacuteeUne suite complexe (un)nisinN est dite borneacutee si et seulement si

existM isin R+ foralln isin N |un| 6 M

Theacuteoregraveme drsquoencadrementSoient (un)nisinN (vn)nisinN (wn)nisinN trois suites reacuteelles telles que

existN isin N foralln isin N n gt N =rArr un 6 vn 6 wn

(un)n et (wn)n convergent vers une mecircme limite lAlors (vn)n converge aussi vers l

Suite arithmeacutetique

un = unminus1 + r

Sn =(u1 + un)n

2

un ne terme de la suiter raisonu1 premier terme de la suiteSn somme des n premiers termesde la suite un

Suite geacuteomeacutetrique

un = q middot unminus1

Sn =u1(q

n minus 1)qminus 1

q 6= 1

un ne terme de la suiteq raison de la suiteu1 premier terme de la suiteSn somme des n premiers termesde la suite un

Suites reacuteelles monotonesOn dit que (un)nisinN est croissante si et seulement si

foralln isin N un 6 un+1On dit que (un)nisinN est deacutecroissante si et seulement si

foralln isin N un gt un+1On dit que (un)nisinN est strictement croissante si et seulement si

foralln isin N un lt un+1On dit que (un)nisinN est strictement deacutecroissante si et seulement si

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 35

2 Analyse 35

foralln isin N un gt un+1On dit que (un)nisinN est (strictement) monotone si et seulement si(un)nisinN est (strictement) croissante ou (strictement) deacutecroissanteToute suite reacuteelle croissante (respectivement deacutecroissante) et majoreacutee(respectivement minoreacutee) est convergente

Suites adjacentes

(un)nisinN est croissante(vn)nisinN est deacutecroissante(vn minus un) minusminusminusminusrarr

nrarr+infin

0

Si deux suites reacuteelles veacuterifient lesproprieacuteteacutes ci-contre ces suites sontdites adjacentesSi deux suites sont adjacenteselles convergent vers la mecircme li-mite

Suites extraitesOn appelle suite extraite de (un)nisinN toute suite (uσ(n))nisinN ougrave σ NrarrN est une application strictement croissanteSi une suite (un)nisinN converge vers l isin K alors toute suite extraite de(un)nisinN converge aussi vers l

Valeur drsquoadheacuterenceOn dira que a est une valeur drsquoadheacuterence drsquoune suite (un)nisinN si etseulement srsquoil existe une suite extraite telle que uσ(n) minusminusminusminusrarrnrarr+infin

a

Theacuteoregraveme de Bolzano-WeiertrassDe toute suite borneacutee de R on peut extraire une suite convergente

25 Fonctions reacuteelles de la variable reacuteelle

PariteacuteSoit X sub R veacuterifiant x isin X =rArr minusx isin X

forallx isin X f (minusx) = f (x)Une fonction f est paire si et seule-ment si elle veacuterifie la relation ci-contre

forallx isin X f (minusx) = minus f (x)Une fonction f est impaire si etseulement si elle veacuterifie la relationci-contre

PeacuteriodiciteacuteSoit f X rarr K avec X sub R on dit que f est T-peacuteriodique si et seule-ment si elle veacuterifie

c copyDuno

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 36

36 [1] Matheacutematiques

forallx isin X

x + T isin Xf (x + T) = f (x)

Application en escalierOn dit qursquoune fonction f [a b] rarr R est en escalier si et seulementsrsquoil existe une famille (ai)iisin[0n] telle que (a0 an) isin [a b]n+1 avecn isin Nlowast et une famille (λ0 λnminus1) isin Rn tels que

a = a0 lt a1 lt middot middot middot lt anminus1 lt an = bforalli isin 0 nminus 1 forallx isin]ai ai+1[ f (x) = λi

Application majoreacutee ndash minoreacutee ndash borneacuteeUne fonction f X rarr R est dite ndashmajoreacutee si et seulement srsquoil existe A isin R tel que forallx isin X f (x) 6 Andashminoreacutee si et seulement srsquoil existe B isin R tel que forallx isin X f (x) gt Bndash borneacutee si et seulement srsquoil existe (A B) isin R2 tel que forallx isin XB 6 f (x) 6 A

LimitesSoit f I rarr R une applicationOn dit que f admet une limite l en a isin I si et seulement si

forallε gt 0 existη gt 0 forallx isin I |xminus a| 6 η =rArr | f (x)minus l| 6 ε

On dit que f admet une limite l en +infin si et seulement si forallε gt 0 existA isin R forallx isin I x gt A =rArr | f (x)minus l| 6 ε

On dit que f admet comme limite +infin en a isin I si et seulement si forallA gt 0 existη gt 0 forallx isin I |xminus a| 6 η =rArr f (x) gt A

On dit que f admet comme limite +infin en +infin si et seulement si forallA gt 0 existB gt 0 forallx isin I x gt B =rArr f (x) gt A

On dit que f admet comme limite minusinfin en minusinfin si et seulement si forallA lt 0 existB lt 0 forallx isin I x 6 B =rArr f (x) 6 A

Continuiteacutesoit f I rarr K a isin I on dit que cette fonction est continue en a si etseulement si

forallε gt 0 existη gt 0 forallx isin I |xminus a| 6 η =rArr | f (x)minus f (a)| 6 ε

DiscontinuiteacuteSoit f I rarr K on dit que ndash f est discontinue en a si et seulement si elle nrsquoest pas continue en andash f admet une discontinuiteacute de premiegravere espegravece en a si et seulementsi f nrsquoest pas continue en a mais admet une limite finie agrave droite et unelimite finie agrave gauche en a

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 37

2 Analyse 37

Si f nrsquoest pas continue et ne preacutesente pas de continuiteacute de premiegravereespegravece en a on dit que f admet une discontinuiteacute de seconde espegraveceen a

Composition et continuiteacute

Soient f I rarr R et g J rarr K ougrave I et J sont deux intervalles de R telsque f (I) sub J si f et g sont respectivement continues en a et f (a) alorsg f est continue en a

Continuiteacute sur un segment

Soient (a b) isin R2 tel que a 6 b et une fonction f [a b] rarr R Si f estcontinue alors f est borneacutee et atteint ses bornes

Continuiteacute uniforme

Soit f I rarr K on dit que cette fonction est uniformeacutement continuesur I si et seulement si

forallε gt 0 existη gt 0 forall(x1 x2) isin I2 |x1 minus x2| 6 η =rArr | f (x1)minus f (x2)| 6 ε

Lrsquouniforme continuiteacute implique la continuiteacute

Theacuteoregraveme de Heine

Soient (a b) isin R2 tels que a 6 b et une fonction f [a b]rarr R Si f estcontinue sur [a b] alors f est uniformeacutement continue sur [a b]

Applications lipschitziennes

Soient f I rarr R et k isin Rlowast+ on dit que la fonction f est k-lipschitzienne si et seulement si

forall(x1 x2) isin I2 | f (x1)minus f (x2)| 6 k|x1 minus x2|Si k isin [0 1[ lrsquoapplication f est dite contractanteUne application lipschitzienne est uniformeacutement continue

c copyDuno

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 38

38 [1] Matheacutematiques

Fonctions trigonomeacutetriques circulaires reacuteciproques

Arcsin [minus1 1]rarr[minusπ

2

]

forallx isin]minus 1 1[

Arcsinprime(x) =1radic

1minus x2

Arccos [minus1 1]rarr [0π]forallx isin]minus 1 1[

Arccosprime(x) =minus1radic1minus x2

Arctan Rrarr]minusπ

2

[

forallx isin R

Arctanprime(x) =1

1 + x2

-1 1

p

2p

2p

Arcsin

Arccos

Arctan

Fonctions hyperboliques

chprime x = sh x shprime x = ch x

thprime x =1

ch2 x= 1minus th2 x

26 Deacuterivation

Deacuteriveacutee en un pointSoient un point a isin I ougrave I est un intervalle et une fonction f I rarr K

On dit que f est deacuterivable en a si et seulement si limhrarr0

f (a + h)minus f (a)

hexiste et est finie Dans ce cas cette limite est appeleacutee deacuteriveacutee de f en aet est noteacutee f prime(a)

Deacuterivation et continuiteacuteSoient un point a isin I et une fonction f I rarr K si f est deacuterivable en aalors f est continue en a

Proprieacuteteacutes des deacuteriveacuteesSoient f et g deux fonctions de I dans K deacuterivables en a alors ( f + g)prime(a) = f prime(a) + gprime(a)

(λ f )prime(a) = λ f prime(a)

( f g)prime(a) = f prime(a)g(a) + f (a)gprime(a)

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 39

2 Analyse 39

g(a) 6= 0(1g

)prime(a) = minus gprime(a)

g2(a)

g(a) 6= 0(

f

g

)prime(a) =

f prime(a)g(a)minus f (a)gprime(a)g2(a)

(g f )prime(a) = gprime( f (a)) f prime(a)

Deacuterivabiliteacute drsquoune fonction sur un intervalle

f I rarr K ougrave I est un intervalle est dite deacuterivable sur un intervalleJ sub I si et seulement si foralla isin J f est deacuterivable en a

Formule de Leibniz

f I rarr K et g I rarr E on suppose que λ et f sont deacuterivables sur I

Alors f middot g est n fois deacuterivable sur I et ( f middot g)(n) =n

sumk=0

Ckn f

(k) middot g(nminusk)

Classe drsquoune fonction

Soient f I rarr K et k isin N on dit que f est de classe Ck sur I si etseulement si f est k fois deacuterivable sur I et f (k) est continue sur ISoient f [a b] rarr K avec a 6 b et k isin N on dit que f est de classe Ckpar morceaux sur [a b] si et seulement si ndash il existe une famille (a0 ap) isin Rp+1 telle que a = a0 lt a1 lt middot middot middot lt apminus1 lt ap = b

ndash Chaque restriction de f sur ]ai ai+1[ admet un prolongement declasse Ck sur [ai ai+1] foralli isin [0 pminus 1]

Theacuteoregraveme de Rollef [a b] rarr R continue sur [a b] et deacuterivable sur ]a b[ f (a) = f (b) alors il existe c isin]a b[ tel que

f prime(c) = 0

Theacuteoregraveme des accroissements finis

f [a b] rarr R avec (a b) isin R2 et a lt b continue sur [a b] et deacuterivablesur ]a b[ Il existe c isin]a b[

f (b)minus f (a) = (bminus a) f prime(c)c copyDuno

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 40

40 [1] Matheacutematiques

Ineacutegaliteacute de Taylor-Lagrangef [a b]rarr (E ) et f de classe Cn sur [a b] (n+ 1) fois deacuterivable sur]a b[ et telle que forallt isin]a b[ f (n+1)(t) 6 M alors

∥∥∥∥∥ f (b)minusn

sumk=0

f (k)(a)

k(bminus a)k

∥∥∥∥∥ 6 M(bminus a)n+1

(n + 1)

Reste inteacutegral

f [a b]rarr (E ) de classe Cn+1 sur [a b] alors

f (b) =n

sumk=0

f (k)(a)

k(bminus a)k +

1n

int b

a(bminus t)n f (n+1)(t) dt

︸ ︷︷ ︸Reste de Laplace

Formule de Taylor-Young

f I rarr E I un intervalle de R ougrave f (n)(a) existe

f (x) =n

sumk=0

f (k)(a)

k(xminus a)k + o

xrarra((xminus a)n)

Diffeacuteomorphisme ndash DeacutefinitionSoient f I rarr J avec I J deux intervalles de R n isin Nlowast cup +infin on ditque f est un Ck-diffeacuteomorphisme de I sur J si et seulement si ndash f est de classe Ck sur Indash f est bijectivendash fminus1 est de classe Ck sur J

Convexiteacute ndash DeacutefinitionsSoit f I rarr K on dit que cette fonction est convexe si et seulement si forallθ isin [0 1] forall(x y) isin I2 f (θx + (1minus θ)y) 6 α f (x) + (1minus θ) f (y)

Ineacutegaliteacute de convexiteacute

Si f est convexe soit λ j gt 0 tel quen

sumj=1

λ j = 1 alors

f

(n

sumj=1

λ ja j

)6

n

sumj=1

λ j f (a j)

Fonction convexe ndash Fonction concaveUne fonction f est concave si et seulement si minus f est convexe

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 41

2 Analyse 41

27 Inteacutegration

Lineacuteariteacute de lrsquointeacutegrale

int b

a(λ f + g) = λ

int b

af +

int b

ag

f et g deux fonctions continuespar morceaux

Ineacutegaliteacute de la moyenne

∣∣∣∣int

[ab]f g

∣∣∣∣ 6 Sup[ab] | f |int

[ab]|g|

∣∣∣∣int

[ab]f

∣∣∣∣ 6 (bminus a) Sup[ab] | f |

f g deux fonctions continues parmorceaux sur [a b][a b] intervalle de R

Ineacutegaliteacute de Cauchy-Schwarz

(int b

af g

)2

6

(int b

af 2)(int b

ag2)

f g deux applications continuespar morceaux [a b]rarr R on a lrsquoin-eacutegaliteacute ci-contreSi exist(λmicro) isin R2(0 0) tel que λ f + microg = 0 il y a eacutegaliteacute

Sommes de Riemann

Sn =bminus a

n

nminus1sumk=0

f

(a + k

bminus a

n

)

limnrarr+infin

Sn =int b

af

f [a b] rarr E une fonction conti-nue

Inteacutegration par parties

int b

auvprime = [uv]ba minus

int b

auprimev

u v [a b] rarr E fonctions conti-nues C1 par morceaux sur [a b]c copy

Duno

dL

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nonau

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 42

42 [1] Matheacutematiques

Inteacutegrabiliteacute ndash Deacutefinition

int

Jf 6 M

f [a b] rarr R fonction positivecontinue par morceauxf est dite inteacutegrable sur [a b] si etseulement srsquoil existe un M isin R+pour tout segment J inclus dans[a b] veacuterifiant lrsquoineacutegaliteacute ci-contre

Inteacutegrabiliteacute sur un segmentSoit f une fonction positive continue par morceaux de I dans R Lesproprieacuteteacutes suivantes sont deux agrave deux eacutequivalentes (i) f est inteacutegrable sur I(ii) Il existe M isin R+ tel que pour toute suite croissante de segments

(Jn)nisinNlowast dont la reacuteunion est eacutegale agrave I foralln isin Nlowastint

Jnf 6 M

Theacuteoregraveme de domination

0 6 f 6 g (1)

0 6

int

If 6

int

Ig (2)

Soient f et g deux fonctions conti-nues par morceaux de I dans R veacute-rifiant (1) et si g inteacutegrable alors fest inteacutegrable sur I et on a lrsquoineacutega-liteacute (2)

Exemple de Riemann

Fonctions de Riemann

f (x) =1xα

Une fonction de Riemann est inteacute-grable sur [1+infin[ si et seulementsi α gt 1Une fonction de Riemann est inteacute-grable sur ]0 1] si et seulement siα lt 1

Theacuteoregraveme drsquoeacutequivalence

Soient (a b) isin Rtimes R tels que a lt b f et g deux fonctions positivescontinues par morceaux de [a b[ dans R veacuterifiant en b f sim

bg alors f

est inteacutegrable sur [a b[ si et seulement si g lrsquoest

Regravegle xα f (x)

Inteacutegrabiliteacute en +infin ndash Srsquoil existe α isin]1+infin[ veacuterifiant lim

xrarr+infin

xα f (x) = 0 alors f est inteacute-

grable sur [a+infin[ avec a gt 0

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 43

2 Analyse 43

ndash Srsquoil existe α isin] minusinfin 1] veacuterifiant limxrarr+infin

xα f (x) = +infin alors f nrsquoest

pas inteacutegrable sur [a+infin[ avec a gt 0Inteacutegrabiliteacute en 0 ndash Srsquoil existe α isin]minusinfin 1[ veacuterifiant lim

xrarr0xα f (x) = 0 alors f est inteacutegrable

sur ]0 a] avec a gt 0ndash Srsquoil existe α isin [1+infin[ veacuterifiant lim

xrarr0xα f (x) = +infin alors f nrsquoest pas

inteacutegrable sur ]0 a] avec a gt 0

Relation de Chasles

int c

af =

int b

af +

int c

bf

f une fonction continue par mor-ceaux inteacutegrable sur un intervalleI contennant les intervalles ou-verts ]a b[ ]b c[ et ]a c[

(a b c) isin R3

Croissance de lrsquointeacutegration

f 6 g =rArrint

If 6

int

Ig

f g deux fonctions continues etinteacutegrables sur I

Fonctions continues agrave valeurs complexesSoit f I rarr C une fonction continue On dira que f est inteacutegrable surI si et seulement si | f | lrsquoest

Inteacutegrale impropre

(a b) isin Rtimes (Rcup +infin)

int X

af

f fonction continue par morceauxsur [a b[On dit que cette inteacutegrale im-propre converge si et seulement sielle admet une limite finie lorsqueX tend vers b On note alors cette

inteacutegraleint b

af

Inteacutegrale deacutependant drsquoun paramegravetre ndash Deacutefinition

f (x) =int

IF(x t) dt

x paramegravetret variable drsquointeacutegrationI intervalle de R

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 44

44 [1] Matheacutematiques

Continuiteacute drsquoune inteacutegrale agrave paramegravetre

forallx isin A F(x middot) inteacutegrable sur I

f Ararr K est continue sur A

x 7rarrint

IF(x t) dt

F fonction continue sur Atimes I veacute-rifiant lrsquohypothegravese de domination Soient f g I rarr R continues

Si0 6 f 6 gg est inteacutegrable sur I alors

f est inteacutegrable sur I etint

If 6

int

Ig

Sous ces hypothegraveses F veacuterifie lesrelations ci-contre

Deacuterivation drsquoune inteacutegrale agrave paramegravetre

forallx isin A

F(x middot) et partFpartx

(x middot)inteacutegrables sur If

Ararr K est de classe C1 sur Ax 7rarr

int

IF(x t) dt

forallx isin A f prime(x) =intI

partFpartx (x t) dt

F fonction continue sur Atimes I veacute-rifiant une hypothegravese de domina-tion sur Atimes I Soient F g I rarr R continues

Si0 6 F 6 gg est inteacutegrable sur I alors

F est inteacutegrable sur I etint

IF 6

int

Ig

partFpartx

existe et est continue sur Atimes I

partFpartx

veacuterifie une hypothegravese de domi-

nation sur Atimes ISous ces hypothegraveses on a les rela-tions ci-contre

28 Eacutequations diffeacuterentielles

Eacutequations diffeacuterentielles lineacuteaires du premier ordre

αyprime + βy = γ (E)

αβγ I rarr K des applicationscontinuesy est une solution de cette eacutequa-tion sur J sub I si et seulement si yest deacuterivable sur J et si forallx isin J yveacuterifie (E)

Eacutequation reacutesolueUne eacutequation diffeacuterentielle lineacuteaire du premier ordre est dite normali-seacutee ou reacutesolue en yprime si et seulement si α = 1

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 45

2 Analyse 45

Solution drsquoune eacutequation diffeacuterentielle lineacuteaire du premier ordre

S = λeminusA + BeminusA λ isin K

La solution ci-contre est la solutionde lrsquoeacutequation reacutesolue avec α = 1A primitive de β

B primitive de γeA

La solution de (E) est la somme dela solution geacuteneacuterale de lrsquoeacutequationhomogegravene associeacutee agrave (E) et drsquounesolution particuliegravere de (E)

Meacutethode de reacutesolution de E

1 Reacutesolution de lrsquoeacutequation homogegravene associeacutee solution de la formeλy0(x)2 Reacuteinjecter la solution trouveacutee dans lrsquoeacutequation complegravete avec la meacute-thode de variation de la constante qui permet de trouver la fonctionqui veacuterifie lrsquoeacutequation complegravete

Nature de la solutionLrsquoensemble des solutions drsquoune eacutequation diffeacuterentielle lineacuteaire du pre-mier ordre est une droite affine dont la direction est donneacutee par lrsquoen-semble des solutions de lrsquoeacutequation homogegravene

Theacuteoregraveme de Cauchy-LipschitzSoient U un ouvert de Rtimes R f U rarr E une application localementlipschitzienne par rapport agrave sa seconde variable et continue un couple(t0 y0) isin USous ces conditions il existe une unique solution maximale au pro-blegraveme de Cauchy crsquoest-agrave-dire veacuterifiant

yprime = f (t y)y(t0) = y0

(problegraveme de Cauchy)

Et posseacutedant en plus les proprieacuteteacutes suivantes (solution maximale) ndash lrsquointervalle de deacutefinition est un ouvertndash toute solution du problegraveme de Cauchy est une restriction de cettesolution

Eacutequation diffeacuterentielle du second ordre homogegravene

αyprimeprime + βyprime + γy = 0αβγ fonctions continues I rarr Ky fonction de J sub I dans K solu-tion de cette eacutequation

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ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 46

46 [1] Matheacutematiques

Eacutequation diffeacuterentielle du second ordre agrave coefficients constants

yprimeprime + βyprime + γy = 0

(Ec) r2 + βr + γ

(βγ) isin R2 coefficients delrsquoeacutequation diffeacuterentielle

Soit (Ec) lrsquoeacutequation caracteacuteristiqueassocieacutee agrave lrsquoeacutequation diffeacuterentielleSi cette eacutequation caracteacuteristiqueadmet ndash deux racines distinctes r1 et r2les solutions de lrsquoeacutequation sont dela forme λ1er1x + λ2er2xndash une racine double r les solutionssont de la forme (λx + micro)erxndash deux racines complexes conju-gueacutees r = aplusmn ib les solutions sontde la forme(λ cos bx + micro sin bx)eax

Eacutequation du second ordre avec second membre eγxR(x)

yprimeprime + βyprime + γy = emxP(x)

(βγm) isin K3 coefficientsconstants de lrsquoeacutequation diffeacuteren-tielleP isin K[X]Lrsquoeacutequation diffeacuterentielle admetune solution de la forme emxS(x)avec S isin K[X] ndash deg S = deg P si m nrsquoest pas ra-cine de (Ec)ndash deg S = 1+ deg P si m est racinesimple de (Ec)ndash deg S = 2+ deg P si m est racinedouble de (Ec)

Reacutesolution gracircce aux seacuteries entiegraveresLorsque les coefficients et le second membre de lrsquoeacutequation diffeacuteren-tielle sont constitueacutes par des polynocircmes on peut chercher les solutionssous la forme de seacuteries entiegraveres on obtient ainsi une relation de reacutecur-rence sur les coefficients Une fois ces coefficients calculeacutes le rayon deconvergence deacutetermineacutes et si possible la somme calculeacutee on a unesolution de lrsquoeacutequation diffeacuterentielle

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 47

2 Analyse 47

Systegraveme drsquoeacutequations diffeacuterentielles du premier ordreSoit I un intervalle de R B = (bi)iisin[1n] un vecteur de E etA = (ai j)iisin[1n]

jisin[1n]

I rarr E une application continue On appelle systegraveme

drsquoeacutequations diffeacuterentielles du premier ordre le systegraveme

yprime1(t)

yprimen(t)

=

a11(t) middot middot middot a1n(t)

an1(t) middot middot middot ann(t)

y1(t)

yn(t)

+

b1(t)

bn(t)

Reacutesolution dans le cas ougrave A est diagonalisableDans le cas ougrave A isin Mn(K) si A est diagonalisable le systegraveme homo-gegravene admet une solution du type

Y =n

sumi=1

cieλitVi

λi valeur propre de Aci constante lieacutee aux conditions initialesVi colonne de la matrice de passage de A agrave la matrice diagonale asso-cieacutee

29 Seacuteries

Deacutefinition

SN =N

sumn=0

un

On appelle seacuterie le couple((un) (Sn))SN somme partielle drsquoordre Nun terme geacuteneacuteral de la seacuterie

Condition neacutecessaire de convergenceUne condition neacutecessaire mais non suffisante de convergence drsquouneseacuterie est que lim

nrarr+infin

un = 0 Si le terme geacuteneacuteral de la seacuterie ne tend pas

vers zeacutero la seacuterie est dite grossiegraverement divergente

Changement drsquoindice de deacutepart

Soit sumngt0

un une seacuterie de E et n0 isin N les seacuteries sumngt0

un et sumngtn0

un sont de

mecircme nature

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 48

48 [1] Matheacutematiques

Seacuterie geacuteomeacutetrique

S =+infin

sumn=0

un =1

1minus u0(1)

u0 terme geacuteneacuteral de la suite derang 0un terme geacuteneacuteral de la suiteun = (u0)

n

Une condition neacutecessaire et suf-fisante de convergence drsquoune telleseacuterie est |u0| lt 1 Dans ce cas laseacuterie veacuterifie (1)

Seacuterie agrave termes positifsUne seacuterie agrave termes positifs converge si et seulement sila suite dessommes partielles est majoreacutee

Seacuterie de Riemann

sumngt1

1nα

(1)

Une seacuterie veacuterifiant (1) est dite deRiemann Une telle seacuterie convergesi et seulement si

α gt 1

Valeur remarquable +infin

sumn=1

1n2

=π2

6

Seacuterie de Bertrand

+infin

sumn=2

1nα(ln n)β

On appelle seacuterie de Bertrand la seacute-rie deacutefinie ci-contreCette seacuterie converge si et seule-ment si α gt 1α = 1 et β gt 1

Comparaison de deux seacuteries agrave termes positifs

foralln isin N

0 6 un 6 vn (1)

un terme geacuteneacuteral de la seacuterie Svn terme geacuteneacuteral de la seacuterie SprimeSi (1) est veacuterifieacutee et si Sprime convergealors S convergeRemarque Si S diverge et (1) estveacuterifieacutee la seacuterie Sprime diverge

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 49

2 Analyse 49

Regravegle de drsquoAlembert

Soit une seacuterie de terme geacuteneacuteral un telle que∣∣∣∣un+1

un

∣∣∣∣ minusminusminusminusrarrnrarr+infin

β

ndash Si β lt 1 la seacuterie de terme geacuteneacuteral un converge ndash Si β gt 1 la seacuterie de terme geacuteneacuteral un diverge grossiegraverement ndash Si β = 1 on ne peut rien dire de la nature de la seacuterie

Regravegle de CauchySoit une seacuterie de terme geacuteneacuteral un reacuteel positif telle que n

radicun minusminusminusminusrarr

nrarr+infin

β

ndash Si β lt 1 la seacuterie de terme geacuteneacuteral un converge ndash Si β gt 1 la seacuterie de terme geacuteneacuteral un diverge grossiegraverement ndash Si β = 1 on ne peut rien dire de la nature de la seacuterie

Seacuteries de mecircme natureSoit sum un et sum vn deux seacuteries reacuteelles agrave termes positifs telles que au voi-sinage de +infin vn gt 0 et un sim vn Alors on a eacutegalement un gt 0 au voi-sinage de +infin et les deux seacuteries sont de mecircme nature (elles convergentou divergent en mecircme temps)

Seacuterie alterneacutee

∣∣∣∣∣+infin

sumn=p+1

un

∣∣∣∣∣ 6 |up+1|

Une seacuterie de terme geacuteneacuteral unest dite alterneacutee si et seulementsi la suite (minus1)nun est de signeconstantUne telle seacuterie converge si 1 lim

nrarr+infin

un = 0

2 la suite (|un|)nisinN est deacutecrois-santeSous ces hypothegraveses la seacuterie veacuteri-fie la relation ci-contre

Critegravere de Cauchy

forallε gt 0 existN isin N forall(p q) isin N2

N 6 p lt q =rArr∥∥∥∥∥

q

sumn=p+1

un

∥∥∥∥∥ 6 ε

Le critegravere ci-contre est une condi-tion neacutecessaire et suffisante deconvergence pour une seacuterie dansun espace de Banach (K-espacevectoriel normeacute complet)

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ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 50

50 [1] Matheacutematiques

Formule de Stirling

n sim(ne

)nradic2πn

n isin NLa formule de Stirling fournit uneacutequivalent simple de n en +infin

Convergence absolue ndash Semi convergenceUne seacuterie est dite absolument convergente si et seulement si la seacuteriede terme geacuteneacuteral |un| convergeUne seacuterie alterneacutee est dite semi-convergente si et seulement la seacuteriede terme geacuteneacuteral un converge alors que celle de terme geacuteneacuteral |un| di-verge

Seacuteries doubles ndash Interversion des sommationsSoit une suite double drsquoeacuteleacutements de K (upq)(pq)isinN2 que lrsquoon supposesommable (crsquoest-agrave-dire existM isin R+forallJ sub N sum

pisinJqisinJ

upq 6 M) alors

1 forallq isin N sumpgt0

upq est convergente et la seacuterie sumqgt0

(+infin

sump=0

upq

)est conver-

gente

2 forallp isin N sumqgt0

upq est convergente et la seacuterie sumpgt0

(+infin

sumq=0

upq

)est

convergente

3 sum(pq)isinN2

upq =+infin

sump=0

(+infin

sumq=0

upq

)=

+infin

sumq=0

(+infin

sump=0

upq

)

Produit de Cauchy

wn =n

sumk=0

uk middot vnminusk (1)

+infin

sumn=0

wn =

(+infin

sumn=0

un

)(+infin

sumn=0

vn

)(2)

On appelle produit de Cauchy desdeux seacuteries de terme geacuteneacuteral un etvn la seacuterie dont le terme geacuteneacuteralveacuterifie (1)Si les deux seacuteries de terme geacuteneacuteralun et vn sont absolument conver-gentes alors la seacuterie wn est elleaussi absolument convergente etveacuterifie (2)

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 51

2 Analyse 51

210 Seacuteries entiegraveres

Seacuterie entiegravere

S(z) =+infin

sumn=0

anzn

S(z) somme de la seacuterie entiegraverean coefficient de la seacuterie entiegraverez variable de la seacuterie entiegravere

Rayon de convergence ndash Deacutefinition

I = r isin R++infin

sumn=0|an|rn converge

La borne supeacuterieure de lrsquointervalleI dans R est appeleacutee rayon deconvergence de la seacuterie sum anz

n onle note R = Sup I

Seacuterie entiegravere somme

Soient deux seacuteries entiegraveres sumngt0

anzn et sum

ngt0bnz

n on appelle seacuterie entiegravere

somme la seacuterie sumngt0

(an + bn)zn

Soit Ra et Rb les deux rayons de convergence respectifs de ces deuxseacuteries on a Ra+b gt min(Ra Rb) (avec eacutegaliteacute si Ra 6= Rb)

Lemme drsquoAbel

Soit r0 gt 0 si la suite (|an|rn0)nisinN est majoreacutee alors forallr isin [0 r0[ la seacuteriesum |an|rn est convergente

Deacuterivation drsquoune seacuterie entiegravere

Sprime(x) =+infin

sumn=0

(n + 1)an+1xn

S seacuterie de terme geacuteneacuteral anxn

Sprime deacuteriveacutee de la seacuterie SLa seacuterie deacuteriveacutee a le mecircme rayonde convergence que la seacuterie agrave deacuteri-ver

Inteacutegration drsquoune seacuterie entiegravere

int x

0

(+infin

sumn=0

anzn

)dz =

+infin

sumn=0

ann + 1

xn+1La seacuterie des inteacutegrales a le mecircmerayon de convergence que la seacuterieinteacutegreacuteec copy

Duno

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 52

52 [1] Matheacutematiques

Deacuteveloppement en seacuterie entiegravere drsquoune fonctionUne fonction f Rrarr R est dite deacuteveloppable en seacuterie entiegravere autourdrsquoun point x0 isin R si et srsquoil existe une seacuterie entiegravere sum

ngt0anx

n de rayon de

convergence R gt 0 telle que

forallx isin]x0 minus R x0 + R[ f (x) =+infin

sumn=0

an(xminus x0)n

Le deacuteveloppement en seacuterie entiegravere est unique

Deacuteveloppement en seacuterie entiegravere drsquoune fraction rationnelleUne fraction rationnelle R est deacuteveloppable en seacuterie entiegravere autour de0 si et seulement si 0 nrsquoest pas un pocircle de cette fraction rationnelle Lerayon de convergence du deacuteveloppement en seacuterie entiegravere est alors eacutegalau plus petit module des pocircles complexes de la fraction rationnelle

211 Suites et seacuteries drsquoapplications

Convergence simple ndash Deacutefinition

forallε gt 0 forallx isin D existn0 isin N foralln gt n0

| fn(x)minus f (x)| 6 ε

( fn X rarr E)nisinN suite drsquoapplica-tionsE un K-espace vectoriel normeacutef limite de la suite drsquoapplicationsdans D (domaine de convergence)D domaine de convergence

Convergence uniforme ndash Deacutefinition

forallε gt 0 existn0 isin N forallx isin D foralln gt n0

| fn(x)minus f (x)| 6 ε

( fn X rarr E)nisinN suite drsquoapplica-tionsE un K-espace vectoriel normeacutef limite de la suite drsquoapplicationsdans D (domaine de convergence)

Convergence uniforme et convergence simpleSi ( fn)nisinN converge uniformeacutement vers f sur X il y a eacutegalementconvergence simple de ( fn)nisinN vers f dans ce mecircme domaine

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 53

2 Analyse 53

Proprieacuteteacute de la convergence uniforme

Si les fonctions fn sont continues (respectivement admettent une li-mite en a) alors la limite uniforme (si elle existe) de ces fonctions f estcontinue (respectivement admet une limite en a)

Convergence uniforme et inteacutegration sur un segment

f est continue sur [a b]

(int b

afn

)

nisinN

converge dans E

int b

af = lim

nrarr+infin

int b

afn

( fn X rarr E)nisinN suite drsquoapplica-tions continues convergeant uni-formeacutement vers f sur XE un K-espace vectoriel normeacutef limite de la suite drsquoapplicationsSous ces hypothegraveses f veacuterifie lesproprieacuteteacutes eacutenonceacutees ci-contre

Convergence uniforme et deacuterivation

( fn)nisinN converge uniformeacutementsur tout segment de I vers f

f est de classe C1 sur If prime = g

( fn X rarr E)nisinN suite drsquoapplica-tions C1 convergeant simplementvers f sur X( f primen)nisinN converge uniformeacutementvers une application noteacutee gSous ces hypothegraveses f veacuterifie lesproprieacuteteacutes eacutenonceacutees ci-contre

Soit ( fn X rarr E)nisinN une suite drsquoapplications C1 surX convergeantsimplement vers f sur X

Soit ( f primen)nisinN une suite de fonctions qui converge uniformeacutement surtout segment de X vers une application g

Soit f la limite de la suite drsquoapplications veacuterifiant les hypothegraveses preacute-ceacutedentes Sous ces hypothegraveses on a f de classe C1 sur X et f prime = g

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 54

54 [1] Matheacutematiques

Theacuteoregraveme de convergence monotone

int

If = SupnisinN

int

Ifn = lim

nrarr+infin

int

Ifn

foralln isin N fn est continue par mor-ceaux et inteacutegrable sur I( fn)nisinN veacuterifie une hypothegravese demonotonie foralln isin N fn 6 fn+1( fn)nisinN converge simplement surI vers une application noteacutee fcontinue par morceaux sur ISous ces hypothegraveses f est inteacute-grable si et seulement si la suite(int

Ifn

)

nisinN

et veacuterifie alors les pro-

prieacuteteacutes ci-contre

Theacuteoregraveme de convergence domineacutee

int

If = lim

nrarr+infin

int

Ifn

foralln isin N fn est continue par mor-ceaux sur I( fn)nisinN converge simplement surI vers une application noteacutee fcontinue par morceaux sur I( fn)nisinN veacuterifie une hypothegravese dedomination foralln isin N | fn| 6

ϕ ougrave ϕ est une fonction conti-nue par morceaux positive et inteacute-grable sur ISous ces hypothegraveses f veacuterifie laproprieacuteteacute ci-contre

Premier theacuteoregraveme de WeierstrassPour toute application continue f [a b] rarr K il existe une suite (Pn [a b] rarr K)nisinN de polynocircmes convergeant uniformeacutement vers f sur[a b]

Deuxiegraveme theacuteoregraveme de WeierstrassPour toute application continue f R rarr K et T-peacuteriodique il existeune suite (Tn [a b]rarr K)nisinN de polynocircmes trigonomeacutetriques conver-geant uniformeacutement vers f sur R

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 55

2 Analyse 55

Seacuteries drsquoapplications convergence simple ndash Deacutefinition

On dit qursquoune seacuterie drsquoapplications converge simplement si etseulement si la suite des sommes partielles (Sn(x))nisinN avec

Sn(x) =n

sumk=0

fk(x) converge simplement

Seacuteries drsquoapplications convergence absolue ndash Deacutefinition

On dit qursquoune seacuterie drsquoapplications converge absolument si etseulement si la suite des sommes partielles (Sn(x))nisinN avec

Sn(x) =n

sumk=0 fk(x) converge absolument

Seacuteries drsquoapplications convergence uniforme ndash Deacutefinition

On dit qursquoune seacuterie drsquoapplications converge uniformeacutement si et seule-ment si la suite des sommes partielles (Sn(x))nisinN avec Sn(x) =n

sumk=0

fk(x) converge uniformeacutement

Seacuteries drsquoapplications convergence normale ndash Deacutefinition

existn0 isin N

sumngtn0

fninfin converge

On dit que sumn

fn converge norma-

lement et seulement si elle veacuterifiela proprieacuteteacute ci-contre

Convergences normale uniforme et simple

La convergence normale entraicircne la convergence uniforme qui elle-mecircme entraicircne la convergence simple

Convergence uniforme ndash Limite et continuiteacute

Si sumngt0

fn converge uniformeacutement sur X et si foralln isin N fn est continue en

a (respectivement admet une limite en a) alors sumngt0

fn est continue en

a (respectivement admet une limite en a)c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 56

56 [1] Matheacutematiques

Convergence uniforme et inteacutegration sur un segment

+infin

sumn=0

fn est continue sur [a b]

sumngt0

(int b

afn(x) dx

)converge dans E

int b

a

(+infin

sumn=0

fn(x)

)dx =

+infin

sumn=0

int b

afn(x) dx

( fn)nisinN seacuterie drsquoapplications avecfn continue sur [a b]+infin

sumn=0

fn converge uniformeacutement sur

[a b]Sous ces hypothegraveses la seacuterie defonctions veacuterifie les proprieacuteteacutes ci-contre

Convergence uniforme et deacuterivation

sumngt0

fn converge uniformeacutement

sur tout segment I

+infin

sumn=0

fn est de classe C1 sur I

(+infin

sumn=0

fn

)prime=

+infin

sumn=0

f primen

sumngt0

fn seacuterie drsquoapplications

convergeant simplement sur Ifn I rarr E de classe C1sumngt0

f primen converge uniformeacutement sur

tout segment de ISous ces hypothegraveses fn et f primen veacuteri-fient les proprieacuteteacutes ci-contre

Inteacutegration sur un intervalle quelconque des fonctions

+infin

sumn=0

fn est inteacutegrable sur I

int

I

∣∣∣∣∣+infin

sumn=0

fn

∣∣∣∣∣ 6+infin

sumn=

int

I| fn|

int

I

+infin

sumn=0

fn =+infin

sumn=0

int

Ifn

sumngt0

( fn) seacuterie drsquoapplications

convergeant simplement sur Ifn I rarr E fonction continue parmorceaux sur I

sumngt0

int

I| fn| converge

Sous ces hypothegraveses fn veacuterifie lesproprieacuteteacutes ci-contre

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 57

2 Analyse 57

212 Seacuteries de Fourier

Coefficients de Fourier exponentiels

cn( f ) =12π

int 2π

0f (x)eminusinx dx

cn coefficient de Fourier exponen-tielf fonction 2π-peacuteriodique conti-nue par morceaux agrave valeurs com-plexesn isin Z

Coefficients de Fourier trigonomeacutetriques

an( f ) =1π

int 2π

0f (x) cos(nx) dx

bn( f ) =1π

int 2π

0f (x) sin(nx) dx

an coefficient de Fourier trigono-meacutetrique en cosinusbn coefficient de Fourier trigono-meacutetrique en sinusf fonction dont on souhaite obte-nir les coefficients de FourierLorsque la fonction f est paire(respectivement impaire) les co-efficients bn (respectivements an)sont nuls

Theacuteoregraveme de Dirichlet

Si f est de classe C1 par morceaux et 2π-peacuteriodique pour tout reacuteel xon a lrsquoeacutegaliteacute suivante

S(x) =+infin

sumn=minusinfin

cneinx =a02

++infin

sumn=1

an cos nx ++infin

sumn=1

bn sin nx

S(x) =12

(f (xminus) + f (x+)

)

Dans ce cas il y a convergence simple de la seacuterie vers S(x)

Eacutegaliteacute de ParsevalSi f est continue par morceaux on a lrsquoeacutegaliteacute suivante

12π

int 2π

0| f (x)|2 dx =

|a0|24

++infin

sumn=1

|an|2 + |bn|22

=+infin

sumn=minusinfin

|cn|2

Convergence normale

Si f est continue et de classe C1 par morceaux sur R la seacuterie de Fourierde f est normalement convergente sur R et a pour somme f

c copyDuno

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 58

58 [1] Matheacutematiques

213 Fonctions de plusieurs variables

Deacuteriveacutee partielle

D j f (a) =part fpartx j

(a) = limtrarr0t 6=0

f (a1 a j + t an)minus f (a1 an)

t

f une fonction de plusieurs variablesOn deacutefinit ci-dessus la deacuteriveacutee partielle par rapport agrave la variable x j (saje variable) de la fonction f en un point a = (a1 an)

Deacuteriveacutee selon un vecteurOn dit que f admet une deacuteriveacutee en a selon un vecteur v que lrsquoon notedv f (a) si et seulement si la limite suivante existe

limtrarr0

1t

( f (a + tv)minus f (a))

Si elle existe cette limite est dv f (a)

Theacuteoregraveme fondamental

Soit U un ouvert de Rp si f U rarr Rn est de classe C1 sur Rp alorsf admet en tout point a de Rp une deacuteriveacutee selon tout vecteur h et

Dh f (a) =p

sumj=1

h jD j f (a)

Gradient

grad f =

(part fpartx

(x y)part fparty

(x y))

f U rarr R fonction de classe C1sur UU ouvert de R2

grad f gradient de fAlors Dv f (a) = (grad f (a)) middot v

Diffeacuterentielle drsquoune fonction de deux variables

d f =part fpartx

dx +part fparty

dyf U rarr R fonction de classe C1sur UU ouvert de R2

Applications de classe CkOn dit que f est de classe Ck avec k isin Nlowast sur U si et seulement si fadmet des deacuteriveacutees partielles successives sur U jusqursquoagrave lrsquoordre k et cequel que soit lrsquoordre de deacuterivation et chacune de ces deacuteriveacutees partiellesest continue sur U

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 59

3 Geacuteomeacutetrie 59

Theacuteoregraveme de Schwarz

part2 fpartx jpartxi

=part2 f

partxipartx jf fonction C2 sur Rp

Point critique

Soit U un ouvert de R2 a isin U et f U rarr R une fonction de classe CnOn dira que a est un point critique pour f si et seulement si toutes lesdeacuteriveacutees partielles de f existent et srsquoannulent en a

Extremum local

On dira que f U rarr R2 admet un extremum local sur X sub U en unpoint a isin X si et seulement si forallx isin X f (x) 6 f (a) ( f admettant alorsun maximum en a) ou forallx isin X f (x) gt f (a) ( f admettant alors unminimum en a)

Theacuteoregraveme des fonctions implicites

Soient x = (x1 x2) isin U ougrave U est un ouvert de R2 f U rarr R une

fonction de classe Ck sur U telle que f (x) = 0 etpart fpartx2

(x) 6= 0 alors il

existe deux intervalles ouverts J et K respectivement centreacutes en x1 et x2tels qursquoil existe une unique fonction de classe C1 ϕ J rarr K telle que

forall(x y) isin J times K ( f (x y) = 0lArrrArr y = ϕ(x))

3 Geacuteomeacutetrie

31 Courbes du plan

Point reacutegulier ndash Point bireacutegulier

Un point M(t) est dit reacutegulier si et seulement srsquoil veacuterifie f prime(t) 6= 0 ilest dit bireacutegulier si et seulement si la famille ( f prime(t) f primeprime(t)) est libre

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 60

60 [1] Matheacutematiques

Tangente ndash Deacutefinition

M0PM0PM0P = λfffprime(t0)

Si fprimefprimefprime(t0) 6= 0 la tangente en unpoint M de coordonneacutees t0 estlrsquoensemble des points P veacuterifiant laproprieacuteteacute ci-contre avec λ isin RSi cette limite nrsquoexiste qursquoent+0 (respectivement en tminus0 ) ondira que la courbe admet unedemi-tangente en M(t+0 ) (res-pectivement en M(tminus0 )) Si leslimites en t+0 ) et en tminus0 sont dif-feacuterentes la courbe admet deuxdemi-tangentes en M

Position drsquoun arc par rapport agrave la tangente

Dans les figures ci-dessous f (p)(t0) et f (q)(t0) repreacutesentent les deuxpremiers vecteurs deacuteriveacutes non nuls

f (t)(p)

f (t)(q)

M(t) f (t)(p)

f (t)(q)

M(t)

p impair q pair allure geacuteneacuterale p impair q impair point drsquoin-flexion

f (t)(p)

f (t)(q)

M(t)

f (t)(p)

f (t)(q)

M(t)

p pair q pair point de rebrousse-ment de seconde espegravece

p pair q impair point de rebrous-sement de premiegravere espegravece

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 61

3 Geacuteomeacutetrie 61

Branche infinie ndash DeacutefinitionOn dit que la courbe Γ admet une branche infinie en t0 si et seulementsi lim

trarrt0 f (t) = +infin

Direction asymtotique ndash AsymptoteSi la branche infinie forme un angle θ0 par rapport agrave lrsquoaxe des abscissespour savoir srsquoil srsquoagit drsquoune asymptote ou drsquoune direction asympto-tique on eacutetudie la limite

Y = limθrarrθ0

ρ sin(θminus θ0)

Si cette limite vaut +infin il srsquoagit drsquoune direction asymptotique si lalimite vaut 0 il srsquoagit drsquoune asymptote si la limite vaut b avec b isin Rla droite drsquoeacutequation y = θ0x + b est asymptote agrave la courbe

x

O

y

Branche paraboliqueO dira que la courbe Γ admet une branche parabolique quand t tendvers t0 si cette mecircme courbe admet une direction asymptotique quandt tend vers t0 mais pas drsquoasymptote

SymeacutetriesSoit ϕ t 7rarr ϕ(t) une fonction de changement de parameacutetrage Ondonne ci-dessous les symeacutetries classiques qui permettent de limiterlrsquointervalle drsquoeacutetude de la courbe

x(ϕ(t) = x(t)y(ϕ(t) = y(t)

Identiteacute

c copyDuno

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toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 62

62 [1] Matheacutematiques

x(ϕ(t) = minusx(t)y(ϕ(t) = minusy(t) Symeacutetrie par rapport agrave lrsquoorigine

x(ϕ(t) = y(t)y(ϕ(t) = x(t)

Symeacutetrie par rapport agrave la premiegraverebissectrice

x(ϕ(t) = minusx(t)y(ϕ(t) = y(t)

Symeacutetrie par rapport agrave lrsquoaxe desordonneacutees

x(ϕ(t) = x(t)y(ϕ(t) = minusy(t)

Symeacutetrie par raport agrave lrsquoaxe desabscisses

Coordonneacutees polaires

ρ =radic

x2 + y2

x = ρ cos θ

y = ρ sin θ

Mr

ur

uq

q

xxM

yM

y

O

Eacutequations en coordonneacutees polairesLa droite

ρ =1

λ cos θ + micro sin θ

(λmicro) isin R2

Cette eacutequation repreacutesente ladroite drsquoeacutequation carteacutesienneλx + microyminus 1 = 0

Le cercle

ρ = λ cos θ + micro sin θ

(λmicro) isin R2

Cette eacutequation repreacutesente le cerclecentreacute enO drsquoeacutequation carteacutesiennex2 + y2 minus λxminus microy = 0

Conique dont le foyer est agrave lrsquoori-gine

ρ =p

1 + e cos(θminusϕ)

p paramegravetre de la coniquee excentriciteacute de la coniqueθ angle polaireϕ phase

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 63

3 Geacuteomeacutetrie 63

Branches infinies ndash DeacutefinitionsSi lim

θrarrplusmninfin

ρ = 0 on dit que O est un point-asymptote de la courbe

Si limθrarrplusmninfin

ρ = a on dit que le cercle de centre O et de rayon |a| est uncercle-asymptote agrave la courbeSi lim

θrarrplusmninfin

ρ = plusmninfin on dit que la courbe admet une branche-spirale

Si la branche infinie forme un angle θ0 par rapport agrave lrsquoaxe des abscissespour savoir srsquoil srsquoagit drsquoune asymptote ou drsquoune direction asympto-tique on eacutetudie la limite

Y = limθrarrθ0

ρ sin(θminus θ0)

Si cette limite vaut +infin il srsquoagit drsquoune direction asymptotique si lalimite vaut 0 il srsquoagit drsquoune asymptote si la limite vaut b avec b isin Rla droite drsquoeacutequation y = θ0x + b est asymptote agrave la courbe

Symeacutetries

Soit T la peacuteriode de ρ (crsquoest-agrave-dire ρ(θ + T) = ρ(θ)) Srsquoil existe Tprime telque ρ(θ + Tprime) = minusρ(θ) Tprime est appeleacute antipeacuteriode de ρ

ρ(minusθ) = ρ(θ)

Symeacutetrie par rapport agrave lrsquoaxe desabscisses On fait varier θ dans[0+infin[ avant drsquoeffectuer la symeacute-trie

ρ(αminus θ) = ρ(α)

On fait varier θ dans[α

2+infin

[

puis on effectue la symeacutetrie parrapport agrave la droite passant par Oet drsquoangle polaire α2

ρ(minusθ) = minusρ(θ)

Symeacutetrie par rapport agrave lrsquoaxe desordonneacutees On fait varier θ dans[0+infin[ avant drsquoeffectuer la symeacute-trie

ρ(αminus θ) = minusρ(α)

On fait varier θ dans[α

2+infin

[

puis on effectue la symeacutetrie parrapport agrave la droite passant par O

et drsquoangle polaireα

2+

π

2

c copyDuno

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apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 64

64 [1] Matheacutematiques

32 Proprieacuteteacutes meacutetriques des courbes

Abscisse curviligne

forallt isin I s(t) =int t

t0 f prime(u) du

f t 7rarr M(t)s t 7rarr s(t)

Longueur drsquoun arc

l(AB) =int b

a f prime(t) dt l(AB) longueur de lrsquoarc AB

Rayon de courbure ndash Courbure

R =dsdα

γ =1R

R rayon de courbures abscisse curviligneα = (iii TTT) ougrave TTT est le vecteur tan-gentγ courbure au point M(t)

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 65

Chapitre 2Physique

0 Eacuteleacutements de matheacutematiques

01 Diffeacuterentielles

Deacuteveloppements limiteacutes

Soit f x 7rarr f (x) alors f (x + δx) = f (x) + δx f prime(x) +(δx)2

2f primeprime(x) +

middot middot middotDiffeacuterentielle drsquoune fonction de plusieurs variables

Soit f une fonction des variables x et y alors

d f =

(part fpartx

)

y

dx +

(part fparty

)

x

dy

On peut eacutetendre cette deacutefinition de d f pour une fonction de n va-riablesOn a par deacutefinition du gradient

d f = (grad f ) middot dMMMc copyDuno

dL

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 66

66 [2] Physique

Theacuteoregraveme de Schwarz

part2 f (x y)partxparty

=part2 f (x y)

partypartx

(les deacuteriveacutees croiseacutees drsquoune fonction C2 sont eacutegales)

02 Eacutequations diffeacuterentielles

Eacutequation de relaxation

yprime(t) +y(t)

τ= γ (ougrave γ est

une constante) Sa solution esty(t) = γτ + (y(0)minus γτeminustτ

y t( )

t

Eacutequation de lrsquooscillateur harmonique

yprimeprime(t) + ω20y(t) = 0 Sa solution est

y(t) = λ cos(ω0t) + micro sin(ω0t) ouy(t) = δ cos(ω0t + ϕ)

y t( )

t

Eacutequation drsquoun systegraveme explosif

yprimeprime(t) minus ω20y(t) = 0 Sa solution est

y(t) = λ ch(ω0t) + micro sh(ω0t)

y t( )

t

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 67

0 Eacuteleacutements de matheacutematiques 67

Eacutequation de diffusionpartypartt

= D∆y Les solutions deacutependent des conditions aux limites et des

conditions initiales On la reacutesoud geacuteneacuteralement en reacutegime permanentougrave la solution est sinusoiumldale

Eacutequation de preacutecession

partuuupartt

= ωωω and uuu uuu est en rotation autour duvecteurωωω

wu

Eacutequation du second ordre

ayprimeprime(t) + byprime(t) + cy(t) = g(t)

Le discriminant de son eacutequation caracteacuteristique ((Ec) ar2 + br + c = 0)est ∆ = b2 minus 4ac Soient r1 et r2 les deux racines de cette eacutequation ca-racteacuteristiqueDans un premier temps inteacuteressons nous au cas ougrave g(t) = γ uneconstante

Si ∆ gt 0 les deux racines r1 et r2 sontreacuteelles la solution est du type apeacuteriodique

y(t) = λer1t + microer2 t +γ

c

y t( )

tSi ∆ lt 0 les deux racines de lrsquoeacutequationcaracteacuteristique sont complexes conjugueacuteesla solution est alors pseudo-peacuteriodique

y(t) = (λ cos(βt) + micro sin(βt))eαt +γ

cavec α et β respectivement partie reacuteelle etpartie imaginaire de r1

y t( )

t

c copyDuno

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 68

68 [2] Physique

Si ∆ = 0 le reacutegime est critique lrsquoeacutequationcaracteacuteristique admet une racine double

La solution est y(t) = (λt + micro)er1t +γ

c

y t( )

tSi g(t) est une excitation sinusoiumldale on reacutesout en complexes en posanty(t) = Ye jωt pour obtenir une solution particuliegravere

03 Coniques

Eacutequation polaire drsquoune conique avec origine au foyer

r(θ) =p

1 + e cos θ

r distance du point courant agravelrsquoorigineθ angle polairep paramegravetree excentriciteacute

Nature de la conique

ndash une ellipse si 0 lt e =a

blt 1 ab

O

ndash une parabole si e = 1

ndash une hyperbole si e gt 1

Aire drsquoune ellipse

S = πabS surface de la coniquea demi grand axeb demi petit axe

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 69

1 Eacutelectronique 69

1 Eacutelectronique

11 Lois geacuteneacuterales

Loi de Pouillet

i =E

sumk

Rk

i intensiteacute du courant dans lecircuitE tension deacutelivreacutee par le geacuteneacute-rateurRk reacutesistance k du circuit

Loi des nœuds

La loi des nœuds en N srsquoeacutecrit n

sumk=1

ik = 0

Ni1

in

ik

i4

i2i3

Loi des mailles

La loi des mailles sur la maille ci-

contre srsquoeacutecrit n

sumk=1

uk = 0 u1

u2

u3

u4

unuk

Theacuteoregraveme de Millman

Le theacuteoregraveme de Millman appliqueacuteen N donne

u =

n

sumk=1

Gk middot uk +p

sumj=1

i j

n

sumk=1

Gk u1 unu2 uk

uG1 GnG2 Gk

Ni1

i2 ijip

c copyDuno

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 70

70 [2] Physique

Theacuteoregraveme de superposition (Helmholtz)Dans un reacuteseau de dipocircles lineacuteaires comportant n sources la tensionaux bornes de chaque dipocircle est la somme algeacutebrique des tensions qursquoily aurait aux bornes de ce dipocircle si une seule source autonome fonction-nait De mecircme lrsquointensiteacute dans une branche drsquoun circuit est la sommedes intensiteacutes qui regravegneraient dans la branche si une seule source au-tonome fonctionnait

12 Reacutegime variable

Puissance reccedilue par un dipocircle

p(t) = u(t)i(t)

lt pgt=1T

int T

0p(t) dt

lt pgtsinusoiumldal= Ueff Ieff cosϕ

On se place en convention reacutecep-teurp(t) puissance instantaneacutee reccediluepar le dipocirclelt p gt puissance moyenne reccediluepar le dipocircleu(t) tension aux bornes de ce di-pocirclei(t) intensiteacute traversant le dipocircleUeff tension efficace aux bornesdu dipocircleIeff intensiteacute efficace traversant ledipocircleϕ deacutephasage entre la tension etlrsquointensiteacute ϕ = arg Z ougrave Z est lrsquoim-peacutedance complexe

Impeacutedance complexe et phase des composants usuels

Reacutesistance

Z = R

ϕ = 0

Bobine

Z = jLω

ϕ = +π

2

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 71

1 Eacutelectronique 71

Condensateur

Z =1

jCω

ϕ = minusπ

2

Z impeacutedanceR valeur de la reacutesistanceC capaciteacute du condensateurL inductance de la bobineω pulsationϕ deacutephasage de u par rapport agrave i

Fonction de transfert

H( jω) =s

e

H( jω) fonction de transferts signal de sortiee signal drsquoentreacutee

Gain en deacutecibels ndash Phase

H(ω) = |H( jω)|

GdB = 20 log |H( jω)|

ϕ = argH

H(ω) gainGdB gain en deacutecibelsH( jω) fonction de transfertϕ phase (avance de la sortie surlrsquoentreacutee)

Diagramme de BodeLe diagramme de Bode en gain (respectivement en phase) consiste agraverepreacutesenter le gain en deacutecibel (respectivement la phase) en fonction de

logω

ω0ou de logω

Filtre passe-bas du premier ordre

log(w)log(w )0

G (dB)

log(w )0 log(w)

jp2

2

4-p

-p

H(ω) =H0

1 + jω

ω0

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 72

72 [2] Physique

Filtre passe-haut du premier ordre

log(w )0

log(w)

G (dB)

log(w )0

log(w)

jp

p2

4

2-p

H(ω) =H0 j

ω

ω0

1 + jω

ω0

Filtre passe-bas du deuxiegraveme ordre

log(w )0

log(w)

Q gt Q1 2 Q gt Q2 3

Q3

G (dB) log(w )0 log(w)Q gt Q1 2

Q3

j

0

2-p

-p

Q =1 gt Q2 3Ouml2

H(ω) =H0

1 +

(jω

ω0

)2+ j

ω

Qω0

Filtre passe-haut du deuxiegraveme ordre

log(w)

Q gt Q1 2

Q gt Q2 3

Q3

G (dB)

log(w )0

log(w )0 log(w)

Q gt Q1 2

Q3

j

0

2p

p

Q =1 gt Q2 3Ouml2

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 73

1 Eacutelectronique 73

H(ω) =

H0

(jω

ω0

)

1 +

(jω

ω0

)2+ j

ω

Qω0

Filtre passe bande du deuxiegraveme ordre

log(w)

Q gt Q1 2

Q gt Q2 3

Q3

G (dB)

log(w )0

log(w )0

log(w)

Q gt Q1 2

Q3

jp

0

2

2-p

Q =1 gt Q2 3Ouml2

H(ω) =H0

1 + jQ

ω0minus ω0

ω

)

13 Montages avec amplificateur opeacuterationnel

GeacuteneacuteraliteacutesPour un amplificateur opeacuterationnel ideacuteal en reacutegime lineacuteaire ndash ε = V+ minusVminus = 0lArrrArr |uS| 6 Vsatndash Si ε lt 0 uS = minusVsat si ε gt 0 uS = Vsat on est en reacutegime satureacutendash Lrsquointensiteacute entrant par les bornes + et minus est nulle

Suiveur de tension

+yen-e

uSuE

iS

uS = uE

c copyDuno

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toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 74

74 [2] Physique

Amplificateur inverseur

+yen

-

R2

uSuE

iER1 e

uS = minusR2

R1uE

Amplificateur non inverseur

+yen-

R2

uSuE

iEiS

R1 e

uS =

(1 +

R2

R1

)uE

Convertisseur courant-tension

+yen-

R

uSuE

iE iSe

uS = minusR middot iE

Comparateur simple

+yen-

uSu2 u1

e

Si u1 gt u2 uS = +VsatSi u1 lt u2 uS = minusVsat

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 75

1 Eacutelectronique 75

Inteacutegrateur theacuteorique

+yen-R

C

uSuE

e uS =

minus 1RC

int t

t0uE(t) dt + us(t0)

Deacuterivateur theacuteorique

+yen-

R

uSuE

C e

uS = minusRCduEdt

Comparateur agrave hysteacutereacutesis

ε =R1

R1 + R2uS minus uE

ndash Si uS = +Vsat rArr ε gt 0rArr uE ltR1

R1 + R2Vsat

ndash Si uS = minusVsat rArr ε lt 0rArr uE gt minus R1

R1 + R2Vsat

ndash Si uE isin]minus R1

R1 + R2Vsat

R1

R1 + R2Vsat

[alors le montage est bistable

(uS = plusmnVsat)

c copyDuno

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 76

76 [2] Physique

Sommateur inverseur

+yen-

R2

uS

uE1 uE2 uE3

uE1

i1

i2

i3

R11

R1 2

R1 3

e

ik =uEk

R1kuS = minusR2 sum

k

uEk

R1k

2 Thermodynamique

21 Gaz parfait

Eacutequation drsquoeacutetat

pV = nRT

p pression du gazV volume du gazR = N middot k constante des gaz par-faitsT tempeacuteraturen quantiteacute de matiegravere

Vitesse quadratique moyenne

12mu2 =

32kT

m masse atomique du gazu vitesse quadratique moyennek constante de BoltzmannT tempeacuterature

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 77

2 Thermodynamique 77

Coefficients thermoeacutelastiques

α =1V

(partVpartT

)

p

β =1p

(partppartT

)

V

χT = minus 1V

(partVpartp

)

T

α coefficient de dilatation isobareβ coefficient drsquoaugmentation depression agrave volume constantχT coefficient de compressibiliteacuteisothermep pressionT tempeacuteratureV volume

Relation entre les coefficients thermoeacutelastiquesα = pβχT

Modegravele de Van der Waals

(p +

n2a

V2

)(V minus nb) = nRT

a b constantes positivesn quantiteacute de matiegraverep pressionT tempeacuteratureV volumenb covolumeR constante des gaz parfaits

22 Premier et second principes de la thermodynamique

Premier principe

∆U = W + Q

∆U variation drsquoeacutenergie interneW transfert meacutecaniques reccedilus parle systegravemeQ transferts thermiques vers lesystegravemec copy

Duno

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 78

78 [2] Physique

Travail reacuteversible des forces de pression

W = minusint V f

Vi

p dV

W travail des forces de pressionVi volume initialV f volume finalp pressionSi la transformation est isobarealors W = minusp∆V

Enthalpie

H = U + pV

H enthalpieU eacutenergie internep pressionV volume du systegravemeLrsquoenthalpie est une fonction drsquoeacutetat

Premiegravere loi de Joule pour un gaz parfait

dU = CV dT

dU variation drsquoeacutenergie interneCV capaciteacute thermique agrave volumeconstantdT variation de tempeacuterature

CV =

(partUpartT

)

V

Autre formulation U ne deacutependque de T

Seconde loi de Joule pour un gaz parfait

dH = Cp dT

dH variation drsquoenthalpieCp capaciteacute thermique agrave pressionconstantedT variation de tempeacuterature

Cp =

(partHpartT

)

p

Autre formulation H ne deacutependque de T

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 79

2 Thermodynamique 79

Gaz parfait monoatomique

U =32nRT

H =52nRT

U eacutenergie interneH enthalpien quantiteacute de matiegravereR constante des gaz parfaitsT tempeacuterature

Bilan sur les eacutecoulements permanents

(h2 + ek2+ ρgz2)minus (h1 + ek1

+ ρgz1) = wm + qm

wm

qm

Cette relation est aussi appeleacuteerelation de ZeunerOn indexe par 1 et 2 les grandeursrelatives au fluide respectivementen amont et en aval de la machine

hi enthalpie massiqueeki

eacutenergie cineacutetique massiqueρgzi eacutenergie potentielle de pesan-teur massiquewm travail reccedilu par lrsquouniteacute demasse de fluide qui traverse la ma-chineqm transfert thermique reccedilu parlrsquouniteacute de masse de fluide qui tra-verse la machine

Deacutetente de Joule Gay-Lussac

eacutetat initial

eacutetat final

∆U = 0

U eacutenergie interne

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 80

80 [2] Physique

Deacutetente de JoulendashKelvin

h1 + ek1= h2 + ek2

En eacutecoulemement lent (eki≪ hi)

la deacutetente est isenthalpique (h2 =h1)

Rapport des capaciteacutes thermiques

γ =Cp

CVgt 1

Cp =γR

γminus 1

CV =R

γminus 1R constante des gaz parfaitsγ rapport des capaciteacutes ther-miques

Second principe ndash Entropie

dS =δQ

+ δSirrev

S entropieQ transferts thermiques vers lesystegravemeTΣ tempeacuterature de surface dusystegravemeδSirrev gt 0 creacuteation drsquoentropieLrsquoentropie est une mesure statis-tique du deacutesordre

Identiteacutes thermodynamiques

dU = T dSminus p dV

dH = T dS +V dp

dU variation drsquoeacutenergie internedH variation drsquoenthalpiedS variation drsquoentropiep pression du gazV volume du systegravemeT tempeacuterature

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 81

2 Thermodynamique 81

Lois de Laplace

p Vγ = cste1

T Vγminus1 = cste2

Tγp1minusγ = cste3

Ces lois deacutecrivent lrsquoeacutevolution desparamegravetres thermodynamiquespour une transformation isentro-pique (adiabatique reacuteversible) degaz parfaitp pression du gazV volume du systegravemeT tempeacuteratureγ rapport isentropique

23 Changements de phase drsquoun corps pur

Diagramme drsquoeacutetat

vapeur

C

T

T

p

liquidesolide

Le point C est le point critique au delagraveduquel on ne fait plus la diffeacuterence entrela phase liquide et la phase vapeur (eacutetatfluide)Le point T est le point triple ougrave toutes lesphases coexistentp pressionT tempeacuterature

Nomenclature des changements de phase

vapeurliquidesolidefusion

sublimation

condensation

solidification liqueacutefaction

vaporisation

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 82

82 [2] Physique

Diagramme drsquoeacutequilibre liquidendashvapeur

vapeur

T T= C

T gt TC

T lt TC

liquide+

vapeur

C

vvl

vv

VLM

p

V

liquide

courbe drsquoeacutebullition

courbe de roseacutee

vapeur

p = pC

p gt pC

p lt pC

liquide+

vapeur

C

ssl s

v

VL

M

T

S

liquide

courbe drsquoeacutebullition

courbe de roseacutee

Titre de vapeur ndash Titre de liquide

xv =mv

m=

LM

LV

xl =mlm

=MV

LV

xl titre massique de liquidexv titre massique de vapeurml mv masse de liquide et de vapeurLM LVMV distance LM LVMVmesureacutees sur un des deux diagrammesdrsquoeacutetat preacuteceacutedent

On a eacutegalement la relation xl + xv = 1

Expression des fonctions drsquoeacutetat

u = x1u1 + x2u2

h = x1h1 + x2h2

s = x1s1 + x2s2

xi le titre massique du corps pur dansla phase iui hi si lrsquoeacutenergie interne massiquelrsquoenthalpie massique et lrsquoentropie mas-sique du corps dans la phase iu h s lrsquoeacutenergie interne massique lrsquoen-thalpie massique et lrsquoentropie massiquedu corps

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 83

2 Thermodynamique 83

Chaleur latente

l1rarr2 = h2 minus h1 = T(s2 minus s1)

l1rarr2 chaleur latente massique de pas-sage de la phase 1 agrave la phase 2hi enthalpie massique du corps dans laphase isi entropie massique du corps dans laphase iT tempeacuterature de cœxistance desphases

Relation de Clapeyron

l1rarr2 = T(v2 minus v1)partppartT

l1rarr2 chaleur latente massique de pas-sage de la phase 1 agrave la phase 2vi volume massique du corps dans laphase ip pressionT tempeacuterature de changement drsquoeacutetat

24 Machines thermiques

Machines dithermes

machine

QC

W

QF

TC TF

TC tempeacuterature de la source chaudeQC transfert thermique algeacutebrique dela source chaude vers la machineTF tempeacuterature de la source froideQF transfert thermique algeacutebrique de lasource froide vers la machineW transfert meacutecanique reccedilu par la ma-chine

Premier et second principes appliqueacutes sur un cycle

∆U = 0

∆S = 0

Sur un cycle la variation drsquoeacutenergie in-terne (U) et drsquoentropie (S) est nulle(fonctions drsquoeacutetat)c copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 84

84 [2] Physique

Ineacutegaliteacute de Clausius

QC

TC+

QF

TF6 0

(Second principe appliqueacute agrave la machine)TC tempeacuterature de la source chaudeQC transfert thermique algeacutebrique dela source chaude vers la machineTF tempeacuterature de la source froideQF transfert thermique algeacutebrique de lasource froide vers la machine

Efficaciteacute de Carnot du moteur ditherme

eC = 1minus TFTC

e 6 eC

eC efficaciteacute de Carnot (machine reacutever-sible)TC tempeacuterature de la source chaudeTF tempeacuterature de la source froidee efficaciteacute reacuteelle

Efficaciteacute de Carnot du reacutefrigeacuterateur ditherme

eC =TF

TC minus TFe 6 eC

eC efficaciteacute de Carnot (machine reacutever-sible)TC tempeacuterature de la source chaudeTF tempeacuterature de la source froidee efficaciteacute reacuteelle

Efficaciteacute de Carnot de la pompe agrave chaleur

eC =TC

TC minus TFe 6 eC

eC efficaciteacute de Carnot (machine reacutever-sible)TC tempeacuterature de la source chaudeTF tempeacuterature de la source froidee efficaciteacute reacuteelle

Repreacutesentation du cycle

p

V

Le transfert meacutecanique reccedilu par la ma-chine correspond agrave lrsquoaire inteacuterieure de lacourbe dans le diagramme de Clapey-ron (pV) Cette aire doit donc ecirctre neacute-gative (parcourue dans le sens horaire)pour obtenir un moteur (w lt 0)

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 85

2 Thermodynamique 85

T

S

Le transfert thermique reccedilu correspondagrave lrsquoaire inteacuterieure agrave la courbe dans le dia-gramme (S T)

25 Diffusion thermique

Flux thermique

Φth =intint

Sjjjth middotnnn dS

Φth flux thermiquejjjth vecteur courant de diffusionthermiquennn normale agrave la surface dS

Loi de Fourier

jjjth = minusλgradT

jjjth vecteur courant de diffusionthermiqueT tempeacuteratureλ conductiviteacute thermique

Eacutequation de la chaleur

partTpartt

= κ∆T

κ =λ

ρC

κ diffusiviteacute thermiqueT tempeacuterature∆ laplacien scalaireλ conductiviteacute thermiqueρ masse volumiqueC capaciteacute thermique

Convection

jc = minush(Tint minus Text)

jc courant de convection algeacutebriqueh coefficient de convectionTint tempeacuterature inteacuterieureText tempeacuterature exteacuterieure

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 86

86 [2] Physique

Conductance thermique

Φ = G(Tint minus Text)

G = heqS

heq =

(

sumi

1hi

+ sumj

e j

λ j

)minus1

En reacutegime permanent on deacutefinitainsi la conductance thermiqueΦ flux thermique totalG conductance thermiqueTint tempeacuterature inteacuterieureText tempeacuterature exteacuterieureh coefficient de convectionλ conductiviteacute thermiquee j epaisseur de la paroi de conduc-tiviteacute λ j

26 Rayonnement thermique

Flux thermique

ϕi︸︷︷︸incident

= ϕr︸︷︷︸reacutefleacutechi

+ ϕa︸︷︷︸absorbeacute

ϕp︸︷︷︸partant

= ϕe︸︷︷︸eacutemis

+ ϕr︸︷︷︸reacutefleacutechi

+ ϕt︸︷︷︸transmis

Fi

Fr Fd

Ft

Fa

Loi de Planck

Fλ(λ T) =2πhc2

λ51

ehc

kλTminus1

Fλ(λ T) eacutemittanceλ longueur drsquoondeT tempeacuteratureh constante de Planckc vitesse de la lumiegravere dans levidek constante de Boltzmann

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 87

2 Thermodynamique 87

Repreacutesentation graphique de la loi de Planck

F ( T)l l

lieu des maximums

T T1 2gt

T T2 3gt

T T3 4gt

T4

l

Loi du deacuteplacement de Wien

λmT = 2 897 8 microm middotKλm longueur drsquoonde ougrave lrsquoeacutemis-sion est maximaleT tempeacuterature

Loi de StefanCette loi est valable pour tout corps agrave lrsquoeacutequilibre thermodynamique etagrave lrsquoeacutequilibre thermique pour ϕp

ϕe =int +infin

0Fλ(λ T) dλ

ϕe = σT4

ϕe flux eacutemisFλ(λ T) luminance (deacutecrite parla loi de Planck)σ constante de Stefanλ longueur drsquoondeT tempeacuterature

Corps noir

Un corps noir absorbe le flux incident pour toute longueur drsquoonde etquelque soit son incidence Il est en eacutequilibre radiatif (ϕp = ϕi etϕe = ϕa ougrave ϕp est le flux partant ϕi le flux incident ϕe le flux eacutemiset ϕa le flux absorbeacute) et thermique

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 88

88 [2] Physique

3 Meacutecanique du point

31 Cineacutematique

Coordonneacutees carteacutesiennes

OMOMOM = xiii + yjjj + zkkk

x abscissey ordonneacuteez cote

vvv =dOMOMOMdt

=

xyz

aaa =d2OMOMOMdt2

=

xyz

M

i

kj

z

x

zM

xM

yMy

O

Coordonneacutees cylindriques

OMOMOM = ruuur + zuuuz

r rayon polaireθ angle polairez cote

vvv =dOMOMOMdt

=

rrθz

uuur

uuuθ

uuuz

aaa =d2OMOMOMdt2

=

rminus rθ2

2rθ + rθz

uuur

uuuθ

uuuz

M

i

ur

uz

uq

kj

q

z

x

zM

xM

yM y

r

O

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 89

3 Meacutecanique du point 89

Coordonneacutees spheacuteriques

OMOMOM = ruuur

r rayonθ colatitude variant dans [0π]ϕ longitude variant dans [0 2π]

vvv =dOMOMOMdt

=

rrθ

r sin θϕ

uuur

uuuθ

uuuϕ

M

ur

uj

uq

i

k

j

j

q

x

z

r

zM

xM

yM yO

Mouvement circulaire uniforme

OMOMOM = ruuur

r rayon polaireθ angle polaireωωω vitesse angulaire uniforme(ωωω = ωuuuz)

M

v(M)

a(M)ur

uq q x

z

y

O

vvv = ωuuuz andOMOMOM = ωruuuθ aaa = minusω2ruuur = minus v2

ruuur

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 90

90 [2] Physique

32 Changement de reacutefeacuterentiel

x

xrsquo

z zrsquo

y

yrsquo

O Orsquo

Composition des vitesses

vvv(M)R = vvv(M)Rprime︸ ︷︷ ︸vitesse relative

+vvv(Oprime)R + ΩΩΩ andOprimeMOprimeMOprimeM︸ ︷︷ ︸vitesse drsquoentraicircnement

ΩΩΩ vecteur de rotation instantanneacutee de Rprime par rapport agrave R

Composition drsquoacceacuteleacuteration

aaa(M)R = aaa(M)Rprime+ 2ΩΩΩ and vvv(M)Rprime︸ ︷︷ ︸acceacuteleacuteration de Coriolis (ac)

+aaa(Oprime)R + ΩΩΩ and(ΩΩΩ andOprimeMOprimeMOprimeM

)+

dΩΩΩ

dtandOprimeMOprimeMOprimeM

︸ ︷︷ ︸acceacuteleacuteration drsquoentraicircnement (ae)

Forces associeacutees

fffe = minusmaaae

fffc = minusmaaac

fffe force drsquoentraicircnementfffc force de Coriolisaaae acceacuteleacuteration drsquoentraicircnementaaac acceacuteleacuteration de Coriolis

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 91

3 Meacutecanique du point 91

Reacutefeacuterentiel en rotation uniforme autour drsquoun axe fixe

fffe = mΩ2ruuur

(force centrifuge)

fffc = minus2mΩΩΩ and vvv(M)Rprime

W t

W

z = zrsquo

x

yrsquo

xrsquo

yO

Reacutefeacuterentiel galileacuteenDans un reacutefeacuterentiel galileacuteen un point mateacuteriel isoleacute est soit au repossoit animeacute drsquoun mouvement rectiligne uniforme

33 Lois geacuteneacuterales de la meacutecanique

Principe des actions reacuteciproques

FFF1rarr2 = minusFFF2rarr1

M1M2M1M2M1M2 and FFF1rarr2 = 000

FFFirarr j force de i sur jMi point drsquoapplication de la forceFirarr j

Principe fondamental de la dynamique

dpppdt

= sumi

fffi

ppp = mvvv quantiteacute de mouvementdu systegravemefffi force appliqueacutee au systegravemesumi

fffi reacutesultante des forces

Quantiteacute de mouvement drsquoun systegraveme fermeacute

ppp = sumi

mivvv(Pi) = Mvvv(G)

ppp quantiteacute de mouvement du sys-tegravememi masse associeacutee au point mateacute-riel PiM masse du systegravemeG centre de masse du systegraveme

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 92

92 [2] Physique

Theacuteoregraveme du moment cineacutetique en un point fixe

dLLLO

dt=MMMO

(

sumi

fffi

)LLLO moment cineacutetique au point dereacuteduction O

MMMO

(

sumi

fffi

) moment de la reacutesul-

tante des forces en O

Moment cineacutetique ndash Moment cineacutetique barycentrique

LLLB = LLLA +BABABA andmvvv(M)

LLLlowastsystegraveme = LLLG

LLLP moment cineacutetique en Pm masse du systegravemevvv(M) vitesse du point MLLLlowastsystegraveme moment cineacutetique bary-centrique du systegraveme

Theacuteoregraveme de Kœnig du moment cineacutetique

LLLA = LLLlowast +AGAGAG andMvvv(G)

LLL(P) moment cineacutetique en PLLLlowast moment cineacutetique barycen-triqueM masse du systegravemevvv(G) vitesse du centre de graviteacutedu systegraveme

Moment de forces

MMMB(fff) =MMMA(fff) +BABABA and fff MMMP moment de force en Pfff force appliqueacutee au systegraveme

Theacuteoregraveme du moment cineacutetique en un point mobile

dLLLAdt = MMMA (sumi fffi)

minusvvv(A) andmvvv(P)

LLL moment cineacutetique

MMM(

sumi

fffi

) moment de la reacutesul-

tante des forcesm masse du systegravemevvv(P) vitesse de P

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 93

3 Meacutecanique du point 93

Puissance drsquoune force

P = fff middot vvvP puissance de la force ffffff forcevvv(G) vitesse du point mateacuteriel

Eacutenergie cineacutetique drsquoun point et drsquoun systegraveme de points

Ek =12mv2

Ek = sumi

mi

2v2i

Ek eacutenergie cineacutetiquem masse du systegravememi masse du point mateacuteriel Piv vitesse du systegravemevi vitesse du point mateacuteriel Pi

Theacuteoregraveme de lrsquoeacutenergie cineacutetique

dEkdt

= PEk eacutenergie cineacutetiqueP puissance des forces appli-queacutees au systegraveme

Theacuteoregraveme de Kœnig de lrsquoeacutenergie cineacutetique

Ek = Elowastk +12mv2(G)

Ek eacutenergie cineacutetiqueElowastk eacutenergie cineacutetique barycen-triquem masse du systegravemev(G) vitesse du centre de graviteacutedu systegraveme

Eacutenergie meacutecanique

Em = Ek + Ep

Em eacutenergie meacutecaniqueEk eacutenergie cineacutetiqueEp eacutenergie potentiellec copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 94

94 [2] Physique

Eacutenergies potentielles

ndash eacutenergie potentielle de pesanteur

Eppes = MgzG

Eppes eacutenergie potentielle de pe-santeurm masse du systegravemeg acceacuteleacuteration de la pesanteurzG cote du centre de graviteacute dusystegraveme

ndash eacutenergie potentielle eacutelastique

Epelas=

12k(∆l)2

Epelas eacutenergie potentielle eacutelastique

k constante de raideur du ressort∆l allongement du ressort

ndash eacutenergie potentielle de gravitation

Epgrav = minusGm1m2

r

Epgrav eacutenergie potentielle de gra-vitationG constante universelle de gravi-tationm1 m2 masses en interactionr distance seacuteparant les deuxmasses

ndash eacutenergie potentielle eacutelectrique

Epel= qV

Epel eacutenergie potentielle eacutelectrique

q charge ponctuelleV potentiel au point ougrave se trouvela charge

Eacutequilibre

dEp

dx(x0) = 0

x0 position drsquoeacutequilibreEp eacutenergie potentielle

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 95

3 Meacutecanique du point 95

Eacutequilibre stable ndash Eacutequilibre instable

d2 Ep

dx2(x0) gt 0

x0

Ep

xO

Minimum drsquoeacutenergie potentielle eacutequilibre stable

d2 Ep

dx2(x0) 6 0

x0

Ep

xO

Maximum drsquoeacutenergie potentielle eacutequilibre instable

Forces conservatives

FFFcons = minusgradEp Les forces conservatives deacuteriventdrsquoune eacutenergie potentielle

Theacuteoregraveme de lrsquoeacutenergie meacutecanique

dEm

dt= Pext non cons +Pint non cons

Em eacutenergie meacutecaniquePext non cons puissance des forcesexteacuterieures au systegraveme nonconservativesPint non cons puissance des forcesinteacuterieures au systegraveme (dans lecas drsquoun systegraveme de points) nonconservatives

34 OscillateursOn se reportera eacutegalement aux oscillateurs eacutelectriques dans la partie eacutelec-tronique de cet ouvrage

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 96

96 [2] Physique

Oscillateur harmonique

d2 Adt2

+ ω20A = 0

A = α cosω0t + β sinω0t

A = γ cos(ω0t + ϕ)

Un oscillateur harmonique est reacute-git par lrsquoeacutequation ci-contre ougrave A grandeur physiqueω0 pulsation de lrsquooscillateurαβγϕ constantes deacutetermineacuteespar les conditions initiales

Portrait de phase drsquoun oscillateur harmonique

A

Aw0

0

Le portrait de phase drsquoun oscilla-teur harmonique est constitueacute decercles concentriques

Oscillateur harmonique amorti

d2 Adt2

+ω0

Q

dAdt

+ ω20A = 0

A grandeur physiqueω0 pulsation de lrsquooscillateur har-moniqueQ facteur de qualiteacute de lrsquooscilla-teur

Reacuteponses drsquoun oscillateur harmonique amorti

Q gt 12 les deux racines delrsquoeacutequation caracteacuteristique r1 et r2sont reacuteelles la solution est du typeapeacuteriodique A(t) = λer1t + microer2t

A( )t

t

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 97

3 Meacutecanique du point 97

Q = 12 on est en reacutegimecritique lrsquoeacutequation caracteacuteristiqueadmet une racine double r La so-lution est A(t) = (λt + micro)ert

A( )t

t

Q lt 12 les deux racinesde lrsquoeacutequation caracteacuteristiques sontcomplexes conjugueacutees la solu-tion est alors pseudo-peacuteriodique A(t) = (λ cos(βt) + micro sin(βt))eαt

avec α et β respectivement partiesreacuteelle et imaginaire de la solution

A( )t

t

Portrait de phase drsquoun oscillateur amorti

Qgt1

2

Q=12

Q

lt12

A

Aw0

Oscillations forceacutees

d2 Adt2

+ω0

Q

dAdt

+ ω20A = E(t)

A grandeur physiqueω0 pulsation de lrsquooscillateur har-moniqueQ facteur de qualiteacute de lrsquooscilla-teurE(t) excitationSi lrsquoexcitation est sinusoiumldale onreacutesout une telle eacutequation en utili-sant la notation complexe et en po-sant A(t) = A0e

jωtIl ne peut y avoir reacutesonance que siQ gt 1

radic2

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 98

98 [2] Physique

35 Mouvement drsquoune particule chargeacutee

Force de Lorentz

FFF = q(EEE + vvv andBBB)

FFF force de Lorentzq charge de la particulevvv vitesse de la particuleBBB champ magneacutetiqueEEE champ eacutelectrique

Mouvement dans un champ magneacutetique stationnaire uniforme

R =

∣∣∣∣mv0qB

∣∣∣∣

ω =

∣∣∣∣qB

m

∣∣∣∣

Ces lois deacutecrivent la trajectoire cir-culaire drsquoune particule de masse met de charge q abandonneacutee dansun champ magneacutetique avec unevitesse vvv0 orthogonale au champmagneacutetique BBBR rayon de la trajectoireω vitesse angulaire de la parti-cule

Un champ magneacutetique ne fait que deacutevier une particule il ne lrsquoacceacutelegraverepas

Effet Hall

EEEHall = minusvvv andBBB

UHall =BI

nqℓ

EEEHall champ eacutelectrique creacuteeacute pareffet HallUHall diffeacuterence de potentiel quiapparaicirct aux bornes de la sondevvv vitesse des particulesBBB champ magneacutetiqueI intensiteacute du courant traversantla sonden densiteacute particulaireq charge de la particuleℓ largeur de la sonde

B

EHall

I l

+++++++

ndashndashndashndashndashndashndash

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 99

3 Meacutecanique du point 99

36 Systegravemes de deux points mateacuteriels

Systegraveme isoleacute de deux points mateacuterielsPour eacutetudier un systegraveme isoleacute de deux points mateacuteriels de masse m1 etm2 on eacutetudie le mouvement drsquoune particule eacutequivalente dans le reacutefeacute-

rentiel barycentrique et de masse micro =m1m2

m1 + m2situeacutee en un point M

tel que GMGMGM = M1M2M1M2M1M2 = rrr

GM1GM1GM1 =minusm2

m1 + m2M1M2M1M2M1M2

GM2GM2GM2 =m1

m1 + m2M1M2M1M2M1M2

(m1 + m2)vvv(G) = cstecstecste

mi masse de la particule se trou-vant en Mimicro masse reacuteduiteG centre de graviteacute du systegravemevvv(G) vitesse de ce centre de gra-viteacutevvvi vitesse de la particule se trou-vant en Mi

Conservation du moment cineacutetique

LLLO = mCCC

ppp = CsteCsteCste

Dans le cas drsquoun systegraveme isoleacute dedeux particules il y a conserva-tion du moment cineacutetique et de laquantiteacute de mouvementLLL moment cineacutetiqueP point fictif (repreacutesentant le mo-bile eacutequivalent)vvv(P) vitesse de ce pointm masse du systegravemeCCC constante des aires

Planeacuteiteacute de la trajectoire ndash Loi des aires

La trajectoire est plane et la vitesseareacuteolaire est constante

dAdt

=C

2laquo Pour des temps eacutegaux les airesbalayeacutees sont eacutegales raquo

v( )M

d aire balayeacuteependant dA

t

O

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 100

100 [2] Physique

Eacutenergie potentielle efficace

Elowastm =12micror2 + Epe f f = E0

Epe f f =microC2

2r2+ Epint (r)

Pour un systegraveme isoleacute de deuxpoint mateacuteriels il y a conserva-tion de lrsquoeacutenergie meacutecanique bary-centriqueElowastm eacutenergie meacutecanique barycen-triqueEpe f f eacutenergie potentielle efficaceEpint (r) eacutenergie potentielle inteacute-rieure

micro masse reacuteduite(

micro =m1m2

m1 + m2

)

r = M1M2C constante des aires

Formules de Binet

vvv = minusCdudθ

uuur + Cuuuuθ

aaa = minusC2u2

(d2 udθ2 + u

)uuur

u =1r

vvv vitesseaaa acceacuteleacuterationC constante des airesθ angle polaireuuur vecteur radialuuuθ vecteur orthoradial

Trajectoires newtonniennes en coordonneacutees polaires

r(θ) =p

1 + e cos(θminus θ0)

p paramegravetre de la coniquee excentriciteacute de la coniquee et θ0 sont deacutetermineacutes par lesconditions initiales

Lois de KeplerCes lois deacutecrivent les trajectoires des planegravetes en supposant le reacutefeacuteren-tiel de Kepler centreacute sur le soleil galileacuteen et les trajectoires des diffeacute-rentes planegravetes indeacutependantes1 Les orbites des planegravetes sont des ellipses ayant le soleil pour foyer2 La vitesse areacuteolaire est constante pour des temps eacutegaux les airesbalayeacutees sont eacutegales

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 101

4 Meacutecanique du solide 101

3 Le carreacute de la peacuteriode est proportionnelle au cube du grand axe

T2 =4π2a3

GMsoleil

4 Meacutecanique du solide

41 Cineacutematique du solide

Champ de vitesse du solide

vvv(A t) = vvv(B t) +ABABAB andΩΩΩ(t)

vvv vitesse du point du solideconsideacutereacuteΩΩΩ vecteur instantaneacute de rotationdu solide

Roulement sans glissement

vvvg S1S2= vvv(IS1 )minus vvv(IS2 ) = 000

vvv(ISk) vitesse du point appar-

tenant au solide Sk et coiumlncidentavec le point I de contact entre lesdeux solidesvvvg S1S2

vitesse de glissement deS1 par rapport agrave S2

Eacutenergie cineacutetique du solide

Ek =12mv2(G)︸ ︷︷ ︸translation

+12J∆Ω2

︸ ︷︷ ︸rotation propre

Ek eacutenergie cineacutetiquem masse du solidev(G) vitesse du centre drsquoinertieJ∆ moment drsquoinertie par rapportagrave lrsquoaxe de rotation instantaneacute dusolide dans le reacutefeacuterentiel barycen-triqueΩΩΩ vecteur vitesse de rotation ins-tantaneacute

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 102

102 [2] Physique

Moment drsquoinertie

Moment drsquoinertie par rapport agravelrsquoaxe ∆

J∆ =intintint

solider2 dm

Eacuteleacutements cineacutetiques L∆ = J∆Ω (Moment cineacutetique)Ek = 1

2 J∆Ω2 (Eacutenergie cineacutetique)D

W

r

Theacuteoregraveme drsquoHuygens

J∆ = JG + ma2

J∆ moment drsquoinertie par rapportagrave lrsquoaxe de rotationJG moment drsquoinertie par rapportagrave lrsquoaxe passant par G et parallegravele agrave∆

D

Wa

G

Quelques moments drsquoinertie classiques

D

R

D

R

h

D

l 2 l 2

sphegravere pleinehomogegravene de masse

m

cylindre pleinhomogegravene de masse

m

tige mincehomogegravene de masse

m

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 103

4 Meacutecanique du solide 103

J∆ =25mR2 J∆ =

12mR2 J∆ =

112

mℓ2

42 Theacuteoregravemes geacuteneacuteraux de la dynamique

Theacuteoregraveme du centre drsquoinertie

mdvvvGdt

= sumi

fffivvvG vitesse du centre drsquoinertie dusolidefffi force exteacuterieure appliqueacutee ausolide

Theacuteoregraveme du moment cineacutetique

dLLLO

dt= sum

i

OMOMOMi and fffi

LLLO moment cineacutetique du solideen O point immobilefffi force exteacuterieure appliqueacutee ausolideMi point drsquoapplication de la forcefi

Moment cineacutetique ndash Moment cineacutetique barycentrique

LLLB = LLLA +BABABA andmvvv(P)

LLLlowastsystegraveme = LLLG

LLL moment cineacutetiquem masse du solidevvv(P) vitesse du point PLLLlowastsystegraveme moment cineacutetique bary-centrique du solide

Theacuteoregraveme de Kœnig du moment cineacutetique

LLLA = LLLlowast +AGAGAG andmvvv(G)

LLL moment cineacutetiqueLLLlowast moment cineacutetique barycen-triquem masse du systegravemevvv(G) vitesse du centre de graviteacutedu solide

Theacuteoregraveme de lrsquoeacutenergie cineacutetique

dEkdt

= PextEk eacutenergie cineacutetiquePext puissance des forces exteacute-rieures appliqueacutees au solide

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 104

104 [2] Physique

Puissance des forces appliqueacutees agrave un solide

P = FFF middot vvv(G) +MMMG middotΩΩΩ

P puissance des forces appli-queacutees au solideFFF force reacutesultantevvv(G) vitesse du centre drsquoinertiedu solideMMM moment des forces exteacuterieuresen GΩΩΩ vecteur de rotation instantaneacuteedu solide

Theacuteoregraveme de Kœnig de lrsquoeacutenergie cineacutetique

Ek = Elowastk +12mv2(G)

Ek eacutenergie cineacutetiqueElowastk eacutenergie cineacutetique barycen-triquem masse du solidevvv(G) vitesse du centre drsquoinertiedu solide

Theacuteoregraveme de lrsquoeacutenergie meacutecanique

dEm

dt= Pext non cons

Em eacutenergie meacutecaniquePext non cons puissance des forcesexteacuterieures non conservatives

Liaison pivotPour une liaison pivot parfaiteM∆ = 0 ougraveM∆ est le moment desactions de contact

43 Contacts entre les solides

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 105

5 Optique 105

Roulement sans glissement

vvvg de S1S2= vvv(IS1 )minus vvv(IS2 ) = 000

vvv(ISk) vitesse du point appar-

tenant au solide Sk et coiumlncidentavec le point I de contact entre lesdeux solidesvvvg de S1S2

vitesse de glissementdu solide S1 par rapport au solideS2

N

T I

S1

S2

Lois de Coulomb1 La reacuteaction normale NNN est dirigeacutee vers lrsquoexteacuterieur du support2 Condition de roulement sans glissement

TTT lt fsNNNougrave TTT est la reacuteaction tangentielle ou force de frottement NNN la reacuteactionnormale et fs le coefficient de frottements statiques3 Srsquoil y a glissement TTT est dans la mecircme direction que la vitesse deglissement et de sens opposeacute Alors

TTT = fdNNNougrave fd est le coefficient de frottement dynamique souvent confonduavec fs

5 Optique

51 Geacuteneacuteraliteacutes

Propagation dans le vide drsquoune onde lumineuse

λ = cT =c

ν

λ longueur drsquoonde du signalc vitesse de la lumiegravere dans levideν freacutequence du signalT peacuteriode du signal

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 106

106 [2] Physique

Propagation dans un milieu transparent isotrope homogegravene

v =c

n

λ = vT =v

ν

v vitesse de la lumiegravere dans le mi-lieun indice du milieuT peacuteriode du signalν freacutequence du signal

Spectre

l (nm)

l (m)

f (Hz)

infrarougemicro ondes

ondes hertziennes

ultraviolet

rayons X

violet indigo bleu vert jaune orange rouge

vis

ible

10ndash9

400

1017

1016

1015

1014

1013

1012

1011

1010

10ndash8

450

10ndash7

480

10ndash6

530

10ndash5

590

10ndash4

620

10ndash3

700

10ndash2

52 Optique geacuteomeacutetrique

Loi de SnellndashDescartes

i2

i1 rn1

n2

n1 sin i1 = n2 sin i2

r = i1

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 107

5 Optique 107

Prisme

sin i1 = n sin r1

sin i2 = n sin r2

r1 + r2 = Ai1

A

D

r1

i2

n

r2

Deacuteviation du prisme

D = i1 + i2 minus A

Dm = 2 arcsin(n sin

A

2

)minus A

D deacuteviationA angle au sommet du prismeDm minimum de deacuteviationi angle drsquoincidence au minimumde deacuteviation

Approximation de GaussPour se placer dans lrsquoapproximation de Gauss il faut des faisceaux peuouverts et des angles drsquoincidence petits

Dioptre spheacuteriquen1pprimeminus n2

p=

n1 minus n2r

p abscisse du point objetpprime abscisse du point imageR = SC rayon algeacutebrique dudioptre

CS

n1 n2

I

r

Miroirs spheacuteriques

C S

I

r

CS

I

r

Miroir concave (R = SC lt 0) Miroir convexe (R = SC gt 0)

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 108

108 [2] Physique

Relation de conjugaison des miroirs spheacuteriques

1pprime

+1p

=2R

R rayon algeacutebrique du miroir(R lt 0 pour un miroir concave etR gt 0 pour un miroir divergent)pprime distance algeacutebrique de S aupoint imagep distance algeacutebrique de S aupoint objet

Miroir plan

pprime = minusp

pprime distance algeacutebrique de S aupoint imagep distance algeacutebrique de S aupoint objet

Lentilles minces

B

Brsquo

ArsquoA O FFrsquo

B

Brsquo

Arsquo

A OF

Frsquo

Lentille divergente Lentille convergente

Relation de conjugaison des lentilles minces

1pprimeminus 1

p=

1f prime

f prime distance focale de la lentille( f prime lt 0 pour une lentille diver-gente et f prime gt 0 pour une lentilleconvergente)pprime distance algeacutebrique du foyerau point imagep distance algeacutebrique du foyer aupoint objet

Relation de Descartes ndash Relation de Newton

f prime

pprime+

f

p= 1 f f prime = (pprime minus f prime)(pminus f )

(relation de Descartes) (relation de Newton)

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 109

5 Optique 109

Grandissement

γ =pprime

p

γ grandissementpprime distance algeacutebrique de O aupoint imagep distance algeacutebrique de O aupoint objet

53 Interfeacuterences lumineuses

Obtention drsquointerfeacuterencesOn ne peut obtenir drsquointerfeacuterences qursquoavec des rayons lumineux is-sus de deux sources coheacuterentes secondaires obtenues avec une seulesource par division ou du front drsquoonde ou de lrsquoamplitude

Chemin optique dans un milieu homogegravene isotrope

[SM] = c middot τSM

[SM] chemin optique de S agrave Mc vitesse de la lumiegravere dans levideτSM temps mis par le signal pourparcourir la distance SM

Diffeacuterence de marche

δ = [SP1M]minus [SP2M]δ diffeacuterence de marche[SPjM] chemin optique du rayonpassant par Pj

Vibration lumineuse

s(M) = s0 cos(ωtminusϕS minus 2π

λ [SM])

s(M) vibration lumineuse en MS0 amplitude de la vibrationω pulsation de la vibration lumi-neuseϕS phase de la vibration agrave lasourceλ longueur drsquoonde[SM] chemin optique de S agrave M

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 110

110 [2] Physique

Vibration complexe

s(M) = S0ei(ωtminusϕs)eminus

2iπλ

[SM]

s(M) vibration lumineuse com-plexe en MS0 amplitude de la vibrationω pulsation de la vibration lumi-neuseϕS phase de la vibration agrave lasourceλ longueur drsquoonde[SM] chemin optique de S agrave M

Plan drsquoondeOn appelle plan drsquoonde un plan ougrave tous les points sont dans le mecircmeeacutetat vibratoire

Theacuteoregraveme de MalusLes rayons lumineux sont perpendiculaires en tout point aux surfacesdrsquoondes

Eacuteclairement

E(M) = αs2(M)

E(M) =12αs(M)slowast(M)

E(M) eacuteclairement au point Mα = cε0 une constante positive(E est en fait le vecteur de Poytingvoir cours drsquoeacutelectromagneacutetisme)s(M) vibration lumineuse en Ms(M) vibration lumineuse com-plexe en M

Interfeacuterences

E(M) = 2E0(1 + cos∆ϕ(M))

E(M) eacuteclairementE0 eacuteclairement de la source∆ϕ(M) deacutephasage en MLrsquoeacutecran est brillant si ∆ϕ = 2kπk isin ZLrsquoeacutecran est noir si ∆ϕ = (2k + 1)

π

2 k isin Z

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 111

5 Optique 111

Ordre drsquointerfeacuterence

p =∆ϕ

2π=

δ

λ

p ordre drsquointerfeacuterence∆ϕ deacutephasage en Mδ diffeacuterence de marcheλ longueur drsquoondeLrsquoeacutecran est brillant si p isin Z

Lrsquoeacutecran est sombre si p isin Z +12

Contraste

C =Emax minus Emin

Emax + Emin

C contrasteEmax eacuteclairement maximumEmin eacuteclairement minimum

Trous drsquoYoung

M x( )

x

a

D

S

δ(x) =ax

D(diffeacuterence de marche)

E(x) = 2E0

(1 + cos

2πλ

ax

D

)

i =λD

a(interfrange)

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 112

112 [2] Physique

54 Interfeacuteromegravetre de Michelson

Scheacutema

miroir M2

miroir M1seacuteparatrice SP

source S

Scheacutemas eacutequivalents avec une source ponctuelleCoin drsquoair Lame drsquoair

M2

M1

M1rsquo

SP

M x y( )

S1

S2

S

y

x

eM2

M1

M1rsquo

SP

S

y

x

M x y( )

a

S1 S2

Source ponctuelle ndash Source eacutetendueDans la suite nous consideacutererons que lrsquointerfeacuteromegravetre est eacuteclaireacute avecune source eacutetendue les interfeacuterences sont localiseacutees agrave lrsquoinfini (ob-servables dans le plan focal image drsquoune lentille convergente) alorsqursquoelles sont deacutelocaliseacutees avec une source ponctuelle

Lame drsquoair

δ = 2e cos iδ diffeacuterence de marchei angle drsquoincidencee laquo eacutepaisseur raquo entre les miroirs

e

i

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 113

5 Optique 113

Figure drsquointerfeacuterence

rn

rn =

radicλ f prime

e

radicn

Par symeacutetrie des anneauxrn rayon du ne anneauλ longueur drsquoondee laquo eacutepaisseur raquo entre les miroirsf prime distance focale de la lentille uti-liseacutee pour lrsquoobservation(valable si le centre de la figuredrsquointerfeacuterence est brillant)

Coin drsquoair

δ = 2αxδ diffeacuterence de marcheα angle entre les deux miroirs(quelques dixiegravemes de degreacutes)x abscisse du point du miroirconsideacutereacute

x

O

a

Figure drsquointerfeacuterence

i

i =λγ

Par symeacutetrie des frangesi interfrangeλ longueur drsquoondeα angle entre les deux miroirsγ grandissement de la lentille uti-liseacutee pour lrsquoobservation

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 114

114 [2] Physique

Source eacutemettant un doublet

E(e) = 4E0

(1 +V(e) cos

(4πeλ0

))

V(e) = cos

(2π

δλ

λ20e

)

On observe des battements

E

e

Luminance

Entre les freacutequences ν et ν + dν lasource eacutemet

dE = L(ν) dν

L( )n

n

dn

n2n1

Source agrave raie spectrale

E(e) = 4E0

(1 +V(e) cos

(4πeλ0

))

V(e) = sinc

(2π

δλ

λ20e

)

E

e

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 115

5 Optique 115

55 Autres dispositifs drsquointerfeacuterences

Le FabrymdashPeacuterotS

e

i

Le FabryndashPeacuterot permet de reacutealiser des interfeacuterences entre une infiniteacutedrsquoondes il est donc drsquoune tregraves grande preacutecision

Expression de lrsquoeacuteclairement drsquoun FabryndashPeacuterot

E(Φ) =E0

1 + 4r2(1minus r2)2

sin2(

Φ2

)

Φ =4πeλ0

cos i

F =4r2

(1minus r2)2 finesse

E

F2p 4p

Miroirs de Fresnel

miroir M2

miroir M1

sourceS

zonedrsquointerfeacuterence

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 116

116 [2] Physique

Expression de lrsquoeacuteclairement des miroirs de Fresnel

E(x) =E0

2

(1 + cos

(2πδ

λ

))

δ =2dαd + D

α angle entre les miroirsx abscisse drsquoun point de lrsquoeacutecrand distance entre la source et lrsquoar-recircte des miroirsD distance entre lrsquoarrecircte des mi-roirs et lrsquoeacutecranλ longueur drsquoonde

56 Diffraction des ondes lumineuses

Principe drsquoHuygensndashFresnelQuand une onde lumineuse traverse une ouverture (Σ) qui la limite pour deacutecrire lrsquoonde diffracteacutee au delagrave de (Σ) on suppose que chaquesurface eacuteleacutementaire (dΣ) autour du point courant P de (Σ) reacuteemet verslrsquoavant une ondelette spheacuterique ndash de mecircme freacutequence que lrsquoonde incidente ndash en phase en P avec lrsquoonde incidente ndash drsquoamplitude proportionnelle agrave celle de lrsquoonde incidente et agrave (dΣ)Crsquoest la superposition de ces ondelettes qui deacutecrit lrsquoonde diffracteacutee

Conditions de FraunhoferOn observe la diffraction agrave lrsquoinfini (crsquoest-agrave-dire agrave une distance tregravesgrande devant les dimensions de lrsquoobjet diffractant ou mieux au foyerobjet drsquoune lentille convergente)

Montage de la diffraction agrave lrsquoinfini

sourcedans le

plan focalobjet de ( )

S

L0

M

u

u0

lentille( )L0

lentille( )L

objetdiffractant

eacutecran( ) dans le planfocal image de ( )E

L

S

P

O

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 117

5 Optique 117

Formulation pratique du principe drsquoHuygensndashFresnel

s(M t) = kS0ei(ωtminus 2π

λ[SOM])

intint

PisinΣt(P)ei

π

λnOPOPOP(uuuminusuuu0) dΣ

k constante de FraunhoherS0 amplitude de la vibration lumineuset(P) transparence de lrsquoobjet diffractantn indice du milieu (supposeacute homogegravene)λ longueur drsquoonde de la lumiegravere utiliseacutee

Diffraction par une ouverture rectangulaire

S

M XY( )

f

X

Y

ua

b

( )L0 ( )L

S

O

E(XY) = k2S20a2b2 sinc2

(πaX

λ f

)sinc2

(πbY

λ f

)

k constante de Fraunhofera longueur de la fenteb largeur de la fentef distance focale de la lentille utiliseacutee pour lrsquoobservationλ longueur drsquoonde de la lumiegravere utiliseacuteeOn suppose ici que t(P) = 1 en tout point de lrsquoouverture et que cettemecircme ouverture est plongeacutee dans un milieu drsquoindice uniforme 1

tache centrale

1 zeacuteroer

2 zeacuteroe

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 118

118 [2] Physique

Diffraction par un motif circulaire

La majoriteacute de la lumiegravere est dans un disque de rayon angulaire

θ = 0 61λ

r(tache drsquoAiry) ougrave θ est le rayon angulaire du premier an-

neau sombreCritegravere de seacuteparation de Rayleigh deux taches lumineuses sont seacutepa-reacutees si leur centres sont distincts de plus du rayon de la tache drsquoAiry

Diffraction par un objet opaque

On obtient la mecircme figure agrave lrsquoeacutecran que pour une ouverture de lamecircme forme si ce nrsquoest que le centre est tregraves brillant

6 Eacutelectromagneacutetisme

61 Eacutelectrostatique

Symeacutetries du champ eacutelectriqueLe champ EEE est symeacutetrique par rapport aux plans de symeacutetrie descharges et antisymeacutetrique par rapport aux plans drsquoantisymeacutetrie descharges

Champ et potentiel creacuteeacutes par une charge fixe

q

M

u

r

E(M)

V(M) =q

4πε0r

EEE(M) =q

4πε0r2uuu

EEE = minusgradV

q charge ponctuelle fixeε0 permeacuteabiliteacute du vider distance entre le point M et lachargeEEE(M) champ eacutelectrique en MV(M) potentiel eacutelectrique en M

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 119

6 Eacutelectromagneacutetisme 119

Distribution discregravete ndash Distribution continueDistribution discregravete Distribution continue

EEE(M) = sumi

14πε0

qir2iuuui EEE(M) =

intintint 14πε0

ρ

r2uuu dτ

qi charge ponctuelle situeacutee en riε0 permittiviteacute du vide

ρ densiteacute de chargeε0 permittiviteacute du vide

Eacutequation de Poisson

∆V +ρ

ε0= 0

Eacutequation veacuterifieacutee par le potentieleacutelectrique en reacutegime permanentV potentiel eacutelectriqueρ densiteacute de chargeε0 permittiviteacute du vide

Theacuteoregraveme de Gauss

intcopyint

EEE(M)nnn dS =Qint

ε0

EEE(M) champ eacutelectrique au pointMnnn normale en M agrave la surfaceQint charges inteacuterieures agrave la sur-face fermeacuteeε0 permittiviteacute du vide

Theacuteoregraveme de Gauss pour la gravitation

intcopyint

GGG(M)nnn dS = minus4πGMint

GGG(M) champ de gravitation aupoint Mnnn normale en M agrave la surfaceMint masse inteacuterieure agrave la surfacefermeacuteeG constante universelle de gravi-tation

Champ eacutelectrique creacuteeacutes par un plan infini

EEE(M) = plusmn σ

2ε0uuuz

+ si z gt 0minus si z lt 0

EEE(M) champ eacutelectrique creacuteeacute en Mpar le planσ charge surfaciqueε0 permittiviteacute du videuuuz vecteur normal agrave la surface

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 120

120 [2] Physique

Condensateur plan

EEE = 0 agrave lrsquoexteacuterieur

EEE =σ

ε0uuuz agrave lrsquointeacuterieur

EEE champ eacutelectriqueσ charge surfaciqueε0 permittiviteacute du videOn deacutefinit la capaciteacute C ducondensateur

C =ε0S

e

S surface des armaturese distance entre les armatures

Dipocircle eacutelectrostatique

ppp = qNPNPNP

V(M) =p cos θ

4πε0r2=

ppp middotOMOMOM

4πε0OM3

EEE = minusgradV

q charge positiveN barycentre des charges neacutega-tivesP barycentre des charges posi-tivesppp moment dipolaireV(M) potentiel eacutelectrique du di-pocircleEEE champ eacutelectrique

q

N O P

u

r

E(M)

lignes de champeacutequipotentielles

Eacutenergie potentielle ndash Moment subi dans un champ exteacuterieur

Ep = minusppp middotEEEext(M)

M = ppp andEEEext(M)

Ep Eacutenergie potentielleM moment reacutesultant des forceseacutelectriquesppp moment dipolaireEEEext champ eacutelectrique auquel estsoumis le dipocircle

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 121

6 Eacutelectromagneacutetisme 121

62 Magneacutetostatique

Symeacutetries du champ magneacutetiqueLe champs BBB est symeacutetrique par rapport aux plans drsquoantisymeacutetrie descourants et symeacutetrique par rapport aux plans drsquoantisymeacutetrie des cou-rants

Loi de Biot et Savart

dBdBdB(M) =micro0dCdCdC(P)

4πr2anduuuPM

dC

M

P

uPM

r

dCdCdC =

I dl pour un circuit filiformeqvvv pour une charge ponctuellejjj dτ pour un courant volumiquejjjS dS pour un courant surfacique

dBdBdB champ magneacutetique creacuteeacute parlrsquoeacuteleacutement de courant dCdCdCdCdCdC eacuteleacutement de courantmicro0 permeacuteabiliteacute du vider distance du point courant aupoint M

q charge ponctuellejjjS vecteur courant surfaciquejjj vecteur courant

Theacuteoregraveme drsquoAmpegravere

∮BBB(M) middotdldldl = micro0 Ienlaceacutee

BBB(M) champ magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du videIenlaceacutee intensiteacute enlaceacutee par lacourbe fermeacutee drsquoAmpegraveredldldl choisi en accord avec lrsquoorienta-tion de lrsquointensiteacute

Champ magneacutetique creacuteeacute par une spire circulaire

BBB(M) =micro0 I

2Rsin3 αeeez

z

P

RM

B(M)

I

a

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 122

122 [2] Physique

Champ magneacutetique agrave lrsquointeacuterieur un soleacutenoiumlde infini

BBB = micro0nIeeez

BBB = micro0 jSeeez

BBB champ agrave lrsquointeacuterieur du soleacute-noiumlden nombre de spires par uniteacute delongueurI intensiteacute du courantjS courant surfaciqueeeez vecteur directeur sur lrsquoaxe dusoleacutenoiumlde orienteacute par le sens ducourantmicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Moment magneacutetique drsquoune spire

mmm = ISnnn

mmm moment magneacutetique de laspireS surface de la spireI intensiteacute parcourant la spirennn normale agrave la spire dirigeacutee par lesens du courant

Eacutenergie potentielle ndash Moment magneacutetique

Ep = minusmmm middotBBB

M = mmm andBBB

Ep eacutenergie potentielle magneacute-tiquemmm moment de force exerceacute sur laspireBBB champ magneacutetique auquel estsoumis la spiremmm moment magneacutetique de laspire

Force de Laplace

dfdfdf = dCdCdC andBBBdfdfdf force eacuteleacutementairedCdCdC eacuteleacutement de courantBBB champ magneacutetique

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 123

6 Eacutelectromagneacutetisme 123

63 Eacutequations de Maxwell dans le vide

Vecteur courant

jjj = npqvvv = ρvvv

jjjS = σ vvv

jjj vecteur courantjjjS vecteur de courant surfaciquevvv vitesse des porteurs de chargenp densiteacute particulaire de porteursq charge drsquoun porteurρ densiteacute volumique de chargeσ densiteacute surfacique de charge

Eacutequation de conservation de la charge

div j +partρ

partt= 0

jjj vecteur courantρ charge volumique

Eacutequations de Maxwell

div E =ρ

ε0

rot E = minus partBBBpartt

div B = 000

rot B = micro0jjj + micro0ε0partEEEpartt

Ces eacutequations portent les noms res-pectifs de ndash MaxwellndashGaussndash MaxwellndashFaradayndash sans nomndash MaxwellndashAmpegravere

Le terme ε0partEEEpartt

est appeleacute courant

de deacuteplacementEEEBBB champs eacutelectrique et magneacute-tiquejjj vecteur densiteacute de courantρ charge volumiqueε0 micro0 permittiviteacute et permeacuteabiliteacutedu vide

SuperpositionLes eacutequations de Maxwell sont lineacuteaires toute combinaison lineacuteairede solutions est encore une solution

Puissance des forces eacutelectromagneacutetiques

dP = jjjEEE dτ

dP puissance eacuteleacutementaire par uniteacutede volume dτjjj vecteur courantEEE champ eacutelectrique

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 124

124 [2] Physique

Densiteacute drsquoeacutenergie eacutelectromagneacutetique

Wem =ε0E

2

2+

B2

2micro0

Wem eacutenergie eacutelectromagneacutetiqueE champ eacutelectriqueB champ magneacutetiqueε0 permittiviteacute du videmicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Vecteur de Poynting

ΠΠΠ =EEE andBBB

micro0

ΠΠΠ vecteur de PoyntingEEE champ eacutelectriqueBBB champ magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Theacuteoregraveme de Poynting forme locale

minus partpartt

(ε0E

2

2+

B2

2micro0

)= jjjEEE + div

(EEE andBBB

micro0

)

La perte drsquoeacutenergie eacutelectromagneacutetique est due agrave lrsquoeffet Joule et au rayon-nement du vecteur de Poynting

Potentiel vecteur

BBB = rot A

AAA(M) =micro0

int

circuit

i middotdldldlr

AAA potentiel vecteurBBB champ magneacutetiquei intensiteacute dans le circuit filiformer distance du point M au point cou-rant du circuitmicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Expression geacuteneacuterale du champ eacutelectrique

EEE = minusgradV minus partAAApartt

EEE champ eacutelectriqueV potentiel eacutelectriqueAAA potentiel vecteur

Jauge de Lorentz

div A + micro0ε0partVpartt

= 0

AAA potentiel vecteurV potentiel eacutelectriqueε0 permittiviteacute du videmicro0 permeacuteabiliteacute du videCette jauge permet de fixer le poten-tiel V

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 125

6 Eacutelectromagneacutetisme 125

Relations de passage

E2t = E1t

EEE2n minusEEE1n =σ

ε0nnn1rarr2

BBB2t minusBBB1t = micro0jjjS andnnn1rarr2

B2n = B1n

EEEin composante normale duchamp EEEiBBBit composante tangentielle duchamp BBBiσ charge surfaciquejjjS vecteur densiteacute de courant surfa-ciquennn1rarr2 normale agrave la surfaceε0 permittiviteacute du videmicro0 permeacuteabiliteacute du vide

64 Conduction meacutetallique

Loi drsquoOhm locale

jjj = γEEEjjj vecteur courantEEE champ eacutelectriqueγ conductiviteacute

Loi drsquoOhm globale

int B

AEEE middotdldldl = RAB middot I

EEE champ eacutelectriqueI intensiteacute circulant dans le circuit

R =ℓ

γS reacutesistance drsquoun circuit de

longueur ℓ et de section S

Proprieacuteteacutes locales des champs dans les meacutetaux1 ρ = 0 les charges sont surfaciques

2 f ≪ 1017Hz =rArr∥∥∥∥ε0

partEEEpartt

∥∥∥∥≪ jjjconduction3 En haute freacutequence les courants sont surfaciques (sur une eacutepaisseur

dite eacutepaisseur de peau δ =

radic2

micro0γω)c copy

Duno

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 126

126 [2] Physique

65 Induction dans un circuit fixe avec BBB variable

Force eacutelectromotrice

eAB =int B

A

(minus partAAA

parttmiddotdldldl)

eAB forceacute eacutelectromotriceAAA potentiel vecteur

Diffeacuterence de potentiel

V(B)minusV(A) = eAB minus RABi

eAB force eacutelectromotriceV(B) minus V(A) diffeacuterence de po-tentiel entre les points A et BRAB reacutesistance du circuit ABi intensiteacute du courant circulantdans le circuit

Flux de BBB agrave travers le circuit

Φ =intint

circuitBBB middotnnn dS

Φ flux de BBB agrave travers le circuitBBB champ magneacutetiquennn normale nnn au circuit compatibleavec le sens du courant

Loi de Faraday

ecircuit = minus partΦ

partt

Φ le flux de BBB agrave travers le circuitecircuit la force eacutelectromotrice ducircuit

Loi de LenzLes conseacutequences des pheacutenomegravenes drsquoinduction srsquoopposent toujoursaux causes qui leur ont donneacute naissance En terme de flux cela signifieque si le flux du champ magneacutetique varie lrsquoinduction va produire unchamp magneacutetique qui tendra agrave compenser cette variation de flux

Auto inductance drsquoun circuit

Φ = LiΦ flux de BBB agrave travers le circuitL coefficient drsquoauto inductancedu circuiti intensiteacute dans le circuit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 127

6 Eacutelectromagneacutetisme 127

Mutuelle inductance drsquoun circuit

Φ1rarr2 = Mi1

Φ2rarr1 = Mi2

Φirarr j flux du champ BBB induit parle circuit i agrave travers le circuit jik courant dans le circuit kM coefficient de mutuelle induc-tance

Flux total

Φ1 = Li1 + Mi2

Φ1 flux de BBB agrave travers le circuit 1L coefficient drsquoauto inductanceM coefficient de mutuelle induc-tanceik intensiteacute dans le circuit k

Eacutenergie magneacutetique

Wem =Li212

+ Mi1i2

Wem eacutenergie eacutelectromagneacutetiquestockeacutee dans le circuitL coefficient drsquoauto inductanceM coefficient de mutuelle induc-tanceik intensiteacute dans le circuit k

Proprieacuteteacutes du transformateur ideacuteal

1u2(t)

u1(t)=

N2

N1

2 Si le secondaire est en court-circuit alors∣∣∣∣i2i1

∣∣∣∣ =N1

N2

3 Le rapport de puissance du primaire au secondaire est de 100

4 On a Rvue du primaire =

(N1

N2

)2Rchargec copy

Duno

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 128

128 [2] Physique

66 Induction dans un circuit mobile soumis agrave BBB stationnaire

Changement de reacutefeacuterentiel

BBBprime = BBB

EEEprime = EEE︸︷︷︸minusgradV

+vvv andBBB

jjjsol = jjjcond

BBBprime champ magneacutetique dans le reacutefeacute-rentiel du conducteurBBB champ magneacutetique dans le reacutefeacute-rentiel du solEEEprime champ eacutelectrique dans le reacutefeacute-rentiel du conducteurEEE champ eacutelectrique dans le reacutefeacuteren-tiel du solvvv vitesse du conducteur par rap-port au soljjjsol vecteur densiteacute de courant dansle reacutefeacuterentiel lieacute au soljjjcond vecteur densiteacute de courantdans le reacutefeacuterentiel du conducteur

Champ eacutelectromoteur

EEEm = vvv andBBBEEEm champ eacutelectromoteurvvv vitesse du conducteurBBB champ magneacutetique

Force eacutelectromotrice

eAB =int B

A(vvv andBBB) middotdldldl

V(B)minusV(A) = eAB minus RABi

eAB force eacutelectromotrice du circuitRAB reacutesistance du circuiti intensiteacute du circuitvvv vitesse du conducteurBBB champ magneacutetiqueV(M) potentiel au point M

Loi de Faraday

e = minusdΦ

dte force eacutelectromotriceΦ flux de BBB agrave travers le circuit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 129

6 Eacutelectromagneacutetisme 129

67 Mateacuteriaux magneacutetiques

Aimantation

dmmm = MMMdτMMM aimantationmmm moment magneacutetique

Courants drsquoaimantation

jjjaimantation = rot M

jjjS aimantation = MMM andnnn

jjjaimantation vecteur courant drsquoai-mantationjjjS aimantation vecteur courant surfa-cique drsquoaimantationMMM aimantationnnn normale agrave la surface

Excitation magneacutetique

HHH =BBBmicro0minusMMM

BBB = micro0 (HHH +MMM)

HHH excitation magneacutetiqueBBB champ magneacutetiqueMMM aimantationmicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Eacutequation de Maxwell ndash Ampegravere en ARQS

rot H = jjjconductionHHH excitation magneacutetiquejjjconduction vecteur courant deconduction

Aimantation des mateacuteriaux lineacuteaires

MMM = χmHHHMMM aimantationHHH excitation magneacutetiqueχm susceptibiliteacute magneacutetique

Diffeacuterentes cateacutegories de mateacuteriaux magneacutetiques

ndash diamagneacutetiques χm sim minus10minus5 lt 0ndash paramagneacutetiques χm sim 10minus4 gt 0ndash ceux pour lesquels χm ≪ 1 qui ne sont pas lineacuteaires

c copyDuno

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 130

130 [2] Physique

Champ magneacutetique dans les mateacuteriaux lineacuteaires

BBB = micro0microrHHH

micror = 1 + χm

BBB champ magneacutetiqueHHH excitation magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du videmicror permeacuteabiliteacute relativeχm susceptibiliteacute magneacutetique

Diamagneacutetiques

χm = minusnmicro0Ze2

6melt r2 gt

χm susceptibiliteacute magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du viden densiteacute particulaireZ charge du noyaue charge eacuteleacutementaireme masse de lrsquoeacutelectronlt r2 gt distance moyenne de lrsquoeacutelec-tron au noyau

Paramagneacutetiques

χm =nmicro0m

2

3kT

χm susceptibiliteacute magneacutetiquen densiteacute particulairemicro0 permittiviteacute du videm moment magneacutetiquek constante de BoltzmannT tempeacuterature

Aimantation cycle drsquohysteacuteresis

M aimantationH excitation magneacutetiqueMr aimantation reacutemanenteHc champ coercitif

Dispositif de mesure de HHH et de BBB

RRC

e t( ) u2

u1

~

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 131

7 Ondes 131

H(t) =N1

ℓRu1(t)

B(t) =RC

N2Su2(t)

H valeur de lrsquoexcitation magneacute-tiqueB valeur du champ magneacutetiqueN1 nombre de spires du primaireN2 nombre de spires du secondaireℓ longueur du toreS section du tore

7 Ondes

71 Oscillateurs coupleacutes

Couplage par un ressort

K km m

x1 x2

K mx1 = minusk(x1 minus x2)minus Kx1 (1)

mx2 = minusk(x2 minus x1)minus Kx2 (2)

ReacutesolutionDans ces cas simples on combine lineacuteairement les eacutequations (1) et (2)

s = (1) + (2)

d = (1)minus (2)

s + ω2s s = 0

d + ω2dd = 0

Modes propres

ωs =

radicK

mωd =

radic2k + K

m

Le systegraveme drsquooscillateurs coupleacutes vibre uniquement agraveωs si d = 0 crsquoest-agrave-dire si les oscillateurs sont lanceacutes en phaseLe systegraveme drsquooscillateurs coupleacutes vibre uniquement agraveωd si s = 0 crsquoest-agrave-dire si les oscillateurs sont lanceacutes en opposition de phase

c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 132

132 [2] Physique

BattementsSi le couplage est fort et que lrsquoon eacutecarte un seul oscillateur de lrsquoeacutequi-libre on observe un pheacutenomegravene de battements

x

t

ReacutesonanceSi on force lrsquooscillateur agrave osciller on observera aux pulsations ωs et ωddes reacutesonances

x

wws wd

72 Eacutequation de drsquoAlembert - Ondes stationnaires

Eacutequation de drsquoAlembert

∆F =1c2

part2Fpartt2

F(rrr t) une grandeur physique quiveacuterifie lrsquoeacutequation de drsquoAlembertc vitesse de propagation de lrsquoonde∆ laplacien

Solutions de lrsquoeacutequation de drsquoAlembert agrave une dimension

F(x t) = f(tminus x

c

)+ g

(t +

x

c

) f partie onde progressive de la so-lutiong partie onde reacutegressive de la solu-tion

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 133

7 Ondes 133

Onde stationnaire

F(rrr t) = f (r)g(t)Dans le cas drsquoune onde stationnaireil y a deacutecouplage entre le temps et lerepeacuterage spatial

Onde plane progressive harmonique (OPPH)

F = F0 cos (ωtminus kkk middotOMOMOM)

F = F0ei(ωtminuskkkmiddotOMOMOM)

kkk =ω

cuuu

Ces notations sont intrinsegraveques agravelrsquoOPPHF la grandeur physique qui deacutecritlrsquoondekkk vecteur drsquoonde donnant la direc-tion de propagationOMOMOM vecteur positionuuu vecteur unitaire selon la direc-tion de propagationω pulsation de lrsquoondec vitesse de propagation de lrsquoonde

Onde plane progressive harmonique notation complexe

partmiddotpartt

= iωmiddot

nablamiddot = minusikmiddot

Lorsqursquoon utilise la notationcomplexe les opeacuterateurs usuelsprennent des formes tregraves simples

Onde sur une file drsquoatomes ndash Onde sur une corde

part2ξn

partx2=

1c2

part2ξn

partt2

c =

radicka2

m

part2ypartx2

=1c2

part2ypartt2

c =

radicT0ρl

ξn le deacuteplacement du ne atomek constante de raideur des res-sortsa distance au repos entre deuxatomesm masse drsquoun atome

y ordonneacutee du pointT0 tension au repos de la cordeρl masse lineacuteique de la cordec copy

Duno

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 134

134 [2] Physique

73 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans le vide

Eacutequations de propagation des champs

∆EEE =1c2

part2EEEpartt2

∆BBB =1c2

part2BBBpartt2

c =1radic

ε0micro0

EEE champ eacutelectriqueBBB champ magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du videε0 permittiviteacute du vide

Vecteur drsquoonde drsquoune OPPH

kkk = kuuu

k =ω

c=

2πλ

kkk vecteur drsquoondeuuu vecteur unitaire directeurω pulsation de lrsquoondeλ longueur drsquoonde de lrsquoondec vitesse de propagation delrsquoonde

Champs transverses

div E = 0 = minusikkkEEE

div B = 0 = minusikkkBBB

kkk vecteur drsquoondeEEE champ eacutelectriqueBBB champ magneacutetiqueEEE et BBB sont orthogonaux agrave la di-rection de propagation

Relation de dispersion ndash Relation de structure

k =ω

cBBB =

kkkωandEEE

Repreacutesentation du champ eacutelectromagneacutetique dans le vide

z

E

B

x

y

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 135

7 Ondes 135

Polarisation

ndash elliptique

EEE(z = 0 t) =

(E0x cosωtE0y cos(ωt + ϕ)

)x

y

EOy

Eox

Egauch

e

droi te

ndash circulaire

EEE(z = 0 t) =

(E0 cosωtE0 sinωt

)

ndash rectiligne

EEE(z = 0 t) =

(E0x cosωtE0y cosωt

)x

EOy

Eox

E

y

Lames agrave retard

Une lame 14 drsquoonde deacutephase deπ2ndash une onde polariseacutee rectilignementressort de ce type de lame polariseacuteeelliptiquementndash une onde polariseacutee elliptiquementressort de ce type de lame polariseacuteerectilignement

Une lame 12 drsquoonde deacutephase deπndash une onde polariseacutee ellipti-quement droite ressort elliptiquegauche de ce type de lamendash une onde polariseacutee rectiligne-ment ressort symeacutetrique par rap-port agrave son axe lent de ce type delamec copy

Duno

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 136

136 [2] Physique

Vecteur de Poynting

ΠΠΠ = EEE and BBBmicro0

=E2

micro0cuuu =

εB2

cuuu

ΠΠΠ = EEE and BBBlowast

micro0

ΠΠΠ vecteur de PoyntingEEE champ eacutelectriqueBBB champ magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Rayonnement dipolaire

M

uq

ur

p

uj

q

jx

z

y

r

O

BBB =micro0 sin θ

4πrcp(tminus r

c

)uuuϕ

EEE =micro0 sin θ

4πrp(tminus r

c

)uuuθ

BBB champ magneacutetiqueEEE champ eacutelectriquep moment dipolairemicro0 permeacuteabiliteacute du videc vitesse de la lumiegravere dans levide

Puissance rayonneacutee en reacutegime sinusoiumldal

ltPgt=micro0p

20ω

4

12πc

p = p0 cos(ω0t + ϕ)

lt P gt puissance moyennerayonneacuteep moment dipolairec vitesse de la lumiegravere dans levidemicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 137

7 Ondes 137

74 Dispersion ndash Absorption

Relation de dispersion

k(ω) = kprime(ω) + ikprimeprime(ω)

k(ω) vecteur drsquoondekprime(ω) partie reacuteelle du vecteurdrsquoondekprimeprime(ω) partie imaginaire du vecteurdrsquoondeω pulsation de lrsquoonde

Vitesse de phase ndash Vitesse de groupe

vϕ =ω

kprime

vg =partω

partkprime

vϕ vitesse de phasevg vitesse de groupeω pulsation de lrsquoondekprime partie reacuteelle du vecteur drsquoondevϕ est la vitesse de propagation delrsquoamplitude et vg est en geacuteneacuteral lavitesse de propagation de lrsquoeacutener-gie

Absorption

δ =1|kprimeprime|

δ profondeur caracteacuteristique delrsquoabsorptionkprimeprime partie imaginaire du vecteurdrsquoonde

Repreacutesentation du champ eacutelectromagneacutetique dans les meacutetaux

z

E

B

x

y

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 138

138 [2] Physique

75 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans les milieux mateacuteriels

Polarisation

PPP =dpppdτ

ρp = minusdiv P

jjjp =partPPPpartt

ppp moment dipolairePPP polarisationρp charges dues agrave la polarisationjjjp vecteur courant de polarisation

Aimantation

MMM =dmmmdτ

jjja = rot M

mmm moment magneacutetiqueMMM aimantationjjja vecteur courant drsquoaimantation

Vecteurs HHH et DDD

HHH =BBBmicro0minusMMM

DDD = ε0EEE +PPP

HHH vecteur excitation magneacutetiqueBBB champ magneacutetiqueDDD vecteur DEEE champ eacutelectriqueMMM aimantationPPP polarisationmicro0 permeacuteabiliteacute du videε0 permittiviteacute du vide

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 139

7 Ondes 139

Milieux lineacuteaires

PPP = χeEEE

DDD = εrε0EEE

εr = 1 + χe

MMM = χmHHH

BBB = micrormicro0HHH

micror = 1 + χm

HHH vecteur excitation magneacutetiqueBBB champ magneacutetiqueDDD vecteur DMMM aimantationPPP polarisationEEE champ eacutelectriquemicro0 permeacuteabiliteacute du videmicror permeacuteabiliteacute relativeε0 permittiviteacute du videεr permittiviteacute relativeχe susceptibiliteacute eacutelectrique du mi-lieuχm susceptibiliteacute magneacutetique dumilieu

Eacutequations de Maxwell dans les milieux

div D = ρlibre

rot E = minus partBBBpartt

div B = 0

rot H = jjj +partDDDpartt

DDD vecteur DEEE champ eacutelectriqueBBB champ magneacutetiquejjj vecteur courant vraiρlibre densiteacute de charges libres

Relation de dispersion ndash Indice

k2 = εrω2

c2

n =radic

εr

vϕ =c

n

k vecteur drsquoondeεr permittiviteacute relativeω pulsation de lrsquoondec vitesse de la lumiegravere dans le viden indice du milieu(En utilisant ici comme dans les cascourants lrsquoapproximation micror sim 1)c copy

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 140

140 [2] Physique

Reacuteflexion ndash Transmission

r =n1 minus n2n1 + n2

t =2n1

n1 + n2

R = r2 =

(n1 minus n2n1 + n2

)2

T = t2 =

(2n1

n1 + n2

)2

R + T = 1

r coefficient de reacuteflexion en ampli-tudet coefficient de transmission en am-plitudeR coefficient de reacuteflexion eacutenergeacute-tiqueT coefficient de transmission eacutener-geacutetiquen1 indice du milieu de lrsquoonde inci-denten2 indice du milieu de lrsquoondetransmiseR + T = 1 traduit la conservationeacutenergeacutetique

Un changement de milieu donne naissance agrave ndash une onde progressive (onde transmise)ndash une onde reacutegressive (onde reacutefleacutechie)

Relation de continuiteacute sur la seacuteparation de deux dieacutelectriques

B2B2B2 = B1B1B1

EEE2 t = EEE1 t

εr 2EEE2 n = εr 1EEE1 n

(loi de SnellndashDescartes)

On indice par 1 les grandeurs dumilieu de lrsquoonde incidente et par 2les grandeurs du milieu de lrsquoondetransmiseLe champ magneacutetique comme lacomposante tangentielle du champeacutelectrique est continue agrave la surfacedrsquoun dieacutelectriqueLe comportement de la composantenormale du champ eacutelectrique estdeacutecrite par la loi de SnellndashDescartes

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 141

Chapitre 3Chimie

1 Atomistique

11 Spectroscopie

Spectroscopie

Lors drsquoune transition eacutelectroniqueune particule eacutemet un rayonne-ment deacutecrit par

∆E = hν

Relation de De Broglie

λ =hmv

h constante de Planckν freacutequence du rayonnementeacutemis par la particuleλ longueur drsquoonde du rayonne-ment eacutemis par la particulem masse de la particulev vitesse de la particule

c copyDuno

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Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 142

142 [3] Chimie

La relation de Ritz eacutetablit que

ν = RH middot c(

1n2minus 1

m2

)(nm) isin N2

ν freacutequence de rayonnementRH constante de Rydbergn nombre quantique principal duniveau eacutenergeacutetique final de la par-ticulem nombre quantique principaldu niveau eacutenergeacutetique initial de laparticulec vitesse de propagation de la lu-miegravere dans le videndash n = 1 correspond agrave la seacuterie deLyman (ultraviolet) ndash n = 2 corres-pond agrave la seacuterie de Balmer (visible)ndash n = 3 correspond agrave la seacuterie dePaschen (infrarouge)

E (eV)

0

-136

-339

Lyman

Balmer

Paschen-151

-085

n = yenn = 4

n = 3

n = 2

n = 1

12 Modegravele ondulatoire

Principe drsquoincertitude de Heisenberg

∆x middot∆px gth

∆x incertitude sur la position∆px incertitude sur la quantiteacute demouvement selon lrsquoaxe des xm masse de lrsquoatome

En meacutecanique quantique on ne peut pas connaicirctre preacuteciseacutement agrave lafois la position et la vitesse

Eacutequation de Schroumldinger en reacutegime stationnaire

H Ψ = E Ψ

intintint

espaceΨ2 dτ = 1

Ψ(rrr) fonction drsquoonderrr vecteur positionE eacutenergie totale de lrsquoeacutelectronH opeacuterateur hamiltonien appli-queacute agrave Ψ

|Ψ2| dτ repreacutesente la probabiliteacutede preacutesence de lrsquoeacutelectron dansun volume dτ autour drsquoun pointM(rrr)

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 143

1 Atomistique 143

Eacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegravene

En =minus13 6n2

Lrsquoeacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegraveneest quantifieacutee (n nombre quan-tique principal)

En = minus13 6Z2

n2

Deacutecrit lrsquoeacutenergie de lrsquoatome hydro-geacutenoiumlde (qui ne comporte qursquounseul eacutelectron)

Nombres quantiques

Principal n isin Nlowast

Deacutecrit le niveau eacutenergeacutetique delrsquoatome

En = minus13 6Z2

n2

Secondaire 0 6 l 6 nminus 1l isin N

Quantifie le module du momentcineacutetique LLL de lrsquoatome

|σσσ| =radic

l(l + 1)h

(h = h2π hconstante de Planck)

Magneacutetique minusl 6 m 6 lm isin Z

Quantifie la projection dumomentcineacutetique LOz = mh

Spin ms = plusmn 12

13 Atome polyeacutelectronique

Charge nucleacuteaire effective

Zlowasti = Zminus σi

Zlowasti charge nucleacuteaire effectiveZ numeacutero atomiqueσ constante drsquoeacutecran de Slaterc copy

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Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 144

144 [3] Chimie

Position de lrsquoeacutelectronσi

s et pσid

mecircme couche 0 035couche gt n 0 0couche nminus 1 085 1couches lt nminus 1 1 1

Eacutenergie

Ei = minus13 6Zlowast2i

n2

Zlowasti charge nucleacuteaire effectiveEi eacutenergie de lrsquoeacutelectronn nombre quantique principal

E = sumi

Ei Eacutenergie totale de la moleacutecule

Diagramme eacutenergeacutetique

E

K

L

M

N

1s2s

2p

3s

3p

3d4s

4p

niveauxeacutenergeacutetiques

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 145

1 Atomistique 145

Regravegles de remplissage des niveaux eacutelectroniques

Principe de stabiliteacute on remplitles orbitales atomiques par ordredrsquoeacutenergie croissante (regravegle de Kle-chkowsky)Principe de Pauli sur une mecircmeorbitale atomique les deux eacutelec-trons sont de spin opposeacutesPrincipe de Hund lorsque plu-sieurs orbitales atomiques sontde mecircme niveau eacutenergeacutetique leseacutelectrons occupent le maximumdrsquoorbitales atomiques

Regravegle de Klechkowsky

1 s2 s p3 s p d4 s p d f

Eacutenergie drsquoionisation

Crsquoest lrsquoeacutenergie de la reacuteaction drsquoar-rachement drsquoun eacutelectron drsquounemoleacutecule sous forme gazeuse

X(g) = X+(g) + eminus

Affiniteacute eacutelectronique

Crsquoest lrsquoeacutenergie libeacutereacutee par la reacuteac-tion de capture drsquoun eacutelectron parune moleacutecule sous forme gazeuse

X(g) + eminus = Xminus(g)

14 Architecture moleacuteculaire

Regravegle de lrsquooctetLes eacuteleacutements de la deuxiegraveme peacuteriode du tableau peacuteriodique peuventsrsquoentourer au maximum de huit eacutelectrons

Charge formelle

n = ni minus nen charge formelle de lrsquoatomeni nombre drsquoeacutelectrons de valence dans lrsquoatome isoleacutene nombre drsquoeacutelectrons de valence dans lrsquoatome lieacute

MeacutesomeacuterieCrsquoest lrsquoensemble des formules meacutesomegraveres qui modeacutelise la reacutealiteacute

O S O O S O O S O+ +ndashndash

c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 146

146 [3] Chimie

Niveau de repreacutesentativiteacute des formules meacutesomegraveresLes formules meacutesomegraveres qui veacuterifient la regravegle de lrsquooctet qui sontneutres ou dont la charge neacutegative est porteacutee par lrsquoatome le plus eacutelec-troneacutegatif sont plus repreacutesentatives que les autres

VSEPR

On compte les doublets drsquoun atome A AXpEq ougrave p nombre drsquoatomes directement lieacutes agrave A (X)q nombre de doublets libres porteacutes par A (E)Ces n = p + q doublets tendent agrave srsquoeacuteloigner au maximum les uns desautres (Theacuteorie de Gillepsie)

n = 2 moleacutecule lineacuteaire n = 3 moleacutecule trigonale

n = 4 moleacutecule teacutetraeacutedrique n = 5 moleacutecule bipyramidale agravebase triangulaire

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 147

1 Atomistique 147

n = 6 moleacutecule octaeacutedrique

15 Orbitales moleacuteculaires

Combinaison lineacuteaire des orbitales atomiques

La combinaison lineacuteaire de deuxorbitales atomiques de mecircmeeacutenergie donne naissance agrave deuxorbitales moleacuteculaires lrsquouneliante et lrsquoautre antiliante

Indice de liaison

i =nminus nlowast

2

n nombre drsquoeacutelectrons de lrsquoorbitalemoleacuteculaire liantenlowast nombre drsquoeacutelectrons de lrsquoorbi-tale moleacuteculaire antiliante

Diagramme des orbitales moleacuteculaires

Diagrammemoleacuteculaire des moleacute-cules A2 de la deuxiegraveme ligne dutableau peacuteriodique agrave partir de O2inclus Pour les autres moleacuteculesπx et πy sont plus stables que σp

2p

OM antiliante

OA2 OA1

OM liante

pz

pz

px

px

py

py

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 148

148 [3] Chimie

2 Cineacutetique

Avancement de la reacuteaction

dξ =dniνi

ξ avancement de la reacuteactionνi nombre stœchiomeacutetrique algeacute-brique (νi gt 0 pour un produit etνi lt 0 pour un reacuteactif)ni quantiteacute de matiegravere eacutechangeacutee

Quantiteacute de matiegravere en cours de reacuteaction

ni = ni0 + νiξ

ni quantiteacute de matiegravere agrave la date tni0 quantiteacute de matiegravere initialeνi nombre stœchimeacutetrique algeacute-briqueξ avancement

Vitesse de reacuteaction

r =1νi

dcidt

=1V

dt

r vitesse de la reacuteactionνi nombre stœchiomeacutetrique algeacute-briqueci concentrationξ avancementV volume du reacuteacteur

Ordre drsquoune reacuteaction

ν1A1 + ν2A2 rarr νprime1Aprime1 + νprime2A

prime2

v = k[A1]p1 [A2]

p2

k constante de vitesse de la reacuteac-tion[Ai] concentration de lrsquoespegravece Aipi ordre partiel en Ai

sumi

pi = p ordre global de la reacuteac-

tion

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 149

2 Cineacutetique 149

Deacutegeacuteneacuterescence de lrsquoordre

Si [A2]0 ≫ [A1]0 alors v =kprime[A1]

p1

kprime = k[A2]p20 constante de vitesse

apparente de la reacuteactionp1 ordre apparent de la reacuteaction

Loi de Vanrsquot HoffLorsque la reacuteaction est un processus eacuteleacutementaire les ordres partiels seconfondent avec les coefficients stœchiomeacutetriques et lrsquoordre total agrave lamoleacuteculariteacute

Loi drsquoArrheacutenius

dln k

dT=

Ea

RT2

k constante de vitesseEa eacutenergie drsquoactivationR constante des gaz parfaitsT tempeacuterature

Loi de vitesse drsquoune reacuteaction drsquoordre 1

c = c0eminuskt c concentration de lrsquoespegravece

c0 concentration initialek constante de vitesse

t12 =ln 2αk

Le temps de demi-reacuteaction estindeacutependant de c0 (α eacutetant lenombre stœchiomeacutetrique du reacuteac-tif limitant)

AEQS theacuteoregraveme de Bodenstein

d[A]

dt= 0

Conditions drsquoapplication de lrsquoAp-proximation des Eacutetats Quasi Sta-tionnaires ndash [A] tregraves faiblendash A espegravece tregraves reacuteactive (intermeacute-diaire reacuteactionnel)

Longueur de chaicircne

l =vitesse de disparition reacuteactif

vitesse drsquoinitiation

c copyDuno

dL

apho

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toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 150

150 [3] Chimie

3 Cristallographie

31 Geacuteneacuteraliteacutes

Deacutefinitions

Reacuteseau disposition spatiale desnoeuds

Motif description des entiteacutes quioccupent ces noeuds

Compaciteacute Rapport entre le vo-lume de lamaille et le volume reacuteel-lement occupeacute par les entiteacutes de lamaille

Coordinence nombre drsquoentiteacutes encontact avec une autre entiteacute

Une maille est entiegraverement deacutecritepar son reacuteseau et son motif

32 Mailles et sites dans les cristaux meacutetalliques

Maille hexagonale compacte

Coordinence 12Compaciteacute 0 742 atomes par maille

Maille cubique agrave faces centreacutees

Coordinence 12Compaciteacute 0 744 atomes par maille

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 151

3 Cristallographie 151

Maille cubique centreacutee

Coordinence 8Compaciteacute 0 682 atomes par maille

Sites octaeacutedriques

Dimension rO = (radic2minus 1)r

ndash Au centre et au milieu de chaquearrecircte du la maille cubique face cen-treacutee (4 sites par maille)

ndash Agravec

4et

3c4

dans la maille hexago-

nale compacte (2 sites par maille)

Sites teacutetraeacutedriques

Dimension rT = (

radic32minus 1)r

ndash Au centre de huit petits cubes

drsquoarrecirctea

2dans la maille cubique

face centreacutee (8 sites par maille)

ndash Agravec

8et

7c8

sur chaque cocircteacute vertical

dans lrsquohexagonale compacte (4 sitespar maille)

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 152

152 [3] Chimie

33 Cristaux ioniques

Chlorure de ceacutesium (CsCl)

Les ions Clminus forment un reacuteseau cu-bique (1 atome par maille)Les ions Cs+ sont aux centres de cescubes (1 atome par maille)Coordination [8-8]Structure adopteacutee si radic

3minus 1 6r+rminus

lt 1

Cl-

Cs+

Chlorure de sodium (NaCl)

Les ions Clminus forment un reacuteseau cu-bique faces centreacutees (4 atomes parmaille)Les ions Na+ occupent les sites oc-taeacutedriques de ce reacuteseau (4 atomespar maille)Coordination [6-6]Structure adopteacutee si radic

2minus 1 6r+rminus

ltradic3minus 1

Cl-

Na+

Blende (ZnS)

Les ions Zn2+ forment un reacuteseaucubique faces centreacutees (4 atomes parmaille)Les ions S2minus occupent un site teacutetra-eacutedrique sur deux dans le reacuteseau preacute-ceacutedent (4 atomes par maille)Coordination [4-4]Structure adopteacutee si

0 6r+rminus

ltradic2minus 1

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 153

4 Thermodynamique 153

4 Thermodynamique

La thermodynamique a deacutejagrave eacuteteacute abordeacutee au cours du chapitre de physiqueIl est conseilleacute de se reporter agrave cette section les notions preacutealablement trai-teacutees nrsquoeacutetant pas agrave nouveau abordeacutees ici

41 Fonctions drsquoeacutetat

Deacutefinition

Xi =

(partXpartni

)

Tpn j 6=ni

X fonction drsquoeacutetat extensiveXi grandeur molaire partielle re-lative au composeacute Aini quantiteacute de matiegravere du consti-tuant Ai

Relation de GibbsndashDuhem

sumi

ni dXi Tp = 0

ni quantiteacute de matiegravere du consti-tuant AidXi Tp grandeur standard de reacute-action concernant le constituant Aiagrave T et p constantes

Grandeurs de reacuteaction associeacutees aux fonctions drsquoeacutetat

∆rX = sumi

νiXi =

(partXpartξ

)

Tp

∆rX grandeur de reacuteactionνi nombre stœchiomeacutetrique rela-tif au composeacute AiXi grandeur molaire partielle re-lative au corps Ai

Relation de GibbsndashHelmoltz

partpartT

(∆rG

T

)= minus∆rH

T2

∆rG enthalpie libre de reacuteaction∆rH enthalpie de reacuteactionT tempeacuterature

c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 154

154 [3] Chimie

42 Potentiel chimique

Deacutefinition

microi =

(partGpartni

)

Tpn j 6=ni

microi =

(partUpartni

)

VSn j 6=ni

microi =

(partHpartni

)

pSn j 6=ni

microi =

(partFpartni

)

VTn j 6=ni

microi potentiel chimique du com-poseacute AiUH FG eacutenergie interne enthal-pie eacutenergie libre enthalpie libreT pV tempeacuterature pression vo-lumeni quantiteacute de matiegravere du com-poseacute Ai

Condition drsquoeacutequilibre physique

microϕ1 = microϕ2

Le potentiel chimique du corps purdans les deux phases est le mecircmemicroϕi potentiel chimique du corpspur dans la phase i

Eacutevolution vers un eacutetat drsquoeacutequilibre

Srsquoil nrsquoest pas agrave lrsquoeacutequilibre le corps pur passe irreacuteversiblement de laphase de plus haut potentiel chimique vers la phase de plus bas po-tentiel chimique et ce jusqursquoagrave lrsquoobtention de lrsquoeacutegaliteacute preacuteceacutedente

Potentiel drsquoun gaz

microi(g) = micro0i(g) + RT ln

pip0

microi(g) potentiel chimique du gazAi

micro0i(g)

potentiel chimique standard

du gaz Ai (agrave la pression p0)R constante des gaz parfaitsT tempeacuteraturepi pression partielle du gaz Ai

p0 pression standard (1 bar = 105Pa)

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 155

4 Thermodynamique 155

Potentiel drsquoun soluteacute

microi(s) = micro0i(s) + RT ln

cic0

R constante des gaz parfaitsT tempeacuteratureci concentration du composeacute Ai

c0 concentration standard(1 mol middot Lminus1)

43 Grandeurs standards de reacuteaction

Enthalpie standard de reacuteaction

∆rH0 = sum

i

νiH0i

∆rH0 enthalpie standard de reacuteac-

tionνi nombre stœchiomeacutetrique ducomposeacute Ai

H0i enthalpie standard molaire de

Ai pris dans son eacutetat standard

Entropie standard de reacuteaction

∆rS0 = sum

i

νiS0i

∆rS0 entropie standard de reacuteac-

tionνi nombre stœchiomeacutetrique ducomposeacute Ai

S0i entropie standard molaire deAi pris dans son eacutetat standard

Enthalpie libre standard de reacuteaction

∆rG0 = sum

i

νiG0i

∆rG0 enthalpie libre standard de

reacuteactionνi nombre stœchiomeacutetrique ducomposeacute Ai

G0i enthalpie libre standard mo-

laire de Ai pris dans son eacutetat stan-dard

c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 156

156 [3] Chimie

Relation entre grandeurs de reacuteaction

∆rG0 = ∆rH

0 minus T∆rS0

∆rS0 entropie standard de reacuteac-

tion∆rH

0 enthalpie standard de reacuteac-tion∆rG

0 enthalpie libre standard dereacuteactionT tempeacuterature

Premiegravere loi de Kirchhoff

d∆rH0

dT= ∆rC

0p = sum

i

νiC0pi

∆rH0 enthalpie standard de reacuteac-

tionC0pi capaciteacute thermique mo-

laire du constituant Ai agrave pressionconstanteνi nombre stœchimeacutetrique ducomposeacute AiT tempeacuterature

Deuxiegraveme loi de Kirchhoff

d∆rS0

dT=

∆rC0p

T= sum

i

νiC0pi

T

∆rS0 entropie standard de reacuteac-

tionC0pi capaciteacute thermique mo-

laire du constituant Ai agrave pressionconstanteνi nombre stœchimeacutetrique ducomposeacute AiT tempeacuterature

Relations de GibbsndashHelmoltz

∆rS0 = minusd∆rG

0

dT

∆rH0 = minusT2 d

dT

(∆rG

0

T

)

∆rS0 entropie standard de reacuteac-

tion∆rH

0 enthalpie standard de reacuteac-tion∆rG

0 enthalpie libre standard dereacuteactionT tempeacuterature

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 157

4 Thermodynamique 157

Relation de Hess

∆rH0 = sum

i

νi∆ fH0i

∆rG0 = sum

i

νi∆ fG0i

∆rH0 enthalpie standard de reacuteac-

tion∆rG

0 enthalpie libre standard dereacuteaction∆fH

0 enthalpie standard de for-mation du composeacute Ai (nulle pourles corps purs)∆fG

0 enthalpie libre standard deformation du composeacute Ai

Cycle de BornndashHaberCrsquoest un cycle thermodynamique qui permet de calculer avec la loide Hess lrsquoenthalpie de standard de reacuteaction en deacutecomposant les reacuteac-tifs en atomes et en recomposant ces mecircmes atomes pour former lesproduits

44 Eacutequilibres chimiques

Deacutefinition de lrsquoaffiniteacute chimique

A = minussumi

νimicroi = minus∆rG

A affiniteacute chimique∆rG

0 enthalpie libre standard dereacuteactionνi nombre stœchiomeacutetrique ducomposeacute Aimicroi potentiel chimique du com-poseacute Ai

Expression de lrsquoaffiniteacute

A = A0 minus RT ln

(

prodi

aνi

i

)

A affiniteacute chimiqueA0 affiniteacute chimique standardai activiteacute du composeacute Aiνi nombre stœchimeacutetrique ducomposeacute AiR constante des gaz parfaitsT tempeacuterature

c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 158

158 [3] Chimie

Condition drsquoeacutequilibre

A = 0

Dans ce cas

A0 = RT lnK0 = RT ln

(

prodi

aνi

i

)

K0 est la constante drsquoeacutequilibre dela reacuteaction

Sens drsquoeacutevolution

A middot dξ gt 0

Si A gt 0 dξ gt 0 il y a eacutevolution

dans le sens 1minusrarrSi A lt 0 dξ lt 0 il y a eacutevolution

dans le sens 2larrminusConstante drsquoeacutequilibre

K0(T) = prodi

aνi

i eacutequilibre

K0(T) constante drsquoeacutequilibre de lareacuteaction qui ne deacutepend que de latempeacuteratureai eacutequilibre coefficient drsquoactiviteacute ducomposeacute Ai agrave lrsquoeacutequilibreνi nombre stœchiomeacutetrique ducomposeacute Ai

Tempeacuterature drsquoinversion

∆rG0(Ti) = 0

K0(Ti) = 1

Agrave cette tempeacuterature la reacuteaction

preacutepondeacuterante passe du sens 1minusrarrau sens 2larrminus

Effet de la tempeacuterature loi de Vanrsquot Hoff

dlnK0

dT=

∆rH0

RT2

K0 constante drsquoeacutequilibre de la reacute-action∆rH

0 enthalpie standard de la reacute-actionR constante des gaz parfaitsT tempeacuterature

Une augmentation de la tempeacuterature deacuteplace la reacuteaction dans le sensendothermique

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 159

4 Thermodynamique 159

Effet de la pression loi de Le ChacirctelierUne augmentation de la pression deacuteplace lrsquoeacutequilibre dans le sens dediminution de la quantiteacute de matiegravere de gaz (∆νgaz lt 0)

Introduction drsquoun constituant actif

dA = RT(

∆νgaz minusνi

xi

)dnin

dA variation de lrsquoaffiniteacuteνi nombre stœchimeacutetrique ducomposeacute Aixi titre molaire du composeacute Ain quantiteacute de matiegravere totaledni variation de quantiteacute de ma-tiegravere du composeacute Ai

Ajout drsquoun constituant inactif

dA = RT∆νgazdnn

dA variation de lrsquoaffiniteacuten quantiteacute de matiegraveredn variation de quantiteacute de ma-tiegravere du constituant introduit

Variance ndash Regravegle des phases de Gibbs

v = c + 2minusϕ

c = nminus kminus r

v variancec nombre de constituants indeacute-pendantsϕ nombre de phasesn nombre de constituantsk nombre de relations entre lesconstituantsr relation particuliegraveres (imposeacuteespar le manipulateur)

c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 160

160 [3] Chimie

45 Eacutequilibres liquidendashvapeur

Loi de Raoult

pi = plowasti xli

pi pression partielle du composeacuteAiplowasti pression saturante du com-poseacute Ai

xli titre molaire de Ai liquide

Loi de Henry

pi = kxli

pi pression partielle du composeacuteAik 6= plowasti constante de Henryxli titre molaire de Ai liquide

Solution ideacuteale deacutefinitionUne solution est dite ideacuteale si toutes les interactions entre les espegravecesqui la composent sont identiques interactions A1ndashA1A2ndashA2 et A1ndashA2

Diagramme binaire drsquoune solution ideacuteale

p2

p1

p

vapeur

liquide

courbe drsquoeacutebullition

courbe de roseacuteeliquide + vapeur

x2

Eacutequations des courbes

Courbe drsquoeacutebullition

p = plowast1 + (plowast2 minus plowast1)xl2

Courbe de roseacutee

p =plowast1plowast2

plowast2 minus (plowast2 minus plowast1)xv2

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 161

4 Thermodynamique 161

Diagrammes isothermes

p2

p

p1

vapeur

liquide

liquide + vapeur

x2

Fuseau simple

p2

p

p1 vapeur

liquide

liquide

+ vap

eur

x2

Azeacuteotrope positif

p2

p

p1

vapeur

liquideliquide + vapeur

x2

Azeacuteotrope neacutegatif

Lrsquoazeacuteotrope est la manifestation delrsquoeacutecart de la solution par rapport agravela solution ideacuteale

Diagrammes isobares

T2

T

T1

vapeur

liquide

liquide + vapeur

x2

Fuseau simple

T2

T

T1vapeur

liquide

liquide + vapeur

x2

Azeacuteotrope positifc copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 162

162 [3] Chimie

T2

T

T1

vapeur

liquide

liquide

+ vap

eur

x2

Azeacuteotrope neacutegatif

Agrave pression constante unazeacuteotrope bout agrave tempeacuteratureconstante et donne une vapeur demecircme composition

Analyse thermique

T2

N

M

T

T1

x2

T2

TM

TN

T

t

M

N

T2

T

T1

x2

TM

TN

T

t

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 163

4 Thermodynamique 163

Theacuteoregraveme des moments

T2

LS

M

T

T1

liquide

solide

sol i dus

liquidusliquide + solide

x2x2x2

l

x2

s

nlML + nvMV = 0

nl quantiteacute de matiegravere de liquidenv quantiteacute de matiegravere de vapeurML distance algeacutebrique de M agrave lacourbe drsquoeacutebullitionMV distance algeacutebrique de M agravela courbe de roseacutee

46 Reacuteactions drsquooxydoreacuteduction

Couple redox

α ox + n eminusreacuteduction

oxydation

β red

Nombre drsquooxydation ndash DeacutefinitionCrsquoest le nombre drsquoeacutelectrons laquo perdus raquo par rapport agrave lrsquoatome neutre

Nombre drsquooxydations ndash Regravegles de deacutetermination

ndash atome isoleacute neutre no 0 ndash ion simple le nombre drsquooxyda-tions est la charge de lrsquoion ndash moleacutecule ou ion complexe

ndash entre deux atomes du mecircmeeacuteleacutement on attribue agrave chacun lrsquoundes eacutelectrons du doublet de liai-son

ndash entre deux atomes diffeacuterentson attribue les eacutelectrons de liaisonau plus eacutelectroneacutegatif

Dans tous les cas sum no = q avecq la charge de lrsquoeacutedifice atomique

Oxydant ndash Reacuteducteur

Un oxydant est une espegravece dontle nombre drsquooxydation peut dimi-nuer

Un reacuteducteur est une espegravece dontle nombre drsquooxydation peut aug-menter

c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 164

164 [3] Chimie

Eacutequilibrage drsquoune eacutequation redoxPour eacutequilibrer une eacutequation on procegravede en

1 deacuteterminant le nombre drsquoeacutelectrons eacutechangeacutes avec le nombre drsquooxy-dations

2 effectuant un bilan des charges et en assurant lrsquoeacutelectroneutraliteacute avecH+ et lrsquoeacutequilibre en atomes drsquooxygegravene avec H2O

3 effectuant un bilan de matiegravere

Eacutelectrode agrave hydrogegravene

Crsquoest lrsquoeacutelectrode de reacutefeacuterencepour les mesures de poten-tiels redox (agrave toute tempeacuteratureE0(H+H2) = 0 000 V) Cetteeacutelectrode est fictive

H sous 1 bar2

Pt

pH = 0

Formule de Nernst

E = E0 +RTnF ln

aαox

aβred

aox activiteacute de lrsquooxydantared activiteacute du reacuteducteurAvec ndash a = 1 pour tout solide ou un li-quide pur dans la phase

ndash a =c

c0pour un soluteacute

ndash a =pip0

la pression partielle pour

un gaz (dans le cas des solutionsdilueacutees)E potentiel de lrsquoeacutelectrodeE0 potentiel standard du coupleredoxn nombre drsquoeacutelectrons eacutechangeacutesF = N middot e nombre de FaradayR constante des gaz parfaitsT tempeacuterature

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 165

5 Mateacuteriaux meacutetalliques 165

Formule de Nernst forme usuelle

E = E0 +0 06n

logaαox

aβred

Agrave 25˚CRTF ln 10

= 0 06

Reacuteactions aux eacutelectrodes drsquoune pile

La reacuteduction se produit agrave la ca-thodeLrsquooxydation se produit agrave lrsquoanode

On symbolise une pile par

ox1 red1︸ ︷︷ ︸pocircle neacutegatif

ox2 red2︸ ︷︷ ︸pocircle positif

Force eacutelectromotrice drsquoune pile

E = E2 minus E1

E force eacutelectromotrice (feacutem) de lapileE1 potentiel du couple consti-tuant lrsquoanodeE2 potentiel du couple consti-tuant la cathode

5 Mateacuteriaux meacutetalliques

51 Diagrammes drsquoEllingham

PrincipeOn eacutetudie la formation des oxydesrameneacutee agrave une mecircme quantiteacutede dioxygegravene reacuteaction qui srsquoeacutecritsous la forme geacuteneacuterale

α red +12O2 β ox

On trace la courbe

∆rG0 = ∆rH

0 minus T∆rS0

Approximation drsquoEllingham

Pour construire ces diagrammes on considegravere que ∆rG0 ∆rH

0 et ∆rS0

sont indeacutependants de la tempeacuterature Cette approximation est appeleacuteeapproximation drsquoEllingham

c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 166

166 [3] Chimie

Allure du diagramme

DrG ( )0

T

0 T

TF TE

changement de pente marquantun changement drsquoeacutetat

oxyde

meacutetal

Affiniteacute du systegraveme

A =12RT ln

p

pe

A affiniteacute chimiquep pression du reacuteacteurpe pression drsquoeacutequilibre agrave une tem-peacuterature donneacuteeT tempeacuteratureR constante des gaz parfaits

Corrosion drsquoun meacutetalUn meacutetal est oxydeacute par un oxyde dont la droite drsquoEllingham se situeau-dessus de sa propre droite

52 Diagrammes potentiel-pH

ConventionsConvention 1 sur le domaine frontiegravere les concentrations des deuxespegraveces sont eacutegales agrave une concentration arbitrairement choisieConvention 2 on fixe la concentration totale en un eacuteleacutement donneacute Surle domaine frontiegravere les concentrations sont reacuteparties eacutequitablement

Construction du diagramme potentielndashpH

1 On deacutetermine le degreacute drsquooxydation des espegraveces mises en jeu2 On calcule le pH frontiegravere pour les espegraveces de mecircme degreacute drsquooxy-dation3 On calcule avec la formule de Nernst lrsquoeacutequation des droites seacuteparantles domaines des espegraveces de degreacute drsquooxydation distincts

Les droites verticales marquent des reacuteactions acido-basiquesLes droites horizontales marquent des reacuteactions redox

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 167

5 Mateacuteriaux meacutetalliques 167

Deacutefinition du pH

pH = minus log(

[H3O+]

c0

)La relation ci-contre nrsquoest valableqursquoen milieux dilueacutes[H3O+] concentration en ionsH3O+ dans le milieuc0 concentration standard(1 mol middot Lminus1)

Produit ionique de lrsquoeau

Ke =[H3O+] middot [OHminus]

(c0)2= 10minus14

pKe = minus log Ke = 14

Ke produit ionique de lrsquoeau[H3O+] concentration en ionsH3O+ dans le milieu[OHminus] concentration en ionsOHminus dans le milieuc0 concentration standard

Constante drsquoaciditeacute drsquoun couple acidobasique

HA + H2O Aminus + H3O+

Ka =[H3O+] middot [Aminus]

[HA] middot c0

pKa = minus log Ka

Ka constante drsquoaciditeacute du coupleacidobasique (ne deacutepend que de latempeacuterature)[H3O+] concentration en ionsH3O+ dans le milieu[HA] concentration de lrsquoespegraveceacide dans le milieu[Aminus] concentration de lrsquoespegravecebasique dans le milieuc0 concentration standard

c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 168

168 [3] Chimie

Principaux diagrammes potentiels ndash pH

E

0 1

01

pH

Fe3 +

Fe2 +

Fes

Zns

Zn2 +

Zn(OH)s

Zn(OH)4

2 -

Fe(OH)2

Fe(OH)3

Cu O2

Cu(OH)2

Cu2 +

Cus

Diagramme potentiel ndash pH de lrsquoeau

Le couple H2 H2O est repreacutesenteacute par une droite de pente minus0 06 etdrsquoordonneacutee agrave lrsquoorigine 0 00 V

Le couple H2O OHminus est repreacutesenteacute par une droite de pente minus0 06et drsquoordonneacutee agrave lrsquoorigine 1 23 V

53 Courbes intensiteacutendashpotentiel

Tension minimale agrave appliquer

U gt∆rG

2F

U tension appliqueacutee∆rG enthalpie libre de la reacuteactionF nombre de Faraday

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 169

5 Mateacuteriaux meacutetalliques 169

Intensiteacute du courant ndash Vitesse de reacuteaction

i = nFdξ

dt

v =1V

dt

i intensiteacute du courantn nombre drsquoeacutelectrons eacutechangeacutesau cours de la reacuteactionF nombre de Faradayξ avancement de la reacuteactionV volume de solution eacutelectrolyteLa vitesse de reacuteaction et lrsquointen-siteacute sont proportionnelles

Montage expeacuterimental

Egeacuteneacuterateur

microampegraveremegravetre(galvanomegravetre)

eacutelectrodes de travail

eacutelectrodede reacutefeacuterence

millivoltmegravetre

mAmV

Systegraveme lent ndash Systegraveme rapide

Systegraveme rapideSystegraveme lent (existence de surten-sions ηA et ηC respectivement ano-diques et cathodiques)

i

v

i

vhAhC

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 170

170 [3] Chimie

Courant limite de diffusion

i

i lim

v

Le pheacutenomegravene de diffusion limitela vitesse de deacuteplacement des eacutelec-trons il existe donc un courant li-mite

Tension agrave appliquer

U = EA minus EC︸ ︷︷ ︸thermodynamique

+ ηA minus ηC︸ ︷︷ ︸cineacutetique

+ri

U tension agrave appliquerEA potentiel du couple delrsquoanodeEC potentiel du couple de la ca-thodeηA surtension anodiqueηC surtension cathodiquer reacutesistance interne de lrsquoeacutelectro-lytei intensiteacute du courant

54 Corrosion

Reacuteaction de corrosion

M + ox minusrarr Mn+ + red

M meacutetal qui va ecirctre corrodeacuteox un meilleur oxydant que lemeacutetalMn+ cation associeacute au meacutetal dansun couple redoxred reacuteducteur associeacute agrave lrsquooxydantox

Corrosion avec des eacutelectrodes diffeacuterentes

Quand les eacutelectrodes sont diffeacuterentes crsquoest le meacutetal qui a le plus petitpotentiel redox qui se corrode

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 171

5 Mateacuteriaux meacutetalliques 171

Corrosion avec des eacutelectrodes identiquesDans le cas drsquoune pile de concen-tration crsquoest le meacutetal qui plongedans la solution la plus dilueacutee quise corrode

Crsquoest le meacutetal qui plonge dans lasolution la moins aeacutereacutee qui se cor-rode

Domaines de corrosion drsquoimmuniteacute et de passivationndash On appelle domaine de corrosion le(s) domaine(s) drsquoun diagrammeEndashpH ougrave le meacutetal se retrouve sous forme drsquoionsndash On appelle domaine drsquoimmuniteacute le domaine drsquoun diagramme EndashpHougrave le meacutetal est stable (il nrsquoest pas corrodeacute)ndash On appelle domaine de passivation le domaine drsquoun diagramme EndashpH ougrave le meacutetal se retrouve sous forme de preacutecipiteacute qui est susceptiblede former une couche protectrice agrave la surface du meacutetal

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 172

Annexe A mformulairetex 2772008 2251Page 173

Annexe APrimitives usuelles

Primitive Intervalleint dtt

= ln |t|+ k Rlowastint

cos t dt = sin t + k Rint dt

cos2 t= tan t + k R

π

2+ kπ

k isin Z

int dtcos t

= ln∣∣∣∣tan

(t

2+

π

4

)∣∣∣∣+ k R π

2+ kπ

k isin Z

inttan t dt = minus ln | cos t|+ k R

π

2+ kπ

k isin Z

intch t dt = sh t + k R

int dt

ch2 t= th t + k R

int dtch t

= 2Arctan et + k R

intth t dt = ln ch t + k R

intemt dt =

1memt + k (m isin Clowast) R

inttα dt =

tα+1

α + 1+ k (α isin Rminus minus1) R

intsin t dt = minus cos t + k R

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe A mformulairetex 2772008 2251Page 174

174 [A] Primitives usuelles

int dt

sin2 t= minus cot t + k R kπ k isin Z

int dtsin t

= ln∣∣∣∣tan

t

2

∣∣∣∣+ k R kπ k isin Z

intcot t dt = ln | sin t|+ k R kπ k isin Z

intsh t dt = ch t + k R

int dt

sh2 t= minus coth t + k Rlowast

int dtsh t

= ln∣∣∣∣th

t

2

∣∣∣∣+ k Rlowast

intcoth t dt = ln | sh t|+ k R

intat dt =

at

ln a+ k (a isin Rlowast+ minus 1) R

Dans la suite on suppose a isin Rlowastint dt

t2 + a2=

1aArctan

t

a+ k R

int dtradica2 minus t2

=

Arcsin t

|a| + k

minusArccos t|a| + k

]minus a a[

int dtradict2 + a2

=

Argsh t

|a| + k

ln(t +radict2 + a2

)+ k

R

int dtradict2 minus a2

=

Argcht

|a| + k

ln(t +radic

t2 minus a2)

+ k]|a|+infin[

minusArgch∣∣∣∣t

a

∣∣∣∣+ k

ln∣∣∣t +

radict2 minus a2

∣∣∣+ k]minusinfin |a|[

int dtradict2 + b

= ln∣∣∣t +

radict2 + b

∣∣∣ + k (b isinRlowast)

R [minusb b]

int dtt2 minus a2

=

Argth t + k ]minus 1 1[12a

ln(tminus a

t + a

)+ k Rminus minusa a

Annexe B mformulairetex 2772008 2251Page 175

Annexe BDeacuteveloppements limiteacutes

Principaux deacuteveloppements limiteacutes1

1minus x= 1 + x + x2 + x3 + middot middot middot+ xn + o(xn)

(1+x)α =1+αx+α(αminus1)

2x2+middot middot middot+α(αminus1) middot middot middot (αminusn+1)

nxn+ o

xrarra(xn)

radic1+x = 1+

12xminus 1

2 middot 4 x2+middot middot middot+(minus1)nminus1 1 middot 3 middot 5 middot middot middot (2nminus3)

2 middot 4 middot 6 middot middot middot 2n xn+o(xn)

1radic1 + x

= 1 minus 12x +

1 middot 32 middot 4 x

2 + middot middot middot + (minus1)n 1 middot 3 middot 5 middot middot middot (2nminus 1)2 middot 4 middot 6 middot middot middot 2n xn +

o(xn)

ln(1 + x) = xminus x2

2+

x3

3minus x4

4+ middot middot middot+ (minus1)n+1 x

n

n+ o(xn)

ln(1minus x) = minusxminus x2

2minus x3

3minus x4

4minus middot middot middot minus xn

n+ o(xn)

ln(a + x) = ln a +x

aminus x2

2a2+

x3

3a3+ middot middot middot+ (minus1)n+1 x

n

an+ o(xn)

ex = 1 + x +x2

2+

x3

3+ middot middot middot+ xn

n+ o(xn)

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe B mformulairetex 2772008 2251Page 176

176 [B] Deacuteveloppements limiteacutes

cos x = 1minus x2

2+

x4

4minus x6

6+ middot middot middot+ (minus1)n x2n

(2n)+ o(x2n+1)

ch x = 1 +x2

2+

x4

4+

x6

6+ middot middot middot+ x2n

(2n)+ o(x2n+1)

sin x = xminus x3

3+

x5

5minus x7

7+ middot middot middot+ (minus1)n x2n+1

(2n + 1)+ o(x2n+2)

sh x = x +x3

3+

x5

5+

x7

7+ middot middot middot+ x2n+1

(2n + 1)+ o(x2n+2)

tan x = x +x3

3+

215

x5 +17315

x7 + o(x7)

th x = xminus x3

3+

215

x5 minus 17315

x7 + o(x7)

Arccos x =π

2minus x minus 1

2x3

3minus middot middot middot minus 1 middot 3 middot 5 middot middot middot (2nminus 1)

2 middot 4 middot 6 middot middot middot 2nx2n+1

2n + 1+

o(x2n+2)

Arcsin x = x +12x3

3+ middot middot middot+ 1 middot 3 middot 5 middot middot middot (2nminus 1)

2 middot 4 middot 6 middot middot middot 2nx2n+1

2n + 1+ o(x2n+2)

Arctan x = xminus x3

3+

x5

5minus x7

7+ middot middot middot+ (minus1)n x2n+1

(2n + 1)+ o(x2n+2)

Argch x nrsquoest pas deacutefini au voisinage de 0 et nrsquoadmet pas de deacutevelop-pement limiteacute au voisinage de 1 (tangente verticale)

Argsh = xminus 12x3

3+

1 middot 32 middot 4

x5

5+ middot middot middot+(minus1)n 1 middot 3 middot 5 middot middot middot (2nminus1)

2 middot 4 middot 6 middot middot middot 2nx2n+1

2n+1+

o(x2n+2)

Argth x = x +x3

3+

x5

5+ middot middot middot+ x2n+1

(2n + 1)+ o(x2n+2)

Annexe C mformulairetex 2772008 2251Page 177

Annexe CFormulestrigonomeacutetriques

1 Angles remarquables

sin 012

radic22

radic32

1 0

cos 1

radic32

radic22

12

0 minus1

tan 0

radic33

1radic3 0

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe C mformulairetex 2772008 2251Page 178

178 [C] Formules trigonomeacutetriques

2 Relations trigonomeacutetriques

Relations entre les rapports trigonomeacutetriques drsquoun mecircme arc

cos2 a + sin2 a = 1

tan a =sin a

cos acot a =

cos asin a

1 + tan2 a =1

cos2 a1 + cot2 a =

1

sin2 a

cos2 a =1

1 + tan2 asin2 a =

11 + cot2 a

Formules drsquoadditioncos(a + b) = cos a cos bminus sin a sin bcos(aminus b) = cos a cos b + sin a sin bsin(a + b) = sin a cos b + cos a sin bsin(aminus b) = sin a cos bminus cos a sin b

tan(a + b) =tan a + tan b

1minus tan a tan b

tan(aminus b) =tan aminus tan b

1 + tan a tan b

Formules de duplication

cos(2a) =

cos2 aminus sin2 a2 cos2 aminus 11minus 2 sin2 a

sin(2a) = 2 sin a cos a

tan(2a) =2 tan a

1minus tan2 a

Expression de cos a sin a tan a en fonction de tan a2

cos a =1minus tan2 a

21 + tan2 a

2

sin a =2 tan a

21 + tan2 a

2

tan a =2 tan a

21minus tan2 a

2

Transformations de produits en sommes

cos a cos b =12

(cos(aminus b) + cos(a + b))

sin a sin b =12

(cos(aminus b)minus cos(a + b))

sin a cos b =12

(sin(a + b) + sin(aminus b))

Annexe C mformulairetex 2772008 2251Page 179

2 Relations trigonomeacutetriques 179

sin b cos a =12

(sin(a + b)minus sin(aminus b))

cos2 a =1 + cos(2a)

2sin2 a =

1minus cos(2a)2

Transformation des sommes en produits

cos p + cos q = 2 cosp + q

2cos

pminus q

2

cos pminus cos q = minus2 sin p + q

2sin

pminus q

2

sin p + sin q = 2 sinp + q

2cos

pminus q

2

sin pminus sin q = 2 sinpminus q

2cos

p + q

21 + cos a = 2 cos2

a

21minus cos a = 2 sin2

a

2

Arcs associeacutescos(minusa) = cos a sin(minusa) = minus sin acos(π + a) = minus cos a sin(π + a) = minus sin acos(πminus a) = minus cos a sin(πminus a) = sin a

cos(π

2minus a)

= sin a sin(π

2minus a)

= cos a

cos(π

2+ a)

= minus sin a sin(π

2+ a)

= cos a

tan(π + a) = tan a cot(π + a) = cot a

tan(π

2minus a)

= cot a cot(π

2minus a)

= tan a

tan(π

2+ a)

= minus cot a cot(π

2+ a)

= minus tan a

Fonctions circulaires reacuteciproques

Arctan x + Arctan1x

2sgnx

forall(a b) isin R2

Arctan a + Arctan b =

Arctana + b

1minus absi ab lt 1

π

2sgn a si ab = 1

Arctana + b

1minus ab+ π sgn a si ab gt 1c copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe C mformulairetex 2772008 2251Page 180

180 [C] Formules trigonomeacutetriques

Arctan x + Arctan1x

2sgn x

Trigonomeacutetrie hyperbolique

sh x =ex minus eminusx

2ch x =

ex + eminusx

2ch(a + b) = ch a ch b + sh a sh b sh(a + b) = sh a ch b + ch a sh bch(aminus b) = ch a ch bminus sh a sh b sh(aminus b) = sh a ch bminus ch a sh b

th(a + b) =th a + th b

1 + th a th bth(aminus b) =

th a + th b

1minus th a th b

ch 2a =

ch2 a + sh2 a2 ch2 aminus 11 + 2 sh2 a

sh 2a = 2 sh a ch a

ch2 xminus sh2 x = 1

th 2a =2 th a

1 + th2 ach p + ch q = 2 cosh

p + q

2ch

pminus q

2

ch pminus ch q = 2 shp + q

2sh

pminus q

2

sh p + sh q = 2 shp + q

2ch

pminus q

2

sh pminus sh q = 2 coshp + q

2sh

pminus q

2

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 181

Annexe DOpeacuterateurs vectoriels

Cette annexe sert essentiellement en physique mais elle peut trouver sonutiliteacute en chimie (par exemple lrsquoHamiltonien comporte un laplacien) ou enmaths (notamment dans le cadre du chapitre des fonctions de plusieurs va-riables)

1 Notations

Opeacuterateur Nabla

On utilise tregraves souvent lrsquoopeacuterateur laquo Nabla raquo

partpartxpart

partypartpartz

Champs utiliseacutes par la suiteDans la suite on considegravere un champ vectoriel

AAA(M) =

Ax(x y z)Ay(x y z)Az(x y z)

iiijjjkkk

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 182

182 [D] Opeacuterateurs vectoriels

On consideacuterera eacutegalement un champs vectoriel BBB et le champs scalaireV(x y z)

2 Gradient

Coordonneacutees carteacutesiennes

gradV =nablanablanablaV =

partVpartx

(x y z)

partVparty

(x y z)

partVpartz

(x y z)

Coordonneacutees cylindriques

gradV =nablanablanablaV =

partVpartr

1r

partVpartθ

partVpartz

uuur

uuuθ

uuuz

Coordonneacutees spheacuteriques

gradV =

partVpartr

1r

partVpartθ

1r sin θ

partVpartϕ

uuur

uuuθ

uuuϕ

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 183

4 Rotationnel 183

3 Divergence

Coordonneacutees carteacutesiennes

div A =partAx

partx+

partAy

party+

partAz

partz=nablanablanablaAAA

Coordonneacutees cylindriques

div A =1r

partpartr

(r middot Ar) +1r

partAθ

partθ+

partAz

partz

Coordonneacutees spheacuteriques

div A =1r2

partpartr

(r2 middot Ar) +1

r sin θ

partpartθ

(sin θAθ) +1

r sin θ

partAϕ

partϕ

4 Rotationnel

Coordonneacutees carteacutesiennes

rot A =nablanablanablaandAAA =

partpartxpart

partypartpartz

and

Ax

Ay

Az

=

partAz

partyminus partAy

partzpartAx

partzminus partAz

partxpartAy

partxminus partAx

party

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 184

184 [D] Opeacuterateurs vectoriels

Coordonneacutees cylindriques

rot A =

1r

partAz

partθminus partAθ

partzpartAr

partzminus partAx

partr1r

partpartr

(r middot Aθ)minus 1r

partAr

partθ

Coordonneacutees spheacuteriques

rot A =

1r sin θ

(part

partθ(Aϕ sin θ)minus partAθ

partϕ

)

1r

(1

sin θ

partAr

partϕminus part

partr(r middot Aϕ

)

1r

(partpartr

(r middot Aθ)minus partAr

partθ

)

5 Laplacien

Coordonneacutees carteacutesiennesLaplacien scalaire

∆V = nabla2V =part2Vpartx2

+part2Vparty2

+part2Vpartz2

= div (gradV)

Laplacien vectoriel

∆AAA =nablanablanabla2AAA =

∆Ax =part2Ax

partx2+

part2Ax

party2+

part2Ax

partz2

∆Ay =part2Ay

partx2+

part2Ay

party2+

part2Ay

partz2

∆Az =part2Az

partx2+

part2Az

party2+

part2Az

partz2

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 185

6 Relations entre les opeacuterateurs 185

Coordonneacutees cylindriquesLaplacien scalaire

∆V =1r

partVpartr

+part2Vpartr2

+1r2

part2Vpartθ2 +

part2Vpartz2

∆V =1r

partpartr

(r

partVpartr

)+

1r2

part2Vpartθ2 +

part2Vpartz2

Le Laplacien vectoriel nrsquoa pas ici drsquoexpression simple

Coordonneacutees spheacuteriquesLe Laplacien scalaire est

∆V =1r

partpartr2

(rV) +1

r2 sin2 θ

part2Vpartϕ2 +

1

r2 sin2 θ

partpartθ

(sin θ

partVpartθ

)

6 Relations entre les opeacuterateurs

Opeacuterateur A middot grad

(BBBgrad)AAA =

(BBBnablanablanabla) Ax

(BBBnablanablanabla) Ay

(BBBnablanablanabla) Az

=

BxpartAx

partx+ By

partAx

party+ Bz

partAx

partz

BxpartAy

partx+ By

partAy

party+ Bz

partAy

partz

BxpartAz

partx+ By

partAz

party+ Bz

partAz

partz

En coordonneacutees cylindriques et spheacuteriques lrsquoexpression nrsquoest plus li-siblec copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 186

186 [D] Opeacuterateurs vectoriels

Autres relationsrotrotrot (gradU) = 0div (rot A) = 0∆AAA = grad(div A)minus rotrotrot (rot A)grad(U middotV) = U gradV +V gradUdiv (V middotAAA) = V div A +AAA middot gradVrotrotrot (V middotAAA) = V rot A + (gradV) andAAAdiv (AAA andBBB) = BBB middot rot AminusAAA middot rot B

7 Theacuteoregravemes geacuteomeacutetriques

Theacuteoregraveme drsquoOstrogradskiintcopyint

Misin(S)AAA(M)nnnext dS =

intintint

Misin(V)div A(M) dV

Theacuteoregraveme de Stokes∮

Misin(C)AAA(M)dM =

intint

Misin(S)rot Annn(P) dS

Theacuteoregraveme du gradientintcopyint

Misin(S)U(M)nnnext dS =

intintint

Misin(V)gradA(M) dV

Autre formulation (avec les notations adopteacutees pour le theacuteoregraveme deStokes) ∮

Misin(C)U(M)dMdMdM =

intint

Misin(S)nnn(M) and gradU(M) dS

Annexe E mformulairetex 2772008 2251Page 187

Annexe EUniteacutes et constantesfondamentales

1 Uniteacutes du Systegraveme International

On distingue trois types drsquouniteacutes dans le Systegraveme International les uniteacutesde base les uniteacutes suppleacutementaires (ces deux premiegraveres cateacutegories eacutetant di-mensionnellement indeacutependante) et les uniteacutes suppleacutementaires et deacuteriveacuteesqui peuvent srsquoexprimer en fonction des premiegraveres

11 Uniteacutes principales du systegraveme international

Grandeur physique Uniteacute SymboleLongueur megravetre mMasse kilogramme kgTemps seconde sCourant eacutelectrique ampegravere ATempeacuterature kelvin KQuantiteacute de matiegravere mole molIntensiteacute lumineuse candela cdc copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe E mformulairetex 2772008 2251Page 188

188 [E] Uniteacutes et constantes fondamentales

12 Uniteacutes secondaires du systegraveme international

Grandeur physique Uniteacute SymboleAngle radian radAngle solide steradian sr

13 Uniteacutes courantes du systegraveme international

Grandeur physique Uniteacute SymboleFreacutequence hertz Hzharr sminus1

Force newton Nharr kg middotm middot sminus2Eacutenergie joule Jharr m middotNPuissance watt Wharr J middot sminus1Pression pascal Paharr N middotmminus2Charge eacutelectrique coulomb Charr A middot sDiffeacuterence de potentiel eacutelectrique volt Vharr Aminus1 middotm middotN middot sminus1Reacutesistance eacutelectrique ohm Ω harr Aminus1 middotm middotN middot sminus2Conductance eacutelectrique siemens Sharr A2 middotN middot sCapaciteacute eacutelectrique farad Fharr A2 middotmminus1 middotNminus1 middot s2Champ magneacutetique tesla Tharr Aminus1 middotmminus1 middotNInductance henry Hharr Aminus2 middotm middotNFlux magneacutetique weber Wbharr Aminus1 middotm middotNFlux lumineux lumen lmharr cd middot srIllumination lux lxharr cd middotmminus2 middot sr

14 Multiples deacutecimaux pour les uniteacutes

Facteur Preacutefixe Symbole Facteur Preacutefixe Symbole10 deacuteca- da 10minus1 deacuteci- d102 hecto- h 10minus2 centi- c103 kilo- k 10minus3 milli- m106 meacutega- M 10minus6 micro- micro

109 giga- G 10minus9 nano- n1012 tera- T 10minus12 pico- p1015 peta- P 10minus15 femto f1018 exa- E 10minus18 atto- a

Annexe E mformulairetex 2772008 2251Page 189

2 Constantes fondamentales 189

2 Constantes fondamentales

Constante ValeurConstante de gravitation G = 6 67259 middot 10minus11 m3 middot kgminus1 middot sminus2Ceacuteleacuteriteacute de la lumiegravere dans levide

c = 299792458 m middot sminus1c asymp 3 middot 108 m middot sminus1

Permeacuteabiliteacute du videmicro0 = 4π middot 10minus7 H middotmminus1micro0 asymp 1 25664 middot 10minus6 H middotmminus1

Permittiviteacute du vide ε0 asymp 8 85419 middot 10minus12 F middotmminus1

Constante de Planck h = 6 6260755 middot 10minus34 J middot sminus1h = 4 135669 middot 10minus15 eV middot s

Constante des gaz parfaits R = 8 314 J middotKminus1 middotmolminus1

Nombre drsquoAvogadro N = 6 0221367 middot 1023 molminus1

Constante de Boltzmann k = 1 380658 middot 10minus23 J middotKminus1Charge eacuteleacutementaire e = 1 602217733 middot 10minus19 CConstante de Faraday F = 96485 309 C middotmolminus1

Constante de Stefan-Boltzmann σ = 5 67051 middot 10minus8 W middotmminus2 middotKminus4

3 Ordres de grandeurs

Grandeur ValeurConductiviteacute du meacutetal σ asymp 108 Ωminus1 middotmminus1Tension de seuil pour une diode Vd asymp 0 6 VChamp de pesanteur agrave la surface de la Terre g = 9 8 m middot sminus2Rayon terrestre RT = 6400 kmMasse de la Terre MT asymp 6 middot 1024 kgAltitude drsquoun satellite geacuteostationnaire H asymp 36 000 kmDistance Terre-Soleil dTminusS asymp 1 5 middot 1011 mDistance Terre-Lune dTminusL asymp 3 8 middot 108 mMasse du soleil MS asymp 2 middot 1030 kgCoefficient de frottement acier-acier micro asymp 0 2Raideur drsquoun ressort k asymp 100 N middotmminus1Masse du proton mp = 1 673 middot 10minus27 kgMasse du neutron mn = 1 675 middot 10minus27 kgMasse de lrsquoeacutelectron me = 9 109 middot 10minus31 kg

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Annexe FConstantes chimiques

Potentiels standards redox

(Agrave 25˚C 1013 bar pH=0)

Couples redox E0 en voltsMnOminus4 + 4H+ + 3eminus larrrarr MnO2 + 2H2O 1700MnOminus4 + 8H+ + 5eminus larrrarr Mn2+ + 4H2O 1490Cr2O

2minus7 + 14H+ + 6eminus larrrarr 2Cr3+ + 7H2O 1330

MnO2 + 4H+ + 2eminus larrrarr Mn2+ + 2H2O 1230Br2 + 2eminus larrrarr 2Brminus 1090Hg2+ + 2eminus larrrarr Hg 0850Ag+ + eminus larrrarr Ag 0798Hg+ + eminus larrrarr Hgminus 0790Fe3+ + eminus larrrarr Fe2+ 0780MnOminus4 + eminus larrrarr MnO2minus

4 0560I2 + 2eminus larrrarr 2Iminus 0540Cu2+ + 2eminus larrrarr Cu 0340Cu2+ + eminus larrrarr Cu+ 01502H+ + 2eminus larrrarr H2 0000Fe3+ + 3eminus larrrarr Fe minus0040

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192 [F] Constantes chimiques

Couples redox E0 en voltsPb2+ + 2eminus larrrarr Pb minus0120Sn2+ + 2eminus larrrarr Sn minus0140Fe2+ + 2eminus larrrarr Fe minus0441Zn2+ + 2eminus larrrarr Zn minus0762Mn2+ + 2eminus larrrarr Mn minus1180Al3+ + 3eminus larrrarr Al minus1660Na+ + eminus larrrarr Na minus2715Ca2+ + 2eminus larrrarr Ca minus2763Ba2+ + 2eminus larrrarr Ba minus2900K+ + eminus larrrarr K minus2924

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Annexe GTableau peacuteriodique

1re colonne alkalins meacutetalliques

2e colonne alkalino terreux

Colonnes 3ndash11 meacutetaux de transition

Colonne 17 halogegravenes

Colonnes 18 gaz rares

Gaz noble Meacutetaux

Meacutetaux de transition Alkalin meacutetaliques

Halogegravene Espegravece rare

Non meacutetaux Alkalino terreux

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194 [G] Tableau peacuteriodique

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1I H

hydrogegravene

10083 4 numeacutero atomique minusrarr 6

II Li Be C larrminus symbolelithium beacuteryllium nom de lrsquoeacuteleacutement minusrarr carbone

694 901 1201 larrminusmasse atomique11 12

III Na Mgsodium magneacutesium

2299 243119 20 21 22 23 24 25 26 27

IV K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Copotassium calcium scandium titane vanadium chrome manganegravese fer cobalt

3910 4008 4496 4788 5094 5200 5494 5585 589337 38 39 40 41 42 43 44 45

V Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rhrubidium strontium yttrium zirconium niobium molybdegravene techneacutetium rutheacutenium rhodium

8547 8762 8891 9122 9221 9594 9891 1011 102955 56 57 72 73 74 75 76 77

VI Cs Ba La Hf Ta W Re Os Irceacutesium baryum lanthane hafnium tantale tungstegravene rheacutenium osmium iridium

1329 1373 1389 1785 1809 1839 1862 1902 192287 88 89

VII Fr Ra Acfrancium radium actinium

2230 2260 2270

58 59 60 61 62Ce Pr Nd Pm Smceacuterium praseacuteodyme neacuteodyme promeacutethium samarium

1401 1409 1442 1449 150490 91 92 93 94Th Pa U Np Pu

thorium protactinium uranium neptunium plutonium

2320 2310 2380 2370 2441

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 195

195

10 11 12 13 14 15 16 17 18

2Heheacutelium

40035 6 7 8 9 10B C N O F Nebore carbone azote oxygegravene fluor neacuteon

1081 1201 1401 1600 1900 201813 14 15 16 17 18Al Si P S Cl Ar

aluminium silicium phosphore soufre chlore argon

2698 2809 3097 3207 3545 399528 29 30 31 32 33 34 35 36Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Krnickel cuivre zinc gallium germanium arsenic seacuteleacutenium brome krypton

5869 6355 6539 6972 7259 7492 7896 7990 838046 47 48 49 50 51 52 53 54Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

palladium argent cadmium indium eacutetain antimoine tellure iode xeacutenon

1064 1079 1124 1148 1187 1218 1276 1269 131378 79 80 81 82 83 84 85 86Pt Au Hg Ti Pb Bi Po At Rn

platine or mercure thallium plomb bismuth polonium astate radon

1951 1970 2006 2044 2072 2090 2100 2100 2220

63 64 65 66 67 68 69 70 71Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

europium gadolinium terbium dysprosium holmium erbium thulium ytterbium luteacutetium

1520 1573 1589 1625 1649 1673 1689 1730 175095 96 97 98 99 100 101 102 103Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

ameacutericium curium berkeacutelium californium einstenium fermium mendeacutelevium nobeacutelium lawrencium

2431 2471 2471 2521 2521 2571 2561 2591 2601

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Index

Abel (lemme drsquondash) 51absorption 137accroissements finis

(theacuteoregraveme des) 39activiteacute 164adheacuterence 29adiabatique (transformation ndash) 81adjoint (drsquoun

endormorphisme) 24affiniteacute 145Alembert

eacutequation drsquondash 132regravegle de drsquondash 49theacuteoregraveme de drsquondash 10

algegravebre 5Ampegravere (theacuteoregraveme drsquondash) 121amplificateur opeacuterationnel 73angles remarquables 177anneau 3application

composition 11injective 11lipschitizienne 37surjective 11

application lineacuteaire 12ndash17image 15 16noyau 15 16rang 15

application lineaire

spectre 26approximation des eacutetats quasi

stationnaires (AEQS) 149arrangement 5Arrheacutenius (loi drsquondash) 149asymptote 61asymtote 63auto-induction 126automorphisme 15automorphismes

orthogonaux 25avancement drsquoune reacuteaction 148

base 13changement de ndash 19duale 14

Bertrandseacuterie de ndash 48

Bessel (ineacutegaliteacute de ndash) 23Bezout

eacutegaliteacute de 9Bezout (theacuteoregraveme de ndash) 7binocircme (de Newton) 6Binet (formules de ndash) 100Biot et Savart (loi de ndash) 121Bolzano-Weiertrass

(theacuteoregraveme de ndash) 35boule

fermeacutee 28ouverte 28

branche infinie 61

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198 INDEX

branche parabolique 61

capaciteacutes thermiques 78Cauchy

critegravere de ndash 49produit de ndash 50regravegle de ndash 49suite de ndash 30

Cauchy-Lipschitz (theacuteoregravemede ndash) 45

Cauchy-Schwarz (ineacutegaliteacute de ndash)22

Cayley-Hamilton (theacuteoregraveme de ndash) 27

centre drsquointertie (theacuteoregravemedu ndash) 91

chaleur latente 83champ

gravitationnel 119magneacutetostatique 121

champeacutelectrostatique 118

changement de reacutefeacuterentiel 90Chasles (relation de ndash) 43cineacutetique chimique 148Clapeyron (relation de ndash) 83classe (drsquoune fonction) 39classe drsquoeacutequivalence 2codimension 14coefficients

thermoeacutelastiques 77combinaison 6compacte (partie) 29complegravete (partie ndash) 30complexe (nombre ndash) 32ndash33composition

des acceacuteleacuterations 90des vitesses 90

conduction de la chaleur 85coniques 68conjugueacute (drsquoun nombre complexe)

32connexiteacute par arcs 30constante

drsquoeacutecran 143drsquoaciditeacute 167

de vitesse (drsquoune reacuteaction) 148continuiteacute 36continuiteacute uniforme 37convection 85convegence

simple (seacuterie drsquoapplications)55

convergenceabsolue (seacuterie drsquoapplications)

55absolue (seacuterie) 50normale (seacuterie drsquoapplications)

55normale (seacuterie de Fourier) 57semi-convergence (seacuterie) 50simple (suite drsquoapplications)

52theacuteoregraveme de ndash domineacutee (suite

drsquoapplications) 54theacuteoregraveme de ndashmonotone (suite

drsquoapplications) 54uniforme (seacuterie drsquoapplications)

55uniforme (suite drsquoapplications)

52convexiteacute 40convexiteacute (ineacutegaliteacute de ndash) 40coordonneacutees

carteacutesiennes 88cylindriques 88polaires 62spheacuteriques 89

Coriolisacceacuteleacuteration de ndash 90force de ndash 90

corps 4Coulomb (lois de ndash) 105couple

redox 163courbure 64Cramer (systegraveme de ndash) 21

deacuteriveacutee 38partielle 58selon un vecteur 58

deacuterivabiliteacute 39deacuteterminant 19

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 199

INDEX 199

deacuteveloppements limiteacutes 175degreacute (drsquoun polynocircme) 8Descartes (loi de ndash) 106dieacutelectriques (milieux ndash) 138diagonalisabiliteacute 27diagramme

binaires 160ndash163drsquoEllingham 165E-pH 166intensiteacute-potentiel 168

diffeacuteomorphisme 40diffraction 116ndash118diffusion

eacutequation de ndash 67de chaleur 85

direction asymptotique 61 63Dirichlet (theacuteoregraveme de ndash) 57dispersion 137

relation de 134divisibiliteacute

dans N 6dans K[X] 9

division euclidiennedrsquoun polynocircme 9dans N 6

domination (theacuteoregraveme de ndash) 42

eacutelectrostatique 118endomorphisme 15

adjoint 24eacutenergie

cineacutetique 93cineacutetique (du solide) 101interne 77meacutecanique 93magneacutetique 127potentielle 94

enthalpie 78entropie 80eacutequation

drsquoonde 132diffeacuterentielle 66redox 164

eacutequation diffeacuterentielle 44lineacuteaire du premier ordre 44

lineacuteaire du second ordre 45eacutequilibre 94

stabiliteacute drsquoun ndash 95espace

euclidien 30preacutehilbertien 30vectoriel 5 12ndash17vectoriel normeacute 27ndash31

extremum local 59

factorielle 5famille

geacuteneacuteratrice 13libre 13

Faraday (loi de ndash) 126 128fermeacute 28filtre 71ndash73flux

du champ magneacutetique 126thermique 85

fonctionde plusieurs variables 58de transfert 71reacuteelle de la variable

reacuteelle 35ndash38trigonomeacutetrique

reacuteciproque 38fonctions implicites (theacuteoregraveme

des ndash) 59force

centrale 99drsquoinertie 90de Lorentz 98

formelineacuteaire 14quadratique 22

forttements solide 105Fourier

loi de ndash 85seacuteries de ndash 57

fraction rationnelle 10ndash11Fresnel

miroirs de ndash 115principe drsquoHuyghens ndash 116

Gaussapproximation de ndash 107

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200 INDEX

theacuteoregraveme de ndash 7 119gaz parfait 76Gibbs

regravegle des phases de ndash 159relation deGibbsndashDuhem 153relation de GibbsndashHelmoltz

153gradient 58Grassman (formule de ndash) 17groupe 2

cyclique 3geacuteneacuterateurs de ndash 3monogegravene 3

Heine (theacuteoregraveme de ndash) 37Henry (loi de ndash) 160Hess (loi de ndash) 157Hund (principe de ndash) 145hysteacuteresis 130

ideacuteal 4identiteacutes thermodynamiques 80ineacutegaliteacute de la moyenne 41induction

de Lorentz 128de Neumann 126

inertie (force drsquondash) 90injective 11inteacutegrale

deacutependant drsquoun paramegravetre43

de Riemann 42impropre 43

inteacutegration 41ndash44inteacuterieur (drsquoune partie) 29interfeacuterences 109ndash116interfeacuteromegravetre

de Fabry-Perot 115de Michelson 112

intgreacuteationpar parties 41

isomorphisme 15

jauge de Lorentz 124

Kœnig (theacuteoregravemes de ndash) 92 93103 104

Kepler (lois de ndash) 100Klechkowsky (regravegle de ndash) 145

lames agrave retard 135Laplace (force de ndash) 122Le Chacirctelier (loi de ndash) 159Leibniz (formule de ndash) 39lemme drsquoAbel 51lentille mince 108Lenz (loi de ndash) 126limite 36lipschitzienne (application ndash) 37loi

drsquoArrheacutenius 149drsquoOhm 125de Biot et Savart 121de composition 2de Faraday 126 128de Fourier 85de Hess 157de Le Chacirctelier 159de Lenz 126de Planck 86de Pouillet 69de Raoult 160de SnellndashDescartes 106 140de Stefan 87de Vanrsquot Hoff 149des mailles 69des noeuds 69

longueur (drsquoun arc) 64

machinesthermiques 83

magneacutetostatique 121Malus (theacuteoregraveme de ndash) 110mateacuteriaux magneacutetiques 129matrice 17ndash22

exponentielle de ndash 19inverse 20opeacuterations 18produit 18

Maxwelleacutequations de ndash dans le vide

123

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 201

INDEX 201

eacutequations de ndash dans lesmilieux 139

eacutequation de ndash en ARQS 129Minkowski (ineacutegaliteacute de ndash) 23miroirs

de Fresnel 115spheacuteriques 107

modes propres 131module (drsquoun nombre complexe)

32Moivre (formule de ndash) 33moment cineacutetique 92

theacuteoregraveme du ndash 92 103multipliciteacute (des racines) 10

Nernst (formule de ndash) 164Newton

binocircme de ndash 6nombre

drsquooxydations 163entier 5ndash7premier 7quantique 143rationnel 5ndash7

normeeacutequivalente 28euclidienne 22

Ohm (loi drsquondash) 125onde

eacutelectromagneacutetique 134ndash140eacutequation drsquondash 132lumineuse 109plane progressive 133stationnaire 133

orbitaleatomique 144moleacuteculaire 147

orthogonaliteacute 23oscillateurs 95

coupleacutes 131ouvert 28oxydo-reacuteduction 163

paramagneacutetisme 129Parseval (eacutegaliteacute de ndash) 57

Pauli (principe de ndash) 145pgcd dans Z 7pKa 167Planck (loi de ndash) 86point

bireacutegulier 59reacutegulier 59

polarisationdrsquoun dieacutelectrique 138de la lumiegravere 135

polynocircme 8ndash11caracteacuteristique 26scindeacute 10

potentieleacutelectrique 118chimique 154redox 164

Pouillet (loi de ndash) 69Poynting (vecteur de ndash) 124Poyting (vecteur de ndash) 136ppcm dans Z 7premier principe (thermodynamique)

77primitives usuelles 173principe fondamental de la

dynamique 91prisme 107produit scalaire 22projecteur 16puissance

drsquoune force 93 104rayonneacutee 136

puissance eacutelectromagneacutetique 123Pythagore (theacuteoregraveme de ndash) 30

reacutefeacuterentielchangement de ndash 90galileacuteen 91

reacuteflextion drsquoune onde 140reacutesultante cineacutetique (theacuteoregraveme de

la ndash) 103regravegle

de Klechkowsky 145regravegle des xα f (x) 42

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202 INDEX

racinedrsquoun polynocircme 10niegravemes drsquoun complexe 33niegravemes de lrsquouniteacute 33

rangdrsquoune application lineacuteaire 15formule du ndash 15

Raoult (loi de ndash) 160rayon de courbure 64relation

binaire 1drsquoeacutequivalence 1drsquoordre 1de conjugaison 108de dispersion 134de structure 134

Riemanninteacutegrale de ndash 42seacuterie de ndash 48somme de ndash 41

Rolle (theacuteoregraveme de ndash) 39roulement sans glissement 101 105

seacuterie 47ndash51alterneacutee 49de Bertrand 48de Fourier 57de Riemann 48geacuteomeacutetrique 48produit de Cauchy 50

seacuterie entiegravere 51ndash52deacuterivation 51inteacutegration 51rayon de convergence 51

Schwarz (theacuteoregraveme de ndash) 59SnellndashDescartes (loi de ndash) 140solide (meacutecanique du ndash) 101somme de Riemann 41somme directe 12sous-anneau 4sous-espace

suppleacutementaire 13sous-espace propre 26sous-groupe 3spectroscopie 141Stefan (loi de ndash) 87

Stirling (formule de ndash) 50suite 34ndash35

adjacente 35arithmeacutetique 34extraite 35geacuteomeacutetrique 34

suppleacutementaire (sous-espaces) 13surjective 11susceptibiliteacute

eacutelectrique 139magneacutetique 129 130

symeacutetrie 16drsquoune courbe parameacutetreacutee 61drsquoune courbe polaire 63

systegraveme lineacuteaire 21de Cramer 21

tangente (agrave une courbe) 60Taylor-Lagrange

ineacutegaliteacute de ndash 40Taylor-Young (formule de ndash) 40tempeacuterature drsquoinversion 158Theacuteoregraveme

de Dirichlet 57de Scharz 59

theacuteoregravemedrsquoeacutequivalence 42de domination 42de Rolle 39des accroissements finis 39

topologie 27torseur cineacutetique 101

valeur drsquoadheacuterence 29valeur propre 26Van der Waals (gaz de ndash) 77Vanrsquot Hoff (loi de ndash) 149variance 159vecteur propre 26vitesse

drsquoentraicircnement 90de groupe 137de phase 137de reacuteaction 148quadratique moyenne 76

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 203

INDEX 203

voisinage 29

Weierstrassdeuxiegraveme theacuteoregraveme de ndash 54premier theacuteoregraveme de ndash 54

Young (trous drsquondash) 111

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jrsquointegravegre

matheacutematiques

physique

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  • Table des matiegraveres
    • Avant-propos
    • Chapitre 1 Matheacutematiques
      • 1 Algegravebre
        • 11 Relations
        • 12 Structures algeacutebriques
        • 13 Nombres entiers nombres rationnels
        • 14 Arithmeacutetique dans Z
        • 15 Polynocircmes et fractions rationnelles
        • 16 Geacuteneacuteraliteacutes sur les applications
        • 17 Applications lineacuteaires ndash Espaces vectoriels
        • 18 Matrices ndash Deacuteterminants ndash Systegravemes lineacuteaires
        • 19 Espaces vectoriels euclidiens
        • 110 Reacuteduction des endomorphismes
          • 2 Analyse
            • 21 Espaces vectoriels normeacutes
            • 22 Nombres reacuteels
            • 23 Nombres complexes
            • 24 Suites
            • 25 Fonctions reacuteelles de la variable reacuteelle
            • 26 Deacuterivation
            • 27 Inteacutegration
            • 28 Eacutequations diffeacuterentielles
            • 29 Seacuteries
            • 210 Seacuteries entiegraveres
            • 211 Suites et seacuteries drsquoapplications
            • 212 Seacuteries de Fourier
            • 213 Fonctions de plusieurs variables
              • 3 Geacuteomeacutetrie
                • 31 Courbes du plan
                • 32 Proprieacuteteacutes meacutetriques des courbes
                    • Chapitre 213Physique
                      • 0 Eacuteleacutements de matheacutematiques
                        • 01 Diffeacuterentielles
                        • 02 Eacutequations diffeacuterentielles
                        • 03 Coniques
                          • 1 Eacutelectronique
                            • 11 Lois geacuteneacuterales
                            • 12 Reacutegime variable
                            • 13 Montages avec amplificateur opeacuterationnel
                              • 2 Thermodynamique
                                • 21 Gaz parfait
                                • 22 Premier et second principes de la thermodynamique
                                • 23 Changements de phase drsquoun corps pur
                                • 24 Machines thermiques
                                • 25 Diffusion thermique
                                • 26 Rayonnement thermique
                                  • 3 Meacutecanique du point
                                    • 31 Cineacutematique
                                    • 32 Changement de reacutefeacuterentiel
                                    • 33 Lois geacuteneacuterales de la meacutecanique
                                    • 34 Oscillateurs
                                    • 35 Mouvement drsquoune particule chargeacutee
                                    • 36 Systegravemes de deux points mateacuteriels
                                      • 4 Meacutecanique du solide
                                        • 41 Cineacutematique du solide
                                        • 42 Theacuteoregravemes geacuteneacuteraux de la dynamique
                                        • 43 Contacts entre les solides
                                          • 5 Optique
                                            • 51 Geacuteneacuteraliteacutes
                                            • 52 Optique geacuteomeacutetrique
                                            • 53 Interfeacuterences lumineuses
                                            • 54 Interfeacuteromegravetre de Michelson
                                            • 55 Autres dispositifs drsquointerfeacuterences
                                            • 56 Diffraction des ondes lumineuses
                                              • 6 Eacutelectromagneacutetisme
                                                • 61 Eacutelectrostatique
                                                • 62 Magneacutetostatique
                                                • 63 Eacutequations de Maxwell dans le vide
                                                • 64 Conduction meacutetallique
                                                • 65 Induction dans un circuit fixe avec B variable
                                                • 66 Induction dans un circuit mobile soumis agrave B stationnaire
                                                • 67 Mateacuteriaux magneacutetiques
                                                  • 7 Ondes
                                                    • 71 Oscillateurs coupleacutes
                                                    • 72 Eacutequation de drsquoAlembert - Ondes stationnaires
                                                    • 73 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans le vide
                                                    • 74 Dispersion ndash Absorption
                                                    • 75 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans les milieux mateacuteriels
                                                        • Chapitre 3 Chimie
                                                          • 1 Atomistique
                                                            • 11 Spectroscopie
                                                            • 12 Modegravele ondulatoire
                                                            • 13 Atome polyeacutelectronique
                                                            • 14 Architecture moleacuteculaire
                                                            • 15 Orbitales moleacuteculaires
                                                              • 2 Cineacutetique
                                                              • 3 Cristallographie
                                                                • 31 Geacuteneacuteraliteacutes
                                                                • 32 Mailles et sites dans les cristaux meacutetalliques
                                                                • 33 Cristaux ioniques
                                                                  • 4 Thermodynamique
                                                                    • 41 Fonctions drsquoeacutetat
                                                                    • 42 Potentiel chimique
                                                                    • 43 Grandeurs standards de reacuteaction
                                                                    • 44 Eacutequilibres chimiques
                                                                    • 45 Eacutequilibres liquidendashvapeur
                                                                    • 46 Reacuteactions drsquooxydoreacuteduction
                                                                      • 5 Mateacuteriaux meacutetalliques
                                                                        • 51 Diagrammes drsquoEllingham
                                                                        • 52 Diagrammes potentiel-pH
                                                                        • 53 Courbes intensiteacutendashpotentiel
                                                                        • 54 Corrosion
                                                                            • Annexe A13Primitives usuelles
                                                                            • Annexe B13Deacuteveloppements limiteacutes
                                                                            • Annexe C Formules13trigonomeacutetriques
                                                                              • 1 Angles remarquables
                                                                              • 2 Relations trigonomeacutetriques
                                                                                • Annexe D13Opeacuterateurs vectoriels
                                                                                  • 1 Notations
                                                                                  • 2 Gradient
                                                                                  • 3 Divergence
                                                                                  • 4 Rotationnel
                                                                                  • 5 Laplacien13
                                                                                  • 6 Relations entre les opeacuterateurs
                                                                                  • 7 Theacuteoregravemes geacuteomeacutetriques
                                                                                    • Annexe E Uniteacutes et constantes13fondamentales
                                                                                      • 1 Uniteacutes du Systegraveme International
                                                                                        • 11 Uniteacutes principales du systegraveme international
                                                                                        • 12 Uniteacutes secondaires du systegraveme international
                                                                                        • 13 Uniteacutes courantes du systegraveme international
                                                                                        • 14 Multiples deacutecimaux pour les uniteacutes
                                                                                          • 2 Constantes fondamentales
                                                                                          • 3 Ordres de grandeurs
                                                                                            • Annexe F13Constantes chimiques
                                                                                            • Annexe G13Tableau peacuteriodique
                                                                                              • Index
Page 5: 4 Le formuLaire mpsi, mp... 6493233 isBn 978-2-10-051941-5 lionel porcheron ingenieur de l’enseeiht à toulouse. • Toutes les formules et définitions du pro-gramme de mpsi et

copy Dunod Paris 2000 2003 2004 2008

9782100519415_lim_P01-04 Page IV Mardi 5 aoucirct 2008 314 15

ISBN 978-2-10-053787-7

Chapitre 0 mformulairetex 2772008 2251Page V

Table des matiegraveres

Avant-propos IX

Chapitre 1 Matheacutematiques 11 Algegravebre 1

11 Relations 112 Structures algeacutebriques 213 Nombres entiers nombres rationnels 514 Arithmeacutetique dans Z 715 Polynocircmes et fractions rationnelles 816 Geacuteneacuteraliteacutes sur les applications 1117 Applications lineacuteaires ndash Espaces vectoriels 1218 Matrices ndash Deacuteterminants ndash Systegravemes lineacuteaires 1719 Espaces vectoriels euclidiens 22110 Reacuteduction des endomorphismes 26

2 Analyse 2721 Espaces vectoriels normeacutes 2722 Nombres reacuteels 3123 Nombres complexes 3224 Suites 3425 Fonctions reacuteelles de la variable reacuteelle 3526 Deacuterivation 3827 Inteacutegration 4128 Eacutequations diffeacuterentielles 4429 Seacuteries 47210 Seacuteries entiegraveres 51211 Suites et seacuteries drsquoapplications 52

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 0 mformulairetex 2772008 2251Page VI

VI Table des matiegraveres

212 Seacuteries de Fourier 57213 Fonctions de plusieurs variables 58

3 Geacuteomeacutetrie 5931 Courbes du plan 5932 Proprieacuteteacutes meacutetriques des courbes 64

Chapitre 2 Physique 65

0 Eacuteleacutements de matheacutematiques 6501 Diffeacuterentielles 6502 Eacutequations diffeacuterentielles 6603 Coniques 68

1 Eacutelectronique 6911 Lois geacuteneacuterales 6912 Reacutegime variable 7013 Montages avec amplificateur opeacuterationnel 73

2 Thermodynamique 7621 Gaz parfait 7622 Premier et second principes de la thermodynamique 7723 Changements de phase drsquoun corps pur 8124 Machines thermiques 8325 Diffusion thermique 8526 Rayonnement thermique 86

3 Meacutecanique du point 8831 Cineacutematique 8832 Changement de reacutefeacuterentiel 9033 Lois geacuteneacuterales de la meacutecanique 9134 Oscillateurs 9535 Mouvement drsquoune particule chargeacutee 9836 Systegravemes de deux points mateacuteriels 99

4 Meacutecanique du solide 10141 Cineacutematique du solide 10142 Theacuteoregravemes geacuteneacuteraux de la dynamique 10343 Contacts entre les solides 104

5 Optique 10551 Geacuteneacuteraliteacutes 10552 Optique geacuteomeacutetrique 10653 Interfeacuterences lumineuses 10954 Interfeacuteromegravetre de Michelson 11255 Autres dispositifs drsquointerfeacuterences 11556 Diffraction des ondes lumineuses 116

Chapitre 0 mformulairetex 2772008 2251Page VII

Table des matiegraveres VII

6 Eacutelectromagneacutetisme 11861 Eacutelectrostatique 11862 Magneacutetostatique 12163 Eacutequations de Maxwell dans le vide 12364 Conduction meacutetallique 12565 Induction dans un circuit fixe avec BBB variable 12666 Induction dans un circuit mobile soumis agrave BBB stationnaire 12867 Mateacuteriaux magneacutetiques 129

7 Ondes 13171 Oscillateurs coupleacutes 13172 Eacutequation de drsquoAlembert - Ondes stationnaires 13273 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans le vide 13474 Dispersion ndash Absorption 13775 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans les milieux mateacuteriels 138

Chapitre 3 Chimie 1411 Atomistique 141

11 Spectroscopie 14112 Modegravele ondulatoire 14213 Atome polyeacutelectronique 14314 Architecture moleacuteculaire 14515 Orbitales moleacuteculaires 147

2 Cineacutetique 148

3 Cristallographie 15031 Geacuteneacuteraliteacutes 15032 Mailles et sites dans les cristaux meacutetalliques 15033 Cristaux ioniques 152

4 Thermodynamique 15341 Fonctions drsquoeacutetat 15342 Potentiel chimique 15443 Grandeurs standards de reacuteaction 15544 Eacutequilibres chimiques 15745 Eacutequilibres liquidendashvapeur 16046 Reacuteactions drsquooxydoreacuteduction 163

5 Mateacuteriaux meacutetalliques 16551 Diagrammes drsquoEllingham 16552 Diagrammes potentiel-pH 16653 Courbes intensiteacutendashpotentiel 16854 Corrosion 170

Annexe A Primitives usuelles 173

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 0 mformulairetex 2772008 2251Page VIII

VIII Table des matiegraveres

Annexe B Deacuteveloppements limiteacutes 175

Annexe C Formules trigonomeacutetriques 1771 Angles remarquables 177

2 Relations trigonomeacutetriques 178

Annexe D Opeacuterateurs vectoriels 1811 Notations 181

2 Gradient 182

3 Divergence 183

4 Rotationnel 183

5 Laplacien 184

6 Relations entre les opeacuterateurs 185

7 Theacuteoregravemes geacuteomeacutetriques 186

Annexe E Uniteacutes et constantes fondamentales 1871 Uniteacutes du Systegraveme International 187

11 Uniteacutes principales du systegraveme international 18712 Uniteacutes secondaires du systegraveme international 18813 Uniteacutes courantes du systegraveme international 18814 Multiples deacutecimaux pour les uniteacutes 188

2 Constantes fondamentales 189

3 Ordres de grandeurs 189

Annexe F Constantes chimiques 191

Annexe G Tableau peacuteriodique 193

Index 197

Chapitre 0 mformulairetex 2772008 2251Page IX

Avant-propos

La quatriegraveme eacutedition de ce formulaire rassemble les principaux reacutesultats descours de matheacutematiques de physique et de chimie eacutetablis tout au long desdeux anneacutees de classes preacuteparatoires dans la filiegravere MP Cette nouvelle eacutedi-tion srsquoameacuteliore encore un peu avec lrsquoapparition de la couleur Ce formulairesrsquoaveacuterera fort utile aussi bien pendant votre laquo preacutepa raquo que lorsque la peacuteriodefatidique des concours approchera

Il a eacuteteacute scindeacute en trois parties les parties relatives aux matheacutematiques agravela physique et agrave la chimie chacune drsquoentre elles rassemblant les principauxreacutesultats eacutetablis en cours pour chacune des filiegraveres auxquelles srsquoadresse cetouvrage Agrave la fin de lrsquoouvrage figurent en annexes les donneacutees qui ne sontpas neacutecessairement agrave connaicirctre mais qui sont neacuteanmoins fort utiles au quo-tidien

Un effort tout particulier a eacuteteacute fait pour rendre ces formules les plus laquo li-sibles raquo possible en deacutetaillant la signification de chaque symbole et en preacute-cisant bien agrave chaque fois les conditions drsquoapplication de ces formules Sou-lignons tout de mecircme que lrsquoapprentissage de ces formules ne se substituepas agrave lrsquoapprentissage du cours

Merci agrave tous ceux qui ont accepteacute de collaborer agrave cet ouvrage et en particu-lier agrave Pascal OLIVE et Jean-Marie MONIER pour leur consciencieuse relec-ture respective des parties physique et matheacutematiques agrave Bruno COURTETpour avoir parfaitement assureacute le suivi de ce nouveau venu dans la collec-tion laquo Jrsquointegravegre raquo

Lionel PORCHERONlionelporcheronfreefr

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Chapitre 1Matheacutematiques

1 Algegravebre

11 Relations

Proprieacuteteacutes drsquoune relation binaireSoitR une relation binaire dans E elle est dite reacuteflexive si et seulement si forallx isin E xRx

symeacutetrique si et seulement si forall(x y) isin E2 xRy =rArr yRx

antisymeacutetrique si et seulement si forall(x y) isin E2 xRyyRx

=rArr x = y

transitive si et seulement si forall(x y z) isin E3 xRyyRz

=rArr xRz

Relation drsquoordre

Une relation binaireR de E est dite relation drsquoordre si et seulement siR est reacuteflexive antisymeacutetrique et transitive

Relation drsquoeacutequivalence

Une relation binaireR de E est une relation drsquoeacutequivalence si et seule-ment siR est reacuteflexive symeacutetrique et transitive

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2 [1] Matheacutematiques

Classe drsquoeacutequivalence

SoitR une relation drsquoeacutequivalence dans E pour x isin E on appelle classedrsquoeacutequivalence de x (moduloR) lrsquoensemble deacutefini par

clR(x) = y isin E xRy

Ensemble-quotient

On appelle ensemble-quotient de E parR et on note ER lrsquoensembledes classes drsquoeacutequivalence moduloR

ER = clR x isin E

12 Structures algeacutebriques

Lois de compositions

On appelle loi interne toute application de Etimes Erarr E

Un loi lowast est dite associative si et seulement si forall(x y z) isin E3 x lowast (y lowast z) = (x lowast y) lowast z

Une loi lowast interne est dite commutative si et seulement si

forall(x y) isin E2 x lowast y = y lowast xOn dit que e est un eacuteleacutement neutre pour lowast si et seulement si

forallx isin E x lowast e = e lowast x = xOn appelle symeacutetrique de x isin E un eacutelement de E noteacute xminus1 veacuterifiant

xminus1 lowast x = x lowast xminus1 = eOn dit que rHE est stable par lowast si et seulement si

forall(x y) isin H2 x lowast y isin H

Groupe

Un ensemble muni drsquoune loi interne (G middot) est un groupe si et seule-ment si ndash middot est associative ndash middot admet un eacuteleacutement neutre e ndash tout eacuteleacutement de G admet un symeacutetrique pour la loi middotSi la loi middot est commutative on dit que le groupe G est abeacutelien ou com-mutatif

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 3

1 Algegravebre 3

Sous-groupe

Soit (G middot) un groupe Une partie H de G est un sous groupe de G si etseulement si ndash H est stable par la loi middot ndash H contient lrsquoeacuteleacutement neutre ndash forallx isin H xminus1 isin H

Groupe commutatif

ndash (ZnZ+) est un groupe commutatifndash lrsquoapplication pn Zrarr (ZnZ)

x 7rarr x mod n appeleacutee surjection canonique est

un morphisme surjectif de groupes

Geacuteneacuterateurs du groupe

Les geacuteneacuterateurs du groupe (ZnZ+) sont les k avec k isin Z et k and n =1

Groupe monogegravene ndash Groupe cyclique

ndash Un groupe G est dit monogegravene si et seulement srsquoil admet un geacuteneacutera-teur crsquoest-agrave-dire si et seulement srsquoil existe a isin G tel que G =lt a gtndash Un groupe G est dit cyclique si et seulement si G est monogegravene etfini

Anneau

Un ensemble A muni de deux lois internes noteacutees + et middot est un anneausi et seulement si ndash (A+) est un groupe commutatif drsquoeacuteleacutement neutre 0A ndash middot est associative et admet un eacuteleacutement neutre 1A ndash middot est distributive par rapport agrave + crsquoest-agrave-dire

forall(x y z) isin A3 x middot (y + z) = (x middot y) + (x middot z) (x + y) middot z = (x middot z) + (y middot z)

Si middot est commutative on dit que lrsquoanneau A est commutatifc copyDuno

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4 [1] Matheacutematiques

Anneau integravegre

On dit qursquoun anneau (A+ middot) est integravegre si et seulement si A est com-mutatif et

forall(x y) isin A2 (x middot y = 0A)rArr (x = 0A ou y = 0A)

Sous-anneau

Soit (A+ middot) un anneau B une partie de A est un sous-anneau si etseulement si ndash (B+) est un sous groupe de (A+) ndash B est stable par middot ndash 1A isin B

Ideacuteal drsquoun anneau commutatif

I est dit un ideacuteal de A anneau commutatif avec I sub A si et seulementsrsquoil veacuterifie les proprieacuteteacutes

I 6= emptyforall(x y) isin I2 x + y isin Iforalla isin A forallx isin I ax isin I

Corps

Un ensemble (K+middot)muni de deux lois internes est un corps si et seule-ment si ndash (K+ middot) est un anneau commutatif ndash Tout eacuteleacutement de K0K est inversible par la loi middot

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1 Algegravebre 5

Espace vectorielUn ensemble E est dit un K-espace vectoriel si E est non vide et sion dispose de deux lois une loi interne noteacutee + et drsquoune loi externe(Ktimes Erarr E) veacuterifiant (E+) est un groupe abeacutelien1 forall(λmicro) isin K2 forallx isin E (λ + micro)x = λx + microx

2 forallλ isin K forall(x y) isin E2 λ(x + y) = λx + λy

3 forall(λmicro) isin K2 forallx isin E λ(microx) = (λmicro)x4 forallx isin E 1x = x

AlgegravebreOn appelle K-algegravebre tout ensemble A muni drsquoune loi interne noteacutee +drsquoune loi externe Ktimes Ararr A et drsquoune loi interne noteacutee lowast veacuterifiant 1 (A+ middot) est un K-espace vectoriel2 lowast est distributive par rapport agrave +3 forallλ isin K forall(x y) isin A2 λ(x lowast y) = (λx) lowast y = x lowast (λy)Cette algegravebre est associative si et seulement si lowast est associative com-mutiative si et seulement si lowast est commutative unitaire si et seulementsi A admet un eacutelement neutre pour lowast

13 Nombres entiers nombres rationnels

Factorielle ndash Deacutefinition

n =n

prodk=1

k n factorielle nPar convention 0 = 1

Permutations

cardS(n) = nn factorielle n nombre de per-mutations drsquoun ensemble agrave n eacuteleacute-ments

Arrangements

Apn =

n(nminus p)

(n p) isin N2 avec p 6 n

On note Apn le nombre drsquoarrange-

ments de p eacuteleacutements agrave partir drsquounensemble de n eacuteleacutements (crsquoest-agrave-dire le nombre de p-uplets com-poseacutes drsquoeacuteleacutements deux agrave deux dis-tincts)

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6 [1] Matheacutematiques

Combinaisons

Cpn =

np(nminus p)

(n p) isin N2 avec p 6 nOn appelle combinaison (noteacuteeCpn) toute partie de cardinal p drsquoun

ensemble agrave n eacuteleacutements

Combinaisons ndash Proprieacuteteacutes

Cpn = C

nminuspn forall(n p) isin NtimesN

Cpn + C

p+1n = C

p+1n+1 forall(n p) isin NtimesZ

Binocircme de Newton

(x + y)n =n

sumk=0

Cknx

kynminuskn isin N(x y) isin A2 et xy = yx avec A unanneau commutatif

Divisibiliteacute

Soit (a b) isin Z2 on dit que a divise b si et seulement si il existe c isin Ztel que b = ac

Division euclidienne

forall(a b) isin ZtimesNlowast exist(q r) isin Z2 tel que a = bq + r et 0 6 r lt b

Q est archimeacutedien

forallε isin Qlowast+ forallA isin Qlowast+ existN isin Nlowast Nε gt A

Q est dense

x lt y =rArr (existz isin Qx lt z lt y) forall(x y) isin Q2

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 7

1 Algegravebre 7

14 Arithmeacutetique dans Z

Plus Grand Commun Diviseur (PGCD)Soit (x1 xn) isin Zn une famille drsquoentiers relatifs non tous nuls la fa-mille des diviseurs communs agrave tous les (xi)iisin[1n] admet un plus grandeacuteleacutement appeleacute plus grand commun diviseur

Plus Petit Commun Multiple (PPCM)Soit (x1 xn) isin Nn la famille des multiples communs non nulsaux (xi)iisin[1n] admet un plus petit eacuteleacutement appeleacute plus petit communmultiple

Nombres premiers entre euxSoient (x1 xn) isin (Zlowast)n ces nombres sont premiers entre eux si etseulement si ils veacuterifient la proprieacuteteacute pgcd(x1 xn) = 1

Theacuteoregraveme de BezoutSoient (x1 xn) isin (Zlowast)n pour que tous ces entiers soient premiersentre eux il faut et il suffit qursquoil existe (u1 un) isin Zn tel quen

sumi=1

xiui = 1

Theacuteoregraveme de Gauss

a|bcpgcd(a b) = 1 =rArr a|c forall(a b c) isin (Zlowast)3

Produit du PGCD par le PPCM

pgcd(a b) middot ppcm(a b) = |a middot b| forall(a b) isin (Zlowast)2

Nombres premiersOn dit qursquoun entier p isin N est premier si et seulement si p gt 2 et srsquoilveacuterifie

foralla isin Nlowast (a|p =rArr (a = 1 ou a = p))

Deacutecomposition en nombres premiersTout entier n isin N 0 1 admet une deacutecomposition unique en un pro-duit de nombres premiers agrave lrsquoordre pregraves des facteurs

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8 [1] Matheacutematiques

15 Polynocircmes et fractions rationnelles

Support drsquoune suite ndash Deacutefinition drsquoun polynocircme

Pour toute suite (an)nisinN de KN on apelle support lrsquoensemble des n isinN tels que an 6= 0

On appelle polynocircme agrave une indeacutetermineacutee agrave coefficients constantstoute suite de KN agrave support fini

Polynocircme agrave une indeacutetermineacutee

On note K[X] le corps des polynocircmes agrave une indeacutetermineacutee X agrave valeursdans K Tout eacuteleacutement P de K[X] peut srsquoeacutecrire sur la base canonique(Xn)nisinN sous la forme P = sum

nanX

n

Degreacute drsquoun polynocircme ndash Deacutefinition

deg P = max n isin Nan 6= 0 deg P degreacute du polynocircme P

Degreacute drsquoun polynocircme ndash Proprieacuteteacutes

deg(P + Q) 6 max(deg P degQ)

(PQ) isin K[X]

Lorsque deg P 6= degQ alors deg(P+Q)=max(deg P+degQ)

deg(PQ) = deg P + degQ

Produit

PQ = sumncnX

n

cn =n

sump=0

apbnminusp

P = sumnanX

n isin K[X]

Q = sumnbnX

n isin K[X]

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 9

1 Algegravebre 9

Composition

P Q = P(Q) = sumnanQ

nP Q polynocircme composeacuteP = sum

nanX

n isin K[X]

Q isin K[X]

Deacuterivation

Pprime = sumngt1

nanXnminus1 P = sum

nanX

n isin K[X]

Pprime polynocircme deacuteriveacute de P

Division euclidienne

forall(A B) isin (K[X])2 exist(Q R) isin (K[X])2A = BQ + R avec deg R ltdeg BQ quotient de la division euclidienne de A par BR reste de la division euclidienne de A par B

Divisibiliteacute dans K[X]

On dit que A divise P deux polynocircmes de K[X] si et seulement srsquoilexiste Q isin K[X] tel que P = AQOn appelle plus grand commun diviseur de (Pk)kisin[1n] isin (K[X] 0)le polynocircme de plus haut degreacute parmi les diviseurs des PkSoient (PQ) isin (K[X])2 ils sont dits premiers entre eux si et seulementsi leur plus grand commun diviseur est 1

Proprieacuteteacute de Gauss Soient A B et C trois polynocircmes non nuls deK[X] si A divise BC et si A et B sont premiers entre eux alors A diviseCSi A est premier avec B et avec C alors A est premier avec BC

Eacutegaliteacute de Bezout pour deux polynocircmesSoient A et B deux polynocircmes non nuls de K[X] Ces deux polynocircmessont premiers entre eux si et seulement si il existe un unique couple(UV) de polynocircmes de K[X] tels que

AU + BV = 1

Polynocircme irreacuteductibleUn polynocircme P isin K[X] est dit irreacuteductible si et seulement si deg P gt 1et si P nrsquoadmet comme diviseurs que les eacuteleacutements non nuls du corps Ket les multiples de lui-mecircmec copyDuno

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10 [1] Matheacutematiques

Fonction polynomiale

Agrave tout polynocircme P = sumnanX

n on associe la fonction polynomiale

P ξ 7rarrsumnanξ

n

Racine drsquoun polynocircme

P(α) = 0α est appeleacutee racine du polynocircmeP isin K[X] si elle veacuterifie la proprieacuteteacuteci-contre

Soit (α)iisinI famille des racines deux agrave deux distinctes du polynocircme PCe polynocircme peut alors srsquoexprimer sous la forme P = Qprod

iisinI(xminus αi)

mi

ougrave mi est la multipliciteacute de la racine αi et Q un polynocircme nrsquoayant pasde zeacutero dans K

Multipliciteacute drsquoune racine drsquoun polynocircme

P(mminus1)(α) = 0

P(m)(α) 6= 0

α est une racine P de multipli-citeacute m si elle veacuterifie la proprieacuteteacute ci-contre

Polynocircme scindeacuteUn polynocircme P isin K[X] est dit scindeacute sur K si et seulement si il existeλ isin K 0 et une famille drsquoeacuteleacutements non neacutecessairement distincts(xi)iisin[1n] tels que

P = λn

prodi=1

(Xminus xi)

Theacuteoregraveme de drsquoAlembert amp ConseacutequenceLe corps C est algeacutebriquement clos tout polynocircme non constant deK[X] admet au moins un zeacutero dans CConseacutequence Tout polynocircme non constant est scindeacute sur C

Fraction rationnelle ndash Deacutefinition

R =sumnanX

n

sumnbnX

n

R isin K(X) fraction rationnelleK(X) corps des fractions ration-nelles(an bn) isin K2 coefficients

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 11

1 Algegravebre 11

Zeacuteros et pocircles drsquoune fraction rationnelle

Soit R =P

Qisin K(X) avec (PQ) isin K[X]2 une fraction rationnelle

Si P et Q sont deux polynocircmes premiers entre eux - on appelle zeacuteros de R les zeacuteros de P- on appelle pocircles de R les zeacuteros de Q

Deacutecomposition en eacuteleacutements simples

R =P

Sα11 times middot middot middot times Sαn

n

R = E +n

sumi=1

αi

sumj=1

Cαi j

Sji

R isin K(X) une fraction ration-nelleSαi

i isin K[X] polynocircme irreacuteduc-tibles premiers deux agrave deux entreeuxforalliαi isin NlowastE isin K[X] partie entiegravere de R

16 Geacuteneacuteraliteacutes sur les applications

Application injective

forall(x y) isin E2

( f (x) = f (y) =rArr x = y)

Une application f est dite injec-tive si et seulement si elle veacuterifiela proprieacuteteacute ci-contre

Application surjective

forally isin F existx isin E f (x) = y

Une application lineacuteaire f de Edans F est dite surjective si etseulement si elle veacuterifie la pro-prieacuteteacute ci-contre

Composition de fonctions injectives de fonctions surjectives

g f injective rArr f injectiveg f surjective rArr g surjective f et g deux applicationsc copy

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12 [1] Matheacutematiques

17 Applications lineacuteaires ndash Espaces vectoriels

Espace vectoriel ndash DeacutefinitionSoit E un ensemble muni drsquoune loi interne noteacutee + drsquoune loi externeKtimes Erarr E noteacutee middot telles que (E+) est un groupe abeacutelienforallλ isin K forall(x y) isin E2 λ(x + y) = λx + λyforall(λmicro) isin K2 forallx isin E (λ + micro)x = λx + microxforall(λmicro) isin K2 forallx isin E λ(microx) = (λmicro)xforallx isin E 1x = xUn tel ensemble est appeleacute K-espace vectoriel

Sous-espace vectorielSoit E un K-espace vectoriel et F sub E F est dit sous-espace vectorielde E si et seulement si il veacuterifie les proprieacuteteacutes suivantes (1) F 6= empty(2) forall(x y) isin F2 x + y isin F(3) forallλ isin K forallx isin F λx isin F

Sous-espace engendreacute par une partie

Vect(A) =⋂

FsubEFsupA

F

E K-espace vectorielA sub EVect(A) sous-espace vectorielengendreacute par AAutrement dit Vect(A)est le pluspetit sous-espace vectoriel de Econtenant A ou si A 6= empty lrsquoen-semble des combinaisons lineacuteairesdes eacuteleacutements de E

Somme directe de sous-espaces vectoriels

E = sumiisinI

Ei

forall(i j) isin I2 Ei capsumj 6=i

E j = 0

(Ei)iisinI famille de sous-espacesvectoriels drsquoun espace vectoriel ESi la somme des Ei veacuterifie les deuxproprieacuteteacutes ci-contre elle est ditedirecteDans ce cas forallx isin E il existe uneunique deacutecomposition x = sum

iisinIxi

avec xi isin Ei

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 13

1 Algegravebre 13

Sous-espaces vectoriels suppleacutementaires

E =oplus

iisinIEi

(Ei)iisinI famille de sous-espacesvectoriels drsquoun espace vectoriel EIls sont dits suppleacutementaires si etseulement srsquoils sont en somme di-recte et que leur somme est eacutegale agraveE

Famille geacuteneacuteratriceSoit (xi)iisinI une famille de vecteurs drsquoun espace vectoriel de E sur KOn dit que cette famille est geacuteneacuteratrice si et seulement si tout eacuteleacutementx de E peut srsquoexprimer comme combinaison lineacuteaire des xi crsquoest-agrave-direqursquoil existe une famille (λi)iisinI telle que x = sum

iisinIλixi

Famille libre

sumiisinI

λixi = 0 =rArr foralli isin I λi = 0(xi)iisinI famille de vecteurs de E(λi)iisinI famille de scalaires de KUne famille est libre si elle veacuterifiela proprieacuteteacute ci-contre

Proprieacuteteacutes fondamentales des famillesndash Toute sur-famille drsquoune famille geacuteneacuteratrice drsquoune famille geacuteneacuteratriceest geacuteneacuteratricendash Toute sous famille drsquoune famille libre est une famille libre

ndash Si (x1 xn) libre et (x1 xn xn+1) lieacutee alors xn+1 =n

sumi=1

λixi

ndash Une famille comportant le vecteur nul est lieacutee

Base drsquoun espace vectoriel ndash DeacutefinitionUne base de E est une famille de vecteurs (xi)iisinI de E libre et geacuteneacutera-triceAutres formulations une base est une famille libre maximale ou en-core une famille geacuteneacuteratrice minimale

Theacuteorie de la dimensionUn K-espace vectoriel est dit de dimension finie si et seulement si Eadmet au moins une famille geacuteneacuteratrice de dimension finieSoit E un K-espace vectoriel de dimension finie alors 1 E admet au moins une base de dimension finie2 Toutes les bases de E sont finies et ont le mecircme cardinal appeleacute di-mension de E et noteacute dim E

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 14

14 [1] Matheacutematiques

Theacuteoregraveme de la base incomplegraveteSoit E un K-espace vectoriel de dimension n et F = (x1 xr)unefamille libre de E Il y a au moins une faccedilon de compleacuteter F par nminus rvecteurs drsquoune base de E pour obtenir une base de E

Base duale deacutefinition

elowasti (e j) = δi j =

1 si i = j0 si i 6= j

E K-espace-vectorielElowast dual de EB = (e1 en) une base de EBlowast = (elowast1 e

lowastn) base de Elowast

Blowast est appeleacute base duale de BProprieacuteteacutes des familles libres et des familles geacuteneacuteratrices

Soient E un K-espace vectoriel de dimension nndash Toute famille libre de E comporte au plus n eacuteleacutementsndash Toute famille geacuteneacuteratrice de E comporte au moins n eacuteleacutements

Droite vectorielle ndash HyperplanOn appelle droit vectorielle tout sous-espace vectoriel de dimension 1On appelle hyperplan tout sous-espace vectoriel de dimension nminus 1drsquoun espace vectoriel de dimension n

CodimensionSoit F un sous-espace vectoriel de E il est dit de codimension finiesi et seulement si F admet au moins un suppleacutementaire de dimensionfinie dans E

Application lineacuteaire ndash Deacutefinition

forall(x y) isin E2 forallλ isin K

f (x + λy) = f (x) + λ f (y)

On dit que f est une application li-neacuteaire de E dans F si et seulementsi elle veacuterifie la proprieacuteteacute ci-contre

Forme lineacuteaire ndash DeacutefinitionOn appelle forme lineacuteaire une application lineacuteaire qui va de E dans lecorps de reacutefeacuterence K

Applications lineacuteaires et famille de vecteursforall f isin L(E F) et pour toute famille finie F drsquoeacuteleacutements de E ndash f (Vect(F )) = Vect( f (F ))ndash si F est lieacutee alors f (F ) est lieacutee

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1 Algegravebre 15

ndash si f (F ) est libre alors F est librendash si f est bijective pour toute base B de E f (B) est une base de F

Image et noyau drsquoune application lineacuteaire ndash Deacutefinition

Im f = y isin Fexistx isin E f (x) = yOn appelle image de f le sous-espace vectoriel de F noteacute Im f deacute-fini ci-contre

Ker f = x isin E f (x) = 0On appelle noyau de f le sous-espace vectoriel de E noteacute Ker fdeacutefini ci-contre

Noyau drsquoune forme lineacuteaire

Le noyau drsquoune forme lineacuteaire autre que la forme nulle est un hyper-plan

Rang drsquoune application lineacuteaire ndash Deacutefinition

Soient E et F deux espaces vectoriels sur K et f une application lineacuteairede E dans F Si Im f est de dimension finie dim Im f srsquoappelle rangde f et se note rg f

Formule du rang

dim E = rg f + dim(Ker f )

E espace vectoriel de dimensionfinief application lineacuteairerg f rang de fKer f noyau de f

Isomorphisme ndash Endomorphisme ndash Automorphisme

ndash Un isomorphisme drsquoespaces vectoriels est une application lineacuteairede E dans F bijective

ndash Un endomorphisme de E est une application lineacuteaire de E dans E

ndash Un automorphisme est un endomorphisme bijectif On note GL(E)lrsquoensemble des automorphismes de E

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 16

16 [1] Matheacutematiques

Endomorphisme nilpotentOn dit qursquoun endomorphisme f drsquoun K-espace-vectoriel E est nil-potent si et seulement si existp isin Nlowast tel que f p = 0 Lrsquoordre de nilpotenceest alors le plus petit p isin Nlowast tel que f p = 0

Applications lineacuteaires ndash Cas de la dimension finie

(1) f isomorphisme(2) f injective(3) f surjective(4) rg f = n

E et F deux espaces vectoriels demecircme dimension n sur Kf isin L(E F)Les propositions ci-contre sontdeux agrave deux eacutequivalentes

(1) f automorphisme(2) f injective(3) f surjective(4) rg f = n

E espace vectoriel de dimensionn sur Kf isin L(E)Les propositions ci-contre sontdeux agrave deux eacutequivalentes

Image et noyau drsquoune application lineacuteaire ndash Proprieacuteteacutes

f surjective lArrrArr Im f = Ff injective lArrrArr Ker f = 0 f application lineacuteaire de E dans F

Projecteur ndash Deacutefinition

p2 = p (1)

Un projecteur est une applicationlineacuteaire veacuterifiant la relation (1)p est alors le projecteur sur Im pparallegravelement agrave Ker p

Symeacutetrie ndash Deacutefinition

s2 = IdE

Une symeacutetrie est une applicationlineacuteaire veacuterifiant la relation ci-contre

p = 12 (s + IdE) est un projecteur

s est la symeacutetrie par rapportagrave Ker(s minus IdE) parallegravelement agraveKer(s + IdE)

Une symeacutetrie est une applicationlineacuteaire veacuterifiant les proprieacuteteacutes ci-contre

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 17

1 Algegravebre 17

Formule de Grassman

dim(A + B) = dim A + dim B minus dim(A cap B) ougrave A et B sont deuxsous-espaces vectoriels de E de dimensions finies

18 Matrices ndash Deacuteterminants ndash Systegravemes lineacuteaires

Ensemble des matrices

On noteMmn(K) lrsquoensemble des matrices agrave m lignes et n colonnes

Matrices et applications lineacuteaires

f (e j) =m

sumi=1

ai j fi

f application lineacuteaire de E dans Fdeux espaces vectoriels de dimen-sion finieM = (ai j)iisin[1m] jisin[1n] matrice as-socieacutee agrave lrsquoapplication lineacuteaire fB = (e j) jisin[1n] base de E

Bprime = ( fi)iisin[1m] base de F

Somme de deux matrices

γi j = αi j + βi j

M = (αi j) isin Mmn(K)

N = (βi j) isin Mmn(K)

M + N = (γi j) isin Mmn(K)

Produit drsquoune matrice par un scalaire

M = λN

(γi j) = (λ middot αi j)

λ isin KM = (αi j) isin Mmn(K)

N = (γi j) isin Mmn(K)

c copyDuno

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toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 18

18 [1] Matheacutematiques

Produit de matrices

β1 jβ2 j

βk j

βp j

αi1αi2 middot middot middotαik middot middot middotαip

γi j

M = (αik) isin Mmp(K)N = (βk j) isin Mpn(K)

MN = (γi j) isin Mmn(K)

γi j =p

sumk=1

αik middot βk j

Proprieacuteteacutes des opeacuterations sur les matrices

(M + N)P = MP + NP (MN) isin (Mmp(K))2 P isinMpn(K)

(microM)(λN) = microλ(MN)

M isin Mmp(K)N isin Mpn(K)

(λmicro)2 isin K2

(MN)P = M(NP)

M isin Mmp(K)N isin Mpn(K)N isin Mnq(K)

Attention En geacuteneacuteral MN 6= NM

Transposeacutee drsquoune matrice

A = (ai j) iisin[1n]

jisin[1p]

tA = (a ji) jisin[1p]iisin[1n]

A isin Mnp(K)tA isin Mpn(K) matrice transpo-seacutee de A

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 19

1 Algegravebre 19

Changement de base

Aprime = Qminus1AP

Aprime matrice drsquoune application li-neacuteaire de E (dans la base base Bprime)vers F (dans la base base C prime)A matrice de la mecircme applicationlineacuteaire de E (dans la base base B)vers F (dans la base base C)P matrice de passage de B agrave BprimeQ matrice de passage de C agrave C primeDans le cas drsquoun endomorphismeQ = P (seulement deux bases sontneacutecessaires)

Exponentielle de matrice

exp(A) =+infin

sumk=0

1kAk

A isin Mn(K)exp(A) exponentielle de la ma-trice A

Deacuteterminant ndash DeacutefinitionUn deacuteterminant est une forme multilineacuteaire alterneacuteeMultilineacuteariteacute (det(α1V1 αnVn) = α1 middot middot middot middot αn det(V1 Vn))Alterneacutee Vi = Vj avec i 6= j =rArr det(V1 Vn) = 0Dans une base B = (e1 en) de E on note detB lrsquoapplication

detB(V1 Vn) = sumσisinSn

ε(σ)aσ(1)1 middot middot middot aσ(n)n

Avec Vj =n

sumi j=1

ai j jei j j

Deacuteterminant drsquoun produit de matrices

det(M middot N) = detM middot detN M isin Mn(K)N isin Mn(K)

Deacuteterminant et matrice inversible

M inversible lArrrArr detM 6= 0c copyDuno

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 20

20 [1] Matheacutematiques

det(Mminus1) = (detM)minus1 M isin Mn(K) inversible

Deacuteterminant de Vandermonde∣∣∣∣∣∣∣

1 x1 x21 middot middot middot xnminus11

1 xn x2n xnminus1n

∣∣∣∣∣∣∣= prod

16 jlti6n

(xi minus x j) (x1 xn) isin Kn

Matrice inversible ndash DeacutefinitionUne matrice M isin Mn(K) est dite inversible srsquoil existe une matrice Ntelle que

M middot N = N middotM = InLa matrice N est alors appeleacutee inverse de M et se note Mminus1

Matrices inversiblesSoit A isin Mn(K) et f un endomorphisme repreacutesenteacute par A dans unebase Les proprieacuteteacutes ci-dessous sont deux agrave deux eacutequivalentes (1) f est bijective(2) A est inversible agrave gauche(3) A est inversible agrave droite(4) A est inversible(5) A est reacuteguliegravere agrave gauche(6) A est reacuteguliegravere agrave droite(7) A est reacuteguliegravere

Matrice des cofacteurs ndash Comatrice

comM = (detMi j)iisin[1n]jisin[1n]

comM comatrice de M (ou ma-trice des cofacteurs)Mi j matrice M laquo priveacutee raquo de sa ie

ligne et de sa je colonne

Matrice inverse

Mminus1 =1

detM

t

com(M)

M isin Mn(K) matrice inversiblecom(M) matrice des cofacteursde M

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 21

1 Algegravebre 21

Systegraveme lineacuteaire ndash Deacutefinition

a11x1 + middot middot middot+ a1pxp = b1

an1x1 + middot middot middot+ anpxp = bn

On peut interpreacuteter ce systegravemecomme le produit de la matriceA = (ai j)iisin[1n] jisin[1p] par le vecteurX = (xi)iisin[1p] (vecteur inconnu)Ce produit est eacutegal au vecteur se-cond membre B = (bi)iisin[1n]

Systegraveme de Cramer

forall j isin [1 p] x j =det A j(b)

det A

Dans le cas drsquoun systegraveme de Cra-mer n = p = rg ALe systegraveme admet alors une so-lution unique donneacutee par les for-mules de Cramer ci-contreA j(b) est obtenue agrave partir de A enremplaccedilant le vecteur colonne c jpar b

Cas ougrave rg A = n lt p

Apregraves permutation des inconnues on peut supposer que la matriceAprime = (ai j)iisin[1n]

jisin[1n]

extraite de A est inversible On eacutetablit alors le systegraveme

suivant

a11x1 + middot middot middot+ a1nxn = b1 minus (a1n+1xn+1 + middot middot middot+ a1pxp)

an1x1 + middot middot middot+ annxn = bn minus (ann+1xn+1 + middot middot middot+ anpxp)

Ce systegraveme est de Cramer et admet donc une solution unique Cetensemble est un sous-espace affine de dimension pminus n

Cas ougrave rg A lt n

Soit on peut se ramener au cas preacuteceacutedent par combinaison lineacuteaire deseacutequations soit le systegraveme nrsquoadmet pas de solutionc copyDuno

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 22

22 [1] Matheacutematiques

19 Espaces vectoriels euclidiens

Produit scalaire ndash Deacutefinition

Un produit scalaire euclidien surE est une application ϕ de E2 dansR veacuterifiant (1) ϕ est bilineacuteaire(2) ϕ est symeacutetrique(3) forallx isin E ϕ(x x) gt 0(4) forallx isin E ϕ(x x) = 0rArr x = 0

ϕ veacuterifiant (3) est dite positiveϕ veacuterifiant (4) est dite deacutefinieϕ veacuterifiant (3) et (4) est ditedeacutefinie-positiveOn note ce produit scalaire (middot|middot)

Forme quadratique

forallx isin E q(x) = ϕ(x x)ϕ une forme bilineacuteaire symeacutetriquesur Etimes Eq E rarr R forme quadratique as-socieacutee agrave ϕ

Matrice associeacutee

MatB(ϕ) = (ϕ(ei e j))iisin[1n]jisin[1n]

MatB(ϕ) matrice de ϕ dans BB base de Eϕ E times E rarr R forme bilineacuteairesymeacutetrique

Expression matricielle

ϕ(x y) =t XAY

ϕ E times E rarr R forme bilineacuteairesymeacutetrique(x y) isin E2

X = MatB(x)Y = MatB(y)

Norme euclidienne ndash Deacutefinition

x2 =radic

(x|x) middot 2 norme euclidienne sur Ex isin E

Ineacutegaliteacute de Cauchy-Schwarz

|(x|y)| 6 x middot y forall(x y) isin E2

Il y a eacutegaliteacute si et seulement si les vecteurs x et y sont lieacutes

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 23

1 Algegravebre 23

Ineacutegaliteacute triangulaire ou de Minkowski

x + y 6 x+ y forall(x y) isin E2

Il y a eacutegaliteacute si et seulement si les vecteurs x et y sont positivement lieacutesou si x = 0

Relations entre produit scalaire et norme

forall(x y) isin E2 1 x + y2 = x2 + 2(x|y) + y22 xminus y2 = x2 minus 2(x|y) + y2

3 (x|y) =12

(x + y2 minus x2 minus y2

)

4 (x|y) =14

(x + y2 minus xminus y2

)

Vecteurs orthogonaux

Soit (x y) isin E2 on dit que ces deux vecteurs sont orthogonaux si etseulement si (x|y) = 0

Parties orthogonales ndash Orthogonal drsquoune partie

forall(x y) isin Atimes B (x|y) = 0

Aperp = x isin Eforally isin A (x|y) = 0

x y deux vecteurs respective-ment de A et de BA B deux parties orthogonalesde EAperp orthogonal de la partie A

Ineacutegaliteacute de Bessel

n

sumj=1|(e j|x)|2 6 x2

E espace vectoriel preacutehilbertienx vecteur de E(e j) jisin[1n] famille orthonormalede E

Projecteur orthogonal

Ker p = (Im p)perp

Im p = (Ker p)perpp projecteur orthogonal sur Im pparallegravelement agrave Ker p

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 24

24 [1] Matheacutematiques

Attention un projecteur orthogonal nrsquoest pas une application ortho-gonale

Diagonalisation drsquoune matrice symeacutetrique

forallS isin Sn(R) exist(ΩD) isin On(R)timesDn(R) S = ΩDΩminus1

Sn(R) ensemble des matrices symeacutetriques de R

On(R) groupe orthogonal

Dn(R) ensemble des matrices diagonales de R

Valeurs propres de matrices symeacutetriques

Les valeurs propres drsquoune matrice S isin Sn(R) sont reacuteelles

Endomorphisme adjoint ndash Deacutefinition

forall f isin L(E) exist f lowast isin L(E) tel que

forall(x y) isin E2 ( f (x)|y) = (x| f lowast(y))

E espace vectoriel euclidienL(E) ensemble des endomor-phismes de Ef endomorphisme de Ef lowast lrsquoadjoint de fx y deux vecteurs de E

Automorphismes orthogonaux symeacutetriques antisymeacutetriques

(1) f lowast = fminus1(2) f lowast = f(3) f lowast = minus f

Un automorphisme f veacuterifiant ndash (1) est dit orthogonalndash (2) est dit symeacutetrique ou auto-adjointndash (3) est dit antisymeacutetrique

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 25

1 Algegravebre 25

Proprieacuteteacutes des adjoints

Ker f lowast = (Im f )perp Im f lowast = (Ker f )perp

(λ f + g)lowast = λ f lowast + glowast

(g f )lowast = f lowast glowast

(IdE)lowast = IdE

( f lowast)lowast = f

( fminus1)lowast = ( f lowast)minus1

Mat f lowast =t Mat f

( f g) isin L(E)2 endomorphismesde E admettant des adjointsf lowast endomorphisme adjoint de E

Aperp orthogonal de A A eacutetant unepartie de E

Deacutefinition et proprieacuteteacutes des automorphismes orthogonaux

(1) forall(x y) isin E2 ( f (x)| f (y)) = (x|y)(2) forallx isin E f (x) = x(3) f isin O(E)

Les proprieacuteteacutes (1) (2) et (3) sonteacutequivalentes(1) traduit la conservation du pro-duit scalaire(2) traduit la conservation de lanorme

O(E) ensemble des automor-phismes orthogonaux de Ef isin L(E)

Caracteacuterisation des automorphismes orthogonaux

tM middotM = In ou M middott M = In

f lowast f = f f lowast = IdE

M matrice orthogonale deMn(K)f automorphisme orthogonal deEIdE application identiteacute de EIn matrice identiteacute deMn(K)c copy

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 26

26 [1] Matheacutematiques

110 Reacuteduction des endomorphismes

Valeur propre ndash Deacutefinition

existx isin E x 6= 0 tel que

f (x) = λx

f isin L(E)λ isin K valeur propre de fAutre formulation f minus λ IdE estnon injectif

Spectre drsquoun endomorphismeSoit f isin L(E) on appelle spectre de f noteacute Sp( f ) lrsquoensemble

Sp( f ) = λ isin K existx isin E 0 f (x) = λxVecteur propre ndash Deacutefinition

x 6= 0 et existλ isin K

f (x) = λx

x isin E vecteur propre de ff isin L(E)(alors λ isinSp( f ))

Sous-espace propre ndash Deacutefinition

SEP( f λ) = Ker( f minus λ IdE)

SEP( f λ) sous-espace propre as-socieacute agrave λf isin L(E)λ isin Sp( f )

Polynocircme caracteacuteristique ndash Deacutefinition

χA(λ) = det(Aminus λIn)

χ f (λ) = det( f minus λIdE)

χA(λ) polynocircme caracteacuteristiquede Aχ f (λ) polynocircme caracteacuteristiquede ff isin L(E)A matrice drsquoordre n associeacutee agrave f

Polynocircme caracteacuteristique ndash Proprieacuteteacutes

ndash Le coefficient dominant est(minus1)nndash Le coefficient de λnminus1 est(minus1)nminus1 tr Andash Le terme constant est det A

A isin Mn(K)χA(λ) polynocircme caracteacuteristiquede Aλ indeacutetermineacutee du polynocircme

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 27

2 Analyse 27

Diagonalisabiliteacute

1 f est diagonalisable2 Il existe une base de E formeacutee devecteurs propres de f 3 La somme des sous-espacespropres pour f est eacutegale agrave E4 La somme des dimensions dessous-espaces propres pour f esteacutegale agrave dim E

Les proprieacuteteacutes ci-contre sont deuxagrave deux eacutequivalentesE espace vectoriel de dimensionfinief isin L(E)

TrigonalisationSoit f isin L(E) les deux proprieacuteteacutes suivantes sont eacutequivalentes 1 f est trigonalisable2 χ f est scindeacute sur K

Drapeau

foralli isin 1 n dim(Ei) = iforalli isin 1 nminus 1 Ei sub Ei+1

E un K-espace-vectoriel(E1 En) famille de sous-espaces vectoriels de En = dim E

Theacuteoregraveme de Cayley - Hamilton

Le polynocircme caracteacuteristique de f annule f crsquoest-agrave-dire forall f isinL(E) χ f = 0

2 Analyse

21 Espaces vectoriels normeacutes

Norme ndash Deacutefinition

On appelle norme sur un K-espace vectoriel E toute application N Erarr R veacuterifiant les trois points suivants 1 forallλ isin K forallx isin EN(λx) = |λ|N(x)2 forallx isin E N(x) = 0 =rArr x = 03 forall(x y) isin E2 N(x + y) 6 N(x) + N(y)

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 28

28 [1] Matheacutematiques

Normes eacutequivalentesDeux normes N1 et N2 sont dites eacutequivalentes si et seulement si il existe(αβ) isin Rlowast+

2 tels que

αN1 6 N2 6 βN1

Distance ndash DeacutefinitionSoit (E middot ) un espace vectoriel normeacute on appelle distance associeacutee agravela norme middot lrsquoapplication d E2 rarr R deacutefinie par d(x y) = xminus yLa distance possegravede les proprieacuteteacutes suivantes 1 forall(x y) isin E2 d(x y) = d(y x)2 forall(x y) isin E2 d(x y) = 0 =rArr x = y3 forall(x y z) isin E3 d(x z) 6 d(x y) + d(y z)4 forall(x y) isin E2 forallλ isin K d(λx λy) = |λ|d(x y)5 forall(x y z) isin E3 d(x + z y + z) = d(x y)

Distance drsquoun point agrave une partieOn appelle distance de x isin E agrave A une partie non vide de E R espacevectoriel le reacuteel deacutefini par

d(x A) = infaisinA

d(x a)

Boule ouverte ndash Deacutefinition

B(a r) = x isin Eaminus x lt r

Boule fermeacutee ndash Deacutefinition

B(a r) = x isin Eaminus x 6 r

Partie ouverte de E

On appelle ouvert de E toute partie X de E veacuterifiant la proprieacuteteacute

forallx isin X existr isin Rlowast+ B(x r) sub X

Partie fermeacutee de E

On appelle fermeacute de E toute partie de E dont le compleacutementaire dansE est un ouvert de E

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 29

2 Analyse 29

Partie borneacutee ndash DeacutefinitionSoit (E middot ) un K-espace vectoriel une partie A de E est dite borneacuteesi et seulement si

existM isin R+ forall(x y) isin A2 d(x y) 6 M

VoisinageSoit a isin E un K-espace vectoriel on dit que V est un voisinage de a siet seulement srsquoil existe r gt 0 tel que B(a r) sub V

Inteacuterieur ndash Frontiegravere ndash AdheacuterenceOn appelle inteacuterieur drsquoune partie A sub E avec E unK-espace vectoriel A=

Ω ouvert de EΩsubA

Ω

On appelle adheacuterence de A (noteacutee A) la partie A =⋂

F fermeacute de EFsupA

F

On appelle frontiegravere de A la partie de A noteacutee partA la partie deacutefinie par

A AValeur drsquoadheacuterence

On dit que a est valeur drsquoadheacuterence de la suite de E (un)nisinN si et seule-ment srsquoil existe une suite extraite de (un)nisinN telle que uσ(n) minusminusminusminusrarrararr+infin

a

Caracteacuterisation de la continuiteacute pour une application lineacuteaireSoit f isin L(E F) ougrave E et F sont deux K-espaces vectoriels alors lesdeux propositions suivantes sont eacutequivalentes (1) f est continue(2) existM isin R+ forallx isin E f (x)F 6 MxE

Partie compacteOn dit que X sub E E eacutetant un K-espace vectoriel est une partie com-pacte de E si et seulement toute suite drsquoeacuteleacutements de X admet au moinsune valeur drsquoadheacuterence dans X

Partie compacte en dimension finieLes parties compactes drsquoun K-espace vectoriel de dimension finie sontles parties fermeacutees borneacutees

Normes en dimension finieToutes les normes sur un K-espace vectoriel de dimension finie sonteacutequivalentes

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30 [1] Matheacutematiques

Applications lineacuteaires en dimension finieSoient E et F deux K-espaces vectoriels normeacutes si E est de dimensionfinie alors toute application lineacuteaire Erarr F est continue

Suites de CauchyOn appelle suite de Cauchy dans un K-espace vectoriel normeacute toutesuite veacuterifiant

forallε gt 0 existN isin N forall(p q) isin NtimesNlowast p gt N =rArr up minus up+q 6 ε

Toute suite convergente dans un K-espace vectoriel normeacute est de Cau-chy

Partie complegravete ndash DeacutefinitionUne partie A drsquoun K-espace vectoriel normeacute est dite complegravete si etseulement si toute suite de Cauchy drsquoeacuteleacutements de A converge dans A

Partie complegravete ndash ProprieacuteteacutesToute partie X drsquoun K-espace vectoriel normeacute complet veacuterifie

X fermeacuteelArrrArr X complegraveteToute partie compacte drsquoun K-espace vectoriel normeacute est complegravete

Connexiteacute par arcsUne partie A drsquoun K-espace vectoriel normeacute de dimension finie est diteconnexe par arcs si et seulement si forall(x y) isin A2 existγ isin C0([a b] E) telque

γ(a) = x γ(b) = yforallt isin [a b]γ(t) isin A

Espace preacutehilbertien ndash Espace euclidienOn appelle espace preacutehilbertien tout couple (Eϕ) ougrave E est un K-espace vectoriel et ϕ un produit scalaire sur EOn appelle espace euclidien tout espace preacutehilbertien de dimensionfinie

Theacuteoregraveme de PythagorePour toute famille orthogonale finie (xi)iisinI drsquoun espace preacutehilbertien(E (middot|middot)) on a ∥∥∥∥∥sum

iisinIxi

∥∥∥∥∥

2

= sumiisinIxi2

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 31

2 Analyse 31

22 Nombres reacuteels

Preacutesentation

(R+ middot) est un corps commutatif

6 est une relation drsquoordre total dans R

forall(a b c) isin R3

a 6 b =rArr a + c 6 b + ca 6 b0 6 c

=rArr ac 6 bc

Toute partie non vide majoreacutee de R admet une borne supeacuterieure dansR

Distance usuelle dans R

d RtimesRrarr R(x y) 7rarr |xminus y|

Le nombre reacuteel d(x y) est la dis-tance usuelle dans R

R corps archimeacutedien

forallε isin Rlowast+ forallA isin Rlowast+ existn isin Nlowast nε gt A

Partie entiegravere ndash Deacutefinition

forallx isin R

E(x) 6 x 6 E(x) + 1

x isin RE(x) partie entiegravere de xE(x) est lrsquounique entier relatif veacute-rifiant la proprieacuteteacute ci-contre

Densiteacute

forall(x y) isin R2

(x lt y =rArr (existd isin D x lt d lt y))

D sub RCette partie D est dite dense dansR si et seulement si elle veacuterifie laproprieacuteteacute ci-contreTheacuteoregraveme Q est dense dans Rc copy

Duno

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32 [1] Matheacutematiques

23 Nombres complexes

Forme carteacutesienne Forme polaire drsquoun nombre complexe

z = a + ib

z = ρeiθ

z nombre complexe (z isin C)a partie reacuteelle de z (a isin R) on lanote aussi Re(z)b partie imaginaire de z (b isin R)on la note aussi Im(z)ρ module de z (ρ isin R+)θ argument de z (θ isin R)

Nombre complexe conjugueacute ndash Deacutefinition

z = a + ib

z = aminus ib

z isin C nombre complexez isin C nombre complexe conju-gueacute de za partie reacuteelle de z et de zb partie imaginaire de z

Nombre complexe conjugueacute ndash Proprieacuteteacutes

z + z = 2Re(z)

zminus z = 2i Im(z)

z nombre complexez nombre complexe conjugueacute dez

z = z si z est reacuteel

z = minusz si z est imaginaire pur

Module drsquoun nombre complexe

|z|2 = z middot z |z| module de z

Module drsquoun produit ndash Module drsquoun quotient

|zzprime| = |z| middot |zprime|

zprime 6= 0∣∣∣z

zprime∣∣∣ =|z||zprime|

z isin C nombre complexezprime isin C nombre complexe

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 33

2 Analyse 33

Ineacutegaliteacute triangulaire

|z + zprime| 6 |z|+ |zprime| z isin C nombre complexezprime isin C nombre complexe

Condition de cocycliciteacute ou drsquoalignement de quatre points

z4 minus z1z3 minus z1

z4 minus z2z3 minus z2

isin R

Mi point du plan drsquoaffixe zizi isin CLes points M1 M2 M3 et M4 sontcocyliques ou aligneacutes si et seule-ment si leurs affixes veacuterifient laproprieacuteteacute ci-contre

Formule de Moivre

(cos θ+ i sin θ)n = cos nθ+ i sin nθ θ isin Rn isin Z

Formule drsquoEuler

cos x =eix + eminusix

2

sin x =eix minus eminusix

2i

x isin R

Racines niegravemes drsquoun complexe

zk = nradicr(ei

ϕ+2kπn

)

Les zk sont les solutions de lrsquoeacutequa-tion zn = reiϕ(k n) isin N2 avec 0 6 k 6 nminus 1z isin Cr isin R+En particulier les racines niegravemes

de lrsquouniteacute zk = ei2kπn

Groupe des racines niegravemes de lrsquouniteacuteU = z isin C |z| = 1 est un groupe pour la multiplication

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34 [1] Matheacutematiques

24 Suites

Convergence ndash DeacutefinitionOn dit qursquoune suite numeacuterique (un)nisinN converge vers une limite l isin Ksi et seulement si

forallε gt 0 existN isin N foralln gt N isin N n =rArr |un minus l| 6 ε

On dit qursquoune suite numeacuterique (un)nisinN converge si et seulement si existl isin K forallε gt 0 existN isin N foralln isin N n gt N =rArr |un minus l| 6 ε

Suite borneacuteeUne suite complexe (un)nisinN est dite borneacutee si et seulement si

existM isin R+ foralln isin N |un| 6 M

Theacuteoregraveme drsquoencadrementSoient (un)nisinN (vn)nisinN (wn)nisinN trois suites reacuteelles telles que

existN isin N foralln isin N n gt N =rArr un 6 vn 6 wn

(un)n et (wn)n convergent vers une mecircme limite lAlors (vn)n converge aussi vers l

Suite arithmeacutetique

un = unminus1 + r

Sn =(u1 + un)n

2

un ne terme de la suiter raisonu1 premier terme de la suiteSn somme des n premiers termesde la suite un

Suite geacuteomeacutetrique

un = q middot unminus1

Sn =u1(q

n minus 1)qminus 1

q 6= 1

un ne terme de la suiteq raison de la suiteu1 premier terme de la suiteSn somme des n premiers termesde la suite un

Suites reacuteelles monotonesOn dit que (un)nisinN est croissante si et seulement si

foralln isin N un 6 un+1On dit que (un)nisinN est deacutecroissante si et seulement si

foralln isin N un gt un+1On dit que (un)nisinN est strictement croissante si et seulement si

foralln isin N un lt un+1On dit que (un)nisinN est strictement deacutecroissante si et seulement si

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 35

2 Analyse 35

foralln isin N un gt un+1On dit que (un)nisinN est (strictement) monotone si et seulement si(un)nisinN est (strictement) croissante ou (strictement) deacutecroissanteToute suite reacuteelle croissante (respectivement deacutecroissante) et majoreacutee(respectivement minoreacutee) est convergente

Suites adjacentes

(un)nisinN est croissante(vn)nisinN est deacutecroissante(vn minus un) minusminusminusminusrarr

nrarr+infin

0

Si deux suites reacuteelles veacuterifient lesproprieacuteteacutes ci-contre ces suites sontdites adjacentesSi deux suites sont adjacenteselles convergent vers la mecircme li-mite

Suites extraitesOn appelle suite extraite de (un)nisinN toute suite (uσ(n))nisinN ougrave σ NrarrN est une application strictement croissanteSi une suite (un)nisinN converge vers l isin K alors toute suite extraite de(un)nisinN converge aussi vers l

Valeur drsquoadheacuterenceOn dira que a est une valeur drsquoadheacuterence drsquoune suite (un)nisinN si etseulement srsquoil existe une suite extraite telle que uσ(n) minusminusminusminusrarrnrarr+infin

a

Theacuteoregraveme de Bolzano-WeiertrassDe toute suite borneacutee de R on peut extraire une suite convergente

25 Fonctions reacuteelles de la variable reacuteelle

PariteacuteSoit X sub R veacuterifiant x isin X =rArr minusx isin X

forallx isin X f (minusx) = f (x)Une fonction f est paire si et seule-ment si elle veacuterifie la relation ci-contre

forallx isin X f (minusx) = minus f (x)Une fonction f est impaire si etseulement si elle veacuterifie la relationci-contre

PeacuteriodiciteacuteSoit f X rarr K avec X sub R on dit que f est T-peacuteriodique si et seule-ment si elle veacuterifie

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 36

36 [1] Matheacutematiques

forallx isin X

x + T isin Xf (x + T) = f (x)

Application en escalierOn dit qursquoune fonction f [a b] rarr R est en escalier si et seulementsrsquoil existe une famille (ai)iisin[0n] telle que (a0 an) isin [a b]n+1 avecn isin Nlowast et une famille (λ0 λnminus1) isin Rn tels que

a = a0 lt a1 lt middot middot middot lt anminus1 lt an = bforalli isin 0 nminus 1 forallx isin]ai ai+1[ f (x) = λi

Application majoreacutee ndash minoreacutee ndash borneacuteeUne fonction f X rarr R est dite ndashmajoreacutee si et seulement srsquoil existe A isin R tel que forallx isin X f (x) 6 Andashminoreacutee si et seulement srsquoil existe B isin R tel que forallx isin X f (x) gt Bndash borneacutee si et seulement srsquoil existe (A B) isin R2 tel que forallx isin XB 6 f (x) 6 A

LimitesSoit f I rarr R une applicationOn dit que f admet une limite l en a isin I si et seulement si

forallε gt 0 existη gt 0 forallx isin I |xminus a| 6 η =rArr | f (x)minus l| 6 ε

On dit que f admet une limite l en +infin si et seulement si forallε gt 0 existA isin R forallx isin I x gt A =rArr | f (x)minus l| 6 ε

On dit que f admet comme limite +infin en a isin I si et seulement si forallA gt 0 existη gt 0 forallx isin I |xminus a| 6 η =rArr f (x) gt A

On dit que f admet comme limite +infin en +infin si et seulement si forallA gt 0 existB gt 0 forallx isin I x gt B =rArr f (x) gt A

On dit que f admet comme limite minusinfin en minusinfin si et seulement si forallA lt 0 existB lt 0 forallx isin I x 6 B =rArr f (x) 6 A

Continuiteacutesoit f I rarr K a isin I on dit que cette fonction est continue en a si etseulement si

forallε gt 0 existη gt 0 forallx isin I |xminus a| 6 η =rArr | f (x)minus f (a)| 6 ε

DiscontinuiteacuteSoit f I rarr K on dit que ndash f est discontinue en a si et seulement si elle nrsquoest pas continue en andash f admet une discontinuiteacute de premiegravere espegravece en a si et seulementsi f nrsquoest pas continue en a mais admet une limite finie agrave droite et unelimite finie agrave gauche en a

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 37

2 Analyse 37

Si f nrsquoest pas continue et ne preacutesente pas de continuiteacute de premiegravereespegravece en a on dit que f admet une discontinuiteacute de seconde espegraveceen a

Composition et continuiteacute

Soient f I rarr R et g J rarr K ougrave I et J sont deux intervalles de R telsque f (I) sub J si f et g sont respectivement continues en a et f (a) alorsg f est continue en a

Continuiteacute sur un segment

Soient (a b) isin R2 tel que a 6 b et une fonction f [a b] rarr R Si f estcontinue alors f est borneacutee et atteint ses bornes

Continuiteacute uniforme

Soit f I rarr K on dit que cette fonction est uniformeacutement continuesur I si et seulement si

forallε gt 0 existη gt 0 forall(x1 x2) isin I2 |x1 minus x2| 6 η =rArr | f (x1)minus f (x2)| 6 ε

Lrsquouniforme continuiteacute implique la continuiteacute

Theacuteoregraveme de Heine

Soient (a b) isin R2 tels que a 6 b et une fonction f [a b]rarr R Si f estcontinue sur [a b] alors f est uniformeacutement continue sur [a b]

Applications lipschitziennes

Soient f I rarr R et k isin Rlowast+ on dit que la fonction f est k-lipschitzienne si et seulement si

forall(x1 x2) isin I2 | f (x1)minus f (x2)| 6 k|x1 minus x2|Si k isin [0 1[ lrsquoapplication f est dite contractanteUne application lipschitzienne est uniformeacutement continue

c copyDuno

dL

apho

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toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 38

38 [1] Matheacutematiques

Fonctions trigonomeacutetriques circulaires reacuteciproques

Arcsin [minus1 1]rarr[minusπ

2

]

forallx isin]minus 1 1[

Arcsinprime(x) =1radic

1minus x2

Arccos [minus1 1]rarr [0π]forallx isin]minus 1 1[

Arccosprime(x) =minus1radic1minus x2

Arctan Rrarr]minusπ

2

[

forallx isin R

Arctanprime(x) =1

1 + x2

-1 1

p

2p

2p

Arcsin

Arccos

Arctan

Fonctions hyperboliques

chprime x = sh x shprime x = ch x

thprime x =1

ch2 x= 1minus th2 x

26 Deacuterivation

Deacuteriveacutee en un pointSoient un point a isin I ougrave I est un intervalle et une fonction f I rarr K

On dit que f est deacuterivable en a si et seulement si limhrarr0

f (a + h)minus f (a)

hexiste et est finie Dans ce cas cette limite est appeleacutee deacuteriveacutee de f en aet est noteacutee f prime(a)

Deacuterivation et continuiteacuteSoient un point a isin I et une fonction f I rarr K si f est deacuterivable en aalors f est continue en a

Proprieacuteteacutes des deacuteriveacuteesSoient f et g deux fonctions de I dans K deacuterivables en a alors ( f + g)prime(a) = f prime(a) + gprime(a)

(λ f )prime(a) = λ f prime(a)

( f g)prime(a) = f prime(a)g(a) + f (a)gprime(a)

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 39

2 Analyse 39

g(a) 6= 0(1g

)prime(a) = minus gprime(a)

g2(a)

g(a) 6= 0(

f

g

)prime(a) =

f prime(a)g(a)minus f (a)gprime(a)g2(a)

(g f )prime(a) = gprime( f (a)) f prime(a)

Deacuterivabiliteacute drsquoune fonction sur un intervalle

f I rarr K ougrave I est un intervalle est dite deacuterivable sur un intervalleJ sub I si et seulement si foralla isin J f est deacuterivable en a

Formule de Leibniz

f I rarr K et g I rarr E on suppose que λ et f sont deacuterivables sur I

Alors f middot g est n fois deacuterivable sur I et ( f middot g)(n) =n

sumk=0

Ckn f

(k) middot g(nminusk)

Classe drsquoune fonction

Soient f I rarr K et k isin N on dit que f est de classe Ck sur I si etseulement si f est k fois deacuterivable sur I et f (k) est continue sur ISoient f [a b] rarr K avec a 6 b et k isin N on dit que f est de classe Ckpar morceaux sur [a b] si et seulement si ndash il existe une famille (a0 ap) isin Rp+1 telle que a = a0 lt a1 lt middot middot middot lt apminus1 lt ap = b

ndash Chaque restriction de f sur ]ai ai+1[ admet un prolongement declasse Ck sur [ai ai+1] foralli isin [0 pminus 1]

Theacuteoregraveme de Rollef [a b] rarr R continue sur [a b] et deacuterivable sur ]a b[ f (a) = f (b) alors il existe c isin]a b[ tel que

f prime(c) = 0

Theacuteoregraveme des accroissements finis

f [a b] rarr R avec (a b) isin R2 et a lt b continue sur [a b] et deacuterivablesur ]a b[ Il existe c isin]a b[

f (b)minus f (a) = (bminus a) f prime(c)c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 40

40 [1] Matheacutematiques

Ineacutegaliteacute de Taylor-Lagrangef [a b]rarr (E ) et f de classe Cn sur [a b] (n+ 1) fois deacuterivable sur]a b[ et telle que forallt isin]a b[ f (n+1)(t) 6 M alors

∥∥∥∥∥ f (b)minusn

sumk=0

f (k)(a)

k(bminus a)k

∥∥∥∥∥ 6 M(bminus a)n+1

(n + 1)

Reste inteacutegral

f [a b]rarr (E ) de classe Cn+1 sur [a b] alors

f (b) =n

sumk=0

f (k)(a)

k(bminus a)k +

1n

int b

a(bminus t)n f (n+1)(t) dt

︸ ︷︷ ︸Reste de Laplace

Formule de Taylor-Young

f I rarr E I un intervalle de R ougrave f (n)(a) existe

f (x) =n

sumk=0

f (k)(a)

k(xminus a)k + o

xrarra((xminus a)n)

Diffeacuteomorphisme ndash DeacutefinitionSoient f I rarr J avec I J deux intervalles de R n isin Nlowast cup +infin on ditque f est un Ck-diffeacuteomorphisme de I sur J si et seulement si ndash f est de classe Ck sur Indash f est bijectivendash fminus1 est de classe Ck sur J

Convexiteacute ndash DeacutefinitionsSoit f I rarr K on dit que cette fonction est convexe si et seulement si forallθ isin [0 1] forall(x y) isin I2 f (θx + (1minus θ)y) 6 α f (x) + (1minus θ) f (y)

Ineacutegaliteacute de convexiteacute

Si f est convexe soit λ j gt 0 tel quen

sumj=1

λ j = 1 alors

f

(n

sumj=1

λ ja j

)6

n

sumj=1

λ j f (a j)

Fonction convexe ndash Fonction concaveUne fonction f est concave si et seulement si minus f est convexe

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 41

2 Analyse 41

27 Inteacutegration

Lineacuteariteacute de lrsquointeacutegrale

int b

a(λ f + g) = λ

int b

af +

int b

ag

f et g deux fonctions continuespar morceaux

Ineacutegaliteacute de la moyenne

∣∣∣∣int

[ab]f g

∣∣∣∣ 6 Sup[ab] | f |int

[ab]|g|

∣∣∣∣int

[ab]f

∣∣∣∣ 6 (bminus a) Sup[ab] | f |

f g deux fonctions continues parmorceaux sur [a b][a b] intervalle de R

Ineacutegaliteacute de Cauchy-Schwarz

(int b

af g

)2

6

(int b

af 2)(int b

ag2)

f g deux applications continuespar morceaux [a b]rarr R on a lrsquoin-eacutegaliteacute ci-contreSi exist(λmicro) isin R2(0 0) tel que λ f + microg = 0 il y a eacutegaliteacute

Sommes de Riemann

Sn =bminus a

n

nminus1sumk=0

f

(a + k

bminus a

n

)

limnrarr+infin

Sn =int b

af

f [a b] rarr E une fonction conti-nue

Inteacutegration par parties

int b

auvprime = [uv]ba minus

int b

auprimev

u v [a b] rarr E fonctions conti-nues C1 par morceaux sur [a b]c copy

Duno

dL

apho

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nonau

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ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 42

42 [1] Matheacutematiques

Inteacutegrabiliteacute ndash Deacutefinition

int

Jf 6 M

f [a b] rarr R fonction positivecontinue par morceauxf est dite inteacutegrable sur [a b] si etseulement srsquoil existe un M isin R+pour tout segment J inclus dans[a b] veacuterifiant lrsquoineacutegaliteacute ci-contre

Inteacutegrabiliteacute sur un segmentSoit f une fonction positive continue par morceaux de I dans R Lesproprieacuteteacutes suivantes sont deux agrave deux eacutequivalentes (i) f est inteacutegrable sur I(ii) Il existe M isin R+ tel que pour toute suite croissante de segments

(Jn)nisinNlowast dont la reacuteunion est eacutegale agrave I foralln isin Nlowastint

Jnf 6 M

Theacuteoregraveme de domination

0 6 f 6 g (1)

0 6

int

If 6

int

Ig (2)

Soient f et g deux fonctions conti-nues par morceaux de I dans R veacute-rifiant (1) et si g inteacutegrable alors fest inteacutegrable sur I et on a lrsquoineacutega-liteacute (2)

Exemple de Riemann

Fonctions de Riemann

f (x) =1xα

Une fonction de Riemann est inteacute-grable sur [1+infin[ si et seulementsi α gt 1Une fonction de Riemann est inteacute-grable sur ]0 1] si et seulement siα lt 1

Theacuteoregraveme drsquoeacutequivalence

Soient (a b) isin Rtimes R tels que a lt b f et g deux fonctions positivescontinues par morceaux de [a b[ dans R veacuterifiant en b f sim

bg alors f

est inteacutegrable sur [a b[ si et seulement si g lrsquoest

Regravegle xα f (x)

Inteacutegrabiliteacute en +infin ndash Srsquoil existe α isin]1+infin[ veacuterifiant lim

xrarr+infin

xα f (x) = 0 alors f est inteacute-

grable sur [a+infin[ avec a gt 0

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 43

2 Analyse 43

ndash Srsquoil existe α isin] minusinfin 1] veacuterifiant limxrarr+infin

xα f (x) = +infin alors f nrsquoest

pas inteacutegrable sur [a+infin[ avec a gt 0Inteacutegrabiliteacute en 0 ndash Srsquoil existe α isin]minusinfin 1[ veacuterifiant lim

xrarr0xα f (x) = 0 alors f est inteacutegrable

sur ]0 a] avec a gt 0ndash Srsquoil existe α isin [1+infin[ veacuterifiant lim

xrarr0xα f (x) = +infin alors f nrsquoest pas

inteacutegrable sur ]0 a] avec a gt 0

Relation de Chasles

int c

af =

int b

af +

int c

bf

f une fonction continue par mor-ceaux inteacutegrable sur un intervalleI contennant les intervalles ou-verts ]a b[ ]b c[ et ]a c[

(a b c) isin R3

Croissance de lrsquointeacutegration

f 6 g =rArrint

If 6

int

Ig

f g deux fonctions continues etinteacutegrables sur I

Fonctions continues agrave valeurs complexesSoit f I rarr C une fonction continue On dira que f est inteacutegrable surI si et seulement si | f | lrsquoest

Inteacutegrale impropre

(a b) isin Rtimes (Rcup +infin)

int X

af

f fonction continue par morceauxsur [a b[On dit que cette inteacutegrale im-propre converge si et seulement sielle admet une limite finie lorsqueX tend vers b On note alors cette

inteacutegraleint b

af

Inteacutegrale deacutependant drsquoun paramegravetre ndash Deacutefinition

f (x) =int

IF(x t) dt

x paramegravetret variable drsquointeacutegrationI intervalle de R

c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 44

44 [1] Matheacutematiques

Continuiteacute drsquoune inteacutegrale agrave paramegravetre

forallx isin A F(x middot) inteacutegrable sur I

f Ararr K est continue sur A

x 7rarrint

IF(x t) dt

F fonction continue sur Atimes I veacute-rifiant lrsquohypothegravese de domination Soient f g I rarr R continues

Si0 6 f 6 gg est inteacutegrable sur I alors

f est inteacutegrable sur I etint

If 6

int

Ig

Sous ces hypothegraveses F veacuterifie lesrelations ci-contre

Deacuterivation drsquoune inteacutegrale agrave paramegravetre

forallx isin A

F(x middot) et partFpartx

(x middot)inteacutegrables sur If

Ararr K est de classe C1 sur Ax 7rarr

int

IF(x t) dt

forallx isin A f prime(x) =intI

partFpartx (x t) dt

F fonction continue sur Atimes I veacute-rifiant une hypothegravese de domina-tion sur Atimes I Soient F g I rarr R continues

Si0 6 F 6 gg est inteacutegrable sur I alors

F est inteacutegrable sur I etint

IF 6

int

Ig

partFpartx

existe et est continue sur Atimes I

partFpartx

veacuterifie une hypothegravese de domi-

nation sur Atimes ISous ces hypothegraveses on a les rela-tions ci-contre

28 Eacutequations diffeacuterentielles

Eacutequations diffeacuterentielles lineacuteaires du premier ordre

αyprime + βy = γ (E)

αβγ I rarr K des applicationscontinuesy est une solution de cette eacutequa-tion sur J sub I si et seulement si yest deacuterivable sur J et si forallx isin J yveacuterifie (E)

Eacutequation reacutesolueUne eacutequation diffeacuterentielle lineacuteaire du premier ordre est dite normali-seacutee ou reacutesolue en yprime si et seulement si α = 1

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 45

2 Analyse 45

Solution drsquoune eacutequation diffeacuterentielle lineacuteaire du premier ordre

S = λeminusA + BeminusA λ isin K

La solution ci-contre est la solutionde lrsquoeacutequation reacutesolue avec α = 1A primitive de β

B primitive de γeA

La solution de (E) est la somme dela solution geacuteneacuterale de lrsquoeacutequationhomogegravene associeacutee agrave (E) et drsquounesolution particuliegravere de (E)

Meacutethode de reacutesolution de E

1 Reacutesolution de lrsquoeacutequation homogegravene associeacutee solution de la formeλy0(x)2 Reacuteinjecter la solution trouveacutee dans lrsquoeacutequation complegravete avec la meacute-thode de variation de la constante qui permet de trouver la fonctionqui veacuterifie lrsquoeacutequation complegravete

Nature de la solutionLrsquoensemble des solutions drsquoune eacutequation diffeacuterentielle lineacuteaire du pre-mier ordre est une droite affine dont la direction est donneacutee par lrsquoen-semble des solutions de lrsquoeacutequation homogegravene

Theacuteoregraveme de Cauchy-LipschitzSoient U un ouvert de Rtimes R f U rarr E une application localementlipschitzienne par rapport agrave sa seconde variable et continue un couple(t0 y0) isin USous ces conditions il existe une unique solution maximale au pro-blegraveme de Cauchy crsquoest-agrave-dire veacuterifiant

yprime = f (t y)y(t0) = y0

(problegraveme de Cauchy)

Et posseacutedant en plus les proprieacuteteacutes suivantes (solution maximale) ndash lrsquointervalle de deacutefinition est un ouvertndash toute solution du problegraveme de Cauchy est une restriction de cettesolution

Eacutequation diffeacuterentielle du second ordre homogegravene

αyprimeprime + βyprime + γy = 0αβγ fonctions continues I rarr Ky fonction de J sub I dans K solu-tion de cette eacutequation

c copyDuno

dL

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ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 46

46 [1] Matheacutematiques

Eacutequation diffeacuterentielle du second ordre agrave coefficients constants

yprimeprime + βyprime + γy = 0

(Ec) r2 + βr + γ

(βγ) isin R2 coefficients delrsquoeacutequation diffeacuterentielle

Soit (Ec) lrsquoeacutequation caracteacuteristiqueassocieacutee agrave lrsquoeacutequation diffeacuterentielleSi cette eacutequation caracteacuteristiqueadmet ndash deux racines distinctes r1 et r2les solutions de lrsquoeacutequation sont dela forme λ1er1x + λ2er2xndash une racine double r les solutionssont de la forme (λx + micro)erxndash deux racines complexes conju-gueacutees r = aplusmn ib les solutions sontde la forme(λ cos bx + micro sin bx)eax

Eacutequation du second ordre avec second membre eγxR(x)

yprimeprime + βyprime + γy = emxP(x)

(βγm) isin K3 coefficientsconstants de lrsquoeacutequation diffeacuteren-tielleP isin K[X]Lrsquoeacutequation diffeacuterentielle admetune solution de la forme emxS(x)avec S isin K[X] ndash deg S = deg P si m nrsquoest pas ra-cine de (Ec)ndash deg S = 1+ deg P si m est racinesimple de (Ec)ndash deg S = 2+ deg P si m est racinedouble de (Ec)

Reacutesolution gracircce aux seacuteries entiegraveresLorsque les coefficients et le second membre de lrsquoeacutequation diffeacuteren-tielle sont constitueacutes par des polynocircmes on peut chercher les solutionssous la forme de seacuteries entiegraveres on obtient ainsi une relation de reacutecur-rence sur les coefficients Une fois ces coefficients calculeacutes le rayon deconvergence deacutetermineacutes et si possible la somme calculeacutee on a unesolution de lrsquoeacutequation diffeacuterentielle

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 47

2 Analyse 47

Systegraveme drsquoeacutequations diffeacuterentielles du premier ordreSoit I un intervalle de R B = (bi)iisin[1n] un vecteur de E etA = (ai j)iisin[1n]

jisin[1n]

I rarr E une application continue On appelle systegraveme

drsquoeacutequations diffeacuterentielles du premier ordre le systegraveme

yprime1(t)

yprimen(t)

=

a11(t) middot middot middot a1n(t)

an1(t) middot middot middot ann(t)

y1(t)

yn(t)

+

b1(t)

bn(t)

Reacutesolution dans le cas ougrave A est diagonalisableDans le cas ougrave A isin Mn(K) si A est diagonalisable le systegraveme homo-gegravene admet une solution du type

Y =n

sumi=1

cieλitVi

λi valeur propre de Aci constante lieacutee aux conditions initialesVi colonne de la matrice de passage de A agrave la matrice diagonale asso-cieacutee

29 Seacuteries

Deacutefinition

SN =N

sumn=0

un

On appelle seacuterie le couple((un) (Sn))SN somme partielle drsquoordre Nun terme geacuteneacuteral de la seacuterie

Condition neacutecessaire de convergenceUne condition neacutecessaire mais non suffisante de convergence drsquouneseacuterie est que lim

nrarr+infin

un = 0 Si le terme geacuteneacuteral de la seacuterie ne tend pas

vers zeacutero la seacuterie est dite grossiegraverement divergente

Changement drsquoindice de deacutepart

Soit sumngt0

un une seacuterie de E et n0 isin N les seacuteries sumngt0

un et sumngtn0

un sont de

mecircme nature

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 48

48 [1] Matheacutematiques

Seacuterie geacuteomeacutetrique

S =+infin

sumn=0

un =1

1minus u0(1)

u0 terme geacuteneacuteral de la suite derang 0un terme geacuteneacuteral de la suiteun = (u0)

n

Une condition neacutecessaire et suf-fisante de convergence drsquoune telleseacuterie est |u0| lt 1 Dans ce cas laseacuterie veacuterifie (1)

Seacuterie agrave termes positifsUne seacuterie agrave termes positifs converge si et seulement sila suite dessommes partielles est majoreacutee

Seacuterie de Riemann

sumngt1

1nα

(1)

Une seacuterie veacuterifiant (1) est dite deRiemann Une telle seacuterie convergesi et seulement si

α gt 1

Valeur remarquable +infin

sumn=1

1n2

=π2

6

Seacuterie de Bertrand

+infin

sumn=2

1nα(ln n)β

On appelle seacuterie de Bertrand la seacute-rie deacutefinie ci-contreCette seacuterie converge si et seule-ment si α gt 1α = 1 et β gt 1

Comparaison de deux seacuteries agrave termes positifs

foralln isin N

0 6 un 6 vn (1)

un terme geacuteneacuteral de la seacuterie Svn terme geacuteneacuteral de la seacuterie SprimeSi (1) est veacuterifieacutee et si Sprime convergealors S convergeRemarque Si S diverge et (1) estveacuterifieacutee la seacuterie Sprime diverge

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 49

2 Analyse 49

Regravegle de drsquoAlembert

Soit une seacuterie de terme geacuteneacuteral un telle que∣∣∣∣un+1

un

∣∣∣∣ minusminusminusminusrarrnrarr+infin

β

ndash Si β lt 1 la seacuterie de terme geacuteneacuteral un converge ndash Si β gt 1 la seacuterie de terme geacuteneacuteral un diverge grossiegraverement ndash Si β = 1 on ne peut rien dire de la nature de la seacuterie

Regravegle de CauchySoit une seacuterie de terme geacuteneacuteral un reacuteel positif telle que n

radicun minusminusminusminusrarr

nrarr+infin

β

ndash Si β lt 1 la seacuterie de terme geacuteneacuteral un converge ndash Si β gt 1 la seacuterie de terme geacuteneacuteral un diverge grossiegraverement ndash Si β = 1 on ne peut rien dire de la nature de la seacuterie

Seacuteries de mecircme natureSoit sum un et sum vn deux seacuteries reacuteelles agrave termes positifs telles que au voi-sinage de +infin vn gt 0 et un sim vn Alors on a eacutegalement un gt 0 au voi-sinage de +infin et les deux seacuteries sont de mecircme nature (elles convergentou divergent en mecircme temps)

Seacuterie alterneacutee

∣∣∣∣∣+infin

sumn=p+1

un

∣∣∣∣∣ 6 |up+1|

Une seacuterie de terme geacuteneacuteral unest dite alterneacutee si et seulementsi la suite (minus1)nun est de signeconstantUne telle seacuterie converge si 1 lim

nrarr+infin

un = 0

2 la suite (|un|)nisinN est deacutecrois-santeSous ces hypothegraveses la seacuterie veacuteri-fie la relation ci-contre

Critegravere de Cauchy

forallε gt 0 existN isin N forall(p q) isin N2

N 6 p lt q =rArr∥∥∥∥∥

q

sumn=p+1

un

∥∥∥∥∥ 6 ε

Le critegravere ci-contre est une condi-tion neacutecessaire et suffisante deconvergence pour une seacuterie dansun espace de Banach (K-espacevectoriel normeacute complet)

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 50

50 [1] Matheacutematiques

Formule de Stirling

n sim(ne

)nradic2πn

n isin NLa formule de Stirling fournit uneacutequivalent simple de n en +infin

Convergence absolue ndash Semi convergenceUne seacuterie est dite absolument convergente si et seulement si la seacuteriede terme geacuteneacuteral |un| convergeUne seacuterie alterneacutee est dite semi-convergente si et seulement la seacuteriede terme geacuteneacuteral un converge alors que celle de terme geacuteneacuteral |un| di-verge

Seacuteries doubles ndash Interversion des sommationsSoit une suite double drsquoeacuteleacutements de K (upq)(pq)isinN2 que lrsquoon supposesommable (crsquoest-agrave-dire existM isin R+forallJ sub N sum

pisinJqisinJ

upq 6 M) alors

1 forallq isin N sumpgt0

upq est convergente et la seacuterie sumqgt0

(+infin

sump=0

upq

)est conver-

gente

2 forallp isin N sumqgt0

upq est convergente et la seacuterie sumpgt0

(+infin

sumq=0

upq

)est

convergente

3 sum(pq)isinN2

upq =+infin

sump=0

(+infin

sumq=0

upq

)=

+infin

sumq=0

(+infin

sump=0

upq

)

Produit de Cauchy

wn =n

sumk=0

uk middot vnminusk (1)

+infin

sumn=0

wn =

(+infin

sumn=0

un

)(+infin

sumn=0

vn

)(2)

On appelle produit de Cauchy desdeux seacuteries de terme geacuteneacuteral un etvn la seacuterie dont le terme geacuteneacuteralveacuterifie (1)Si les deux seacuteries de terme geacuteneacuteralun et vn sont absolument conver-gentes alors la seacuterie wn est elleaussi absolument convergente etveacuterifie (2)

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 51

2 Analyse 51

210 Seacuteries entiegraveres

Seacuterie entiegravere

S(z) =+infin

sumn=0

anzn

S(z) somme de la seacuterie entiegraverean coefficient de la seacuterie entiegraverez variable de la seacuterie entiegravere

Rayon de convergence ndash Deacutefinition

I = r isin R++infin

sumn=0|an|rn converge

La borne supeacuterieure de lrsquointervalleI dans R est appeleacutee rayon deconvergence de la seacuterie sum anz

n onle note R = Sup I

Seacuterie entiegravere somme

Soient deux seacuteries entiegraveres sumngt0

anzn et sum

ngt0bnz

n on appelle seacuterie entiegravere

somme la seacuterie sumngt0

(an + bn)zn

Soit Ra et Rb les deux rayons de convergence respectifs de ces deuxseacuteries on a Ra+b gt min(Ra Rb) (avec eacutegaliteacute si Ra 6= Rb)

Lemme drsquoAbel

Soit r0 gt 0 si la suite (|an|rn0)nisinN est majoreacutee alors forallr isin [0 r0[ la seacuteriesum |an|rn est convergente

Deacuterivation drsquoune seacuterie entiegravere

Sprime(x) =+infin

sumn=0

(n + 1)an+1xn

S seacuterie de terme geacuteneacuteral anxn

Sprime deacuteriveacutee de la seacuterie SLa seacuterie deacuteriveacutee a le mecircme rayonde convergence que la seacuterie agrave deacuteri-ver

Inteacutegration drsquoune seacuterie entiegravere

int x

0

(+infin

sumn=0

anzn

)dz =

+infin

sumn=0

ann + 1

xn+1La seacuterie des inteacutegrales a le mecircmerayon de convergence que la seacuterieinteacutegreacuteec copy

Duno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 52

52 [1] Matheacutematiques

Deacuteveloppement en seacuterie entiegravere drsquoune fonctionUne fonction f Rrarr R est dite deacuteveloppable en seacuterie entiegravere autourdrsquoun point x0 isin R si et srsquoil existe une seacuterie entiegravere sum

ngt0anx

n de rayon de

convergence R gt 0 telle que

forallx isin]x0 minus R x0 + R[ f (x) =+infin

sumn=0

an(xminus x0)n

Le deacuteveloppement en seacuterie entiegravere est unique

Deacuteveloppement en seacuterie entiegravere drsquoune fraction rationnelleUne fraction rationnelle R est deacuteveloppable en seacuterie entiegravere autour de0 si et seulement si 0 nrsquoest pas un pocircle de cette fraction rationnelle Lerayon de convergence du deacuteveloppement en seacuterie entiegravere est alors eacutegalau plus petit module des pocircles complexes de la fraction rationnelle

211 Suites et seacuteries drsquoapplications

Convergence simple ndash Deacutefinition

forallε gt 0 forallx isin D existn0 isin N foralln gt n0

| fn(x)minus f (x)| 6 ε

( fn X rarr E)nisinN suite drsquoapplica-tionsE un K-espace vectoriel normeacutef limite de la suite drsquoapplicationsdans D (domaine de convergence)D domaine de convergence

Convergence uniforme ndash Deacutefinition

forallε gt 0 existn0 isin N forallx isin D foralln gt n0

| fn(x)minus f (x)| 6 ε

( fn X rarr E)nisinN suite drsquoapplica-tionsE un K-espace vectoriel normeacutef limite de la suite drsquoapplicationsdans D (domaine de convergence)

Convergence uniforme et convergence simpleSi ( fn)nisinN converge uniformeacutement vers f sur X il y a eacutegalementconvergence simple de ( fn)nisinN vers f dans ce mecircme domaine

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 53

2 Analyse 53

Proprieacuteteacute de la convergence uniforme

Si les fonctions fn sont continues (respectivement admettent une li-mite en a) alors la limite uniforme (si elle existe) de ces fonctions f estcontinue (respectivement admet une limite en a)

Convergence uniforme et inteacutegration sur un segment

f est continue sur [a b]

(int b

afn

)

nisinN

converge dans E

int b

af = lim

nrarr+infin

int b

afn

( fn X rarr E)nisinN suite drsquoapplica-tions continues convergeant uni-formeacutement vers f sur XE un K-espace vectoriel normeacutef limite de la suite drsquoapplicationsSous ces hypothegraveses f veacuterifie lesproprieacuteteacutes eacutenonceacutees ci-contre

Convergence uniforme et deacuterivation

( fn)nisinN converge uniformeacutementsur tout segment de I vers f

f est de classe C1 sur If prime = g

( fn X rarr E)nisinN suite drsquoapplica-tions C1 convergeant simplementvers f sur X( f primen)nisinN converge uniformeacutementvers une application noteacutee gSous ces hypothegraveses f veacuterifie lesproprieacuteteacutes eacutenonceacutees ci-contre

Soit ( fn X rarr E)nisinN une suite drsquoapplications C1 surX convergeantsimplement vers f sur X

Soit ( f primen)nisinN une suite de fonctions qui converge uniformeacutement surtout segment de X vers une application g

Soit f la limite de la suite drsquoapplications veacuterifiant les hypothegraveses preacute-ceacutedentes Sous ces hypothegraveses on a f de classe C1 sur X et f prime = g

c copyDuno

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toriseacuteeestu

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 54

54 [1] Matheacutematiques

Theacuteoregraveme de convergence monotone

int

If = SupnisinN

int

Ifn = lim

nrarr+infin

int

Ifn

foralln isin N fn est continue par mor-ceaux et inteacutegrable sur I( fn)nisinN veacuterifie une hypothegravese demonotonie foralln isin N fn 6 fn+1( fn)nisinN converge simplement surI vers une application noteacutee fcontinue par morceaux sur ISous ces hypothegraveses f est inteacute-grable si et seulement si la suite(int

Ifn

)

nisinN

et veacuterifie alors les pro-

prieacuteteacutes ci-contre

Theacuteoregraveme de convergence domineacutee

int

If = lim

nrarr+infin

int

Ifn

foralln isin N fn est continue par mor-ceaux sur I( fn)nisinN converge simplement surI vers une application noteacutee fcontinue par morceaux sur I( fn)nisinN veacuterifie une hypothegravese dedomination foralln isin N | fn| 6

ϕ ougrave ϕ est une fonction conti-nue par morceaux positive et inteacute-grable sur ISous ces hypothegraveses f veacuterifie laproprieacuteteacute ci-contre

Premier theacuteoregraveme de WeierstrassPour toute application continue f [a b] rarr K il existe une suite (Pn [a b] rarr K)nisinN de polynocircmes convergeant uniformeacutement vers f sur[a b]

Deuxiegraveme theacuteoregraveme de WeierstrassPour toute application continue f R rarr K et T-peacuteriodique il existeune suite (Tn [a b]rarr K)nisinN de polynocircmes trigonomeacutetriques conver-geant uniformeacutement vers f sur R

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 55

2 Analyse 55

Seacuteries drsquoapplications convergence simple ndash Deacutefinition

On dit qursquoune seacuterie drsquoapplications converge simplement si etseulement si la suite des sommes partielles (Sn(x))nisinN avec

Sn(x) =n

sumk=0

fk(x) converge simplement

Seacuteries drsquoapplications convergence absolue ndash Deacutefinition

On dit qursquoune seacuterie drsquoapplications converge absolument si etseulement si la suite des sommes partielles (Sn(x))nisinN avec

Sn(x) =n

sumk=0 fk(x) converge absolument

Seacuteries drsquoapplications convergence uniforme ndash Deacutefinition

On dit qursquoune seacuterie drsquoapplications converge uniformeacutement si et seule-ment si la suite des sommes partielles (Sn(x))nisinN avec Sn(x) =n

sumk=0

fk(x) converge uniformeacutement

Seacuteries drsquoapplications convergence normale ndash Deacutefinition

existn0 isin N

sumngtn0

fninfin converge

On dit que sumn

fn converge norma-

lement et seulement si elle veacuterifiela proprieacuteteacute ci-contre

Convergences normale uniforme et simple

La convergence normale entraicircne la convergence uniforme qui elle-mecircme entraicircne la convergence simple

Convergence uniforme ndash Limite et continuiteacute

Si sumngt0

fn converge uniformeacutement sur X et si foralln isin N fn est continue en

a (respectivement admet une limite en a) alors sumngt0

fn est continue en

a (respectivement admet une limite en a)c copyDuno

dL

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ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 56

56 [1] Matheacutematiques

Convergence uniforme et inteacutegration sur un segment

+infin

sumn=0

fn est continue sur [a b]

sumngt0

(int b

afn(x) dx

)converge dans E

int b

a

(+infin

sumn=0

fn(x)

)dx =

+infin

sumn=0

int b

afn(x) dx

( fn)nisinN seacuterie drsquoapplications avecfn continue sur [a b]+infin

sumn=0

fn converge uniformeacutement sur

[a b]Sous ces hypothegraveses la seacuterie defonctions veacuterifie les proprieacuteteacutes ci-contre

Convergence uniforme et deacuterivation

sumngt0

fn converge uniformeacutement

sur tout segment I

+infin

sumn=0

fn est de classe C1 sur I

(+infin

sumn=0

fn

)prime=

+infin

sumn=0

f primen

sumngt0

fn seacuterie drsquoapplications

convergeant simplement sur Ifn I rarr E de classe C1sumngt0

f primen converge uniformeacutement sur

tout segment de ISous ces hypothegraveses fn et f primen veacuteri-fient les proprieacuteteacutes ci-contre

Inteacutegration sur un intervalle quelconque des fonctions

+infin

sumn=0

fn est inteacutegrable sur I

int

I

∣∣∣∣∣+infin

sumn=0

fn

∣∣∣∣∣ 6+infin

sumn=

int

I| fn|

int

I

+infin

sumn=0

fn =+infin

sumn=0

int

Ifn

sumngt0

( fn) seacuterie drsquoapplications

convergeant simplement sur Ifn I rarr E fonction continue parmorceaux sur I

sumngt0

int

I| fn| converge

Sous ces hypothegraveses fn veacuterifie lesproprieacuteteacutes ci-contre

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 57

2 Analyse 57

212 Seacuteries de Fourier

Coefficients de Fourier exponentiels

cn( f ) =12π

int 2π

0f (x)eminusinx dx

cn coefficient de Fourier exponen-tielf fonction 2π-peacuteriodique conti-nue par morceaux agrave valeurs com-plexesn isin Z

Coefficients de Fourier trigonomeacutetriques

an( f ) =1π

int 2π

0f (x) cos(nx) dx

bn( f ) =1π

int 2π

0f (x) sin(nx) dx

an coefficient de Fourier trigono-meacutetrique en cosinusbn coefficient de Fourier trigono-meacutetrique en sinusf fonction dont on souhaite obte-nir les coefficients de FourierLorsque la fonction f est paire(respectivement impaire) les co-efficients bn (respectivements an)sont nuls

Theacuteoregraveme de Dirichlet

Si f est de classe C1 par morceaux et 2π-peacuteriodique pour tout reacuteel xon a lrsquoeacutegaliteacute suivante

S(x) =+infin

sumn=minusinfin

cneinx =a02

++infin

sumn=1

an cos nx ++infin

sumn=1

bn sin nx

S(x) =12

(f (xminus) + f (x+)

)

Dans ce cas il y a convergence simple de la seacuterie vers S(x)

Eacutegaliteacute de ParsevalSi f est continue par morceaux on a lrsquoeacutegaliteacute suivante

12π

int 2π

0| f (x)|2 dx =

|a0|24

++infin

sumn=1

|an|2 + |bn|22

=+infin

sumn=minusinfin

|cn|2

Convergence normale

Si f est continue et de classe C1 par morceaux sur R la seacuterie de Fourierde f est normalement convergente sur R et a pour somme f

c copyDuno

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 58

58 [1] Matheacutematiques

213 Fonctions de plusieurs variables

Deacuteriveacutee partielle

D j f (a) =part fpartx j

(a) = limtrarr0t 6=0

f (a1 a j + t an)minus f (a1 an)

t

f une fonction de plusieurs variablesOn deacutefinit ci-dessus la deacuteriveacutee partielle par rapport agrave la variable x j (saje variable) de la fonction f en un point a = (a1 an)

Deacuteriveacutee selon un vecteurOn dit que f admet une deacuteriveacutee en a selon un vecteur v que lrsquoon notedv f (a) si et seulement si la limite suivante existe

limtrarr0

1t

( f (a + tv)minus f (a))

Si elle existe cette limite est dv f (a)

Theacuteoregraveme fondamental

Soit U un ouvert de Rp si f U rarr Rn est de classe C1 sur Rp alorsf admet en tout point a de Rp une deacuteriveacutee selon tout vecteur h et

Dh f (a) =p

sumj=1

h jD j f (a)

Gradient

grad f =

(part fpartx

(x y)part fparty

(x y))

f U rarr R fonction de classe C1sur UU ouvert de R2

grad f gradient de fAlors Dv f (a) = (grad f (a)) middot v

Diffeacuterentielle drsquoune fonction de deux variables

d f =part fpartx

dx +part fparty

dyf U rarr R fonction de classe C1sur UU ouvert de R2

Applications de classe CkOn dit que f est de classe Ck avec k isin Nlowast sur U si et seulement si fadmet des deacuteriveacutees partielles successives sur U jusqursquoagrave lrsquoordre k et cequel que soit lrsquoordre de deacuterivation et chacune de ces deacuteriveacutees partiellesest continue sur U

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 59

3 Geacuteomeacutetrie 59

Theacuteoregraveme de Schwarz

part2 fpartx jpartxi

=part2 f

partxipartx jf fonction C2 sur Rp

Point critique

Soit U un ouvert de R2 a isin U et f U rarr R une fonction de classe CnOn dira que a est un point critique pour f si et seulement si toutes lesdeacuteriveacutees partielles de f existent et srsquoannulent en a

Extremum local

On dira que f U rarr R2 admet un extremum local sur X sub U en unpoint a isin X si et seulement si forallx isin X f (x) 6 f (a) ( f admettant alorsun maximum en a) ou forallx isin X f (x) gt f (a) ( f admettant alors unminimum en a)

Theacuteoregraveme des fonctions implicites

Soient x = (x1 x2) isin U ougrave U est un ouvert de R2 f U rarr R une

fonction de classe Ck sur U telle que f (x) = 0 etpart fpartx2

(x) 6= 0 alors il

existe deux intervalles ouverts J et K respectivement centreacutes en x1 et x2tels qursquoil existe une unique fonction de classe C1 ϕ J rarr K telle que

forall(x y) isin J times K ( f (x y) = 0lArrrArr y = ϕ(x))

3 Geacuteomeacutetrie

31 Courbes du plan

Point reacutegulier ndash Point bireacutegulier

Un point M(t) est dit reacutegulier si et seulement srsquoil veacuterifie f prime(t) 6= 0 ilest dit bireacutegulier si et seulement si la famille ( f prime(t) f primeprime(t)) est libre

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 60

60 [1] Matheacutematiques

Tangente ndash Deacutefinition

M0PM0PM0P = λfffprime(t0)

Si fprimefprimefprime(t0) 6= 0 la tangente en unpoint M de coordonneacutees t0 estlrsquoensemble des points P veacuterifiant laproprieacuteteacute ci-contre avec λ isin RSi cette limite nrsquoexiste qursquoent+0 (respectivement en tminus0 ) ondira que la courbe admet unedemi-tangente en M(t+0 ) (res-pectivement en M(tminus0 )) Si leslimites en t+0 ) et en tminus0 sont dif-feacuterentes la courbe admet deuxdemi-tangentes en M

Position drsquoun arc par rapport agrave la tangente

Dans les figures ci-dessous f (p)(t0) et f (q)(t0) repreacutesentent les deuxpremiers vecteurs deacuteriveacutes non nuls

f (t)(p)

f (t)(q)

M(t) f (t)(p)

f (t)(q)

M(t)

p impair q pair allure geacuteneacuterale p impair q impair point drsquoin-flexion

f (t)(p)

f (t)(q)

M(t)

f (t)(p)

f (t)(q)

M(t)

p pair q pair point de rebrousse-ment de seconde espegravece

p pair q impair point de rebrous-sement de premiegravere espegravece

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 61

3 Geacuteomeacutetrie 61

Branche infinie ndash DeacutefinitionOn dit que la courbe Γ admet une branche infinie en t0 si et seulementsi lim

trarrt0 f (t) = +infin

Direction asymtotique ndash AsymptoteSi la branche infinie forme un angle θ0 par rapport agrave lrsquoaxe des abscissespour savoir srsquoil srsquoagit drsquoune asymptote ou drsquoune direction asympto-tique on eacutetudie la limite

Y = limθrarrθ0

ρ sin(θminus θ0)

Si cette limite vaut +infin il srsquoagit drsquoune direction asymptotique si lalimite vaut 0 il srsquoagit drsquoune asymptote si la limite vaut b avec b isin Rla droite drsquoeacutequation y = θ0x + b est asymptote agrave la courbe

x

O

y

Branche paraboliqueO dira que la courbe Γ admet une branche parabolique quand t tendvers t0 si cette mecircme courbe admet une direction asymptotique quandt tend vers t0 mais pas drsquoasymptote

SymeacutetriesSoit ϕ t 7rarr ϕ(t) une fonction de changement de parameacutetrage Ondonne ci-dessous les symeacutetries classiques qui permettent de limiterlrsquointervalle drsquoeacutetude de la courbe

x(ϕ(t) = x(t)y(ϕ(t) = y(t)

Identiteacute

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 62

62 [1] Matheacutematiques

x(ϕ(t) = minusx(t)y(ϕ(t) = minusy(t) Symeacutetrie par rapport agrave lrsquoorigine

x(ϕ(t) = y(t)y(ϕ(t) = x(t)

Symeacutetrie par rapport agrave la premiegraverebissectrice

x(ϕ(t) = minusx(t)y(ϕ(t) = y(t)

Symeacutetrie par rapport agrave lrsquoaxe desordonneacutees

x(ϕ(t) = x(t)y(ϕ(t) = minusy(t)

Symeacutetrie par raport agrave lrsquoaxe desabscisses

Coordonneacutees polaires

ρ =radic

x2 + y2

x = ρ cos θ

y = ρ sin θ

Mr

ur

uq

q

xxM

yM

y

O

Eacutequations en coordonneacutees polairesLa droite

ρ =1

λ cos θ + micro sin θ

(λmicro) isin R2

Cette eacutequation repreacutesente ladroite drsquoeacutequation carteacutesienneλx + microyminus 1 = 0

Le cercle

ρ = λ cos θ + micro sin θ

(λmicro) isin R2

Cette eacutequation repreacutesente le cerclecentreacute enO drsquoeacutequation carteacutesiennex2 + y2 minus λxminus microy = 0

Conique dont le foyer est agrave lrsquoori-gine

ρ =p

1 + e cos(θminusϕ)

p paramegravetre de la coniquee excentriciteacute de la coniqueθ angle polaireϕ phase

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 63

3 Geacuteomeacutetrie 63

Branches infinies ndash DeacutefinitionsSi lim

θrarrplusmninfin

ρ = 0 on dit que O est un point-asymptote de la courbe

Si limθrarrplusmninfin

ρ = a on dit que le cercle de centre O et de rayon |a| est uncercle-asymptote agrave la courbeSi lim

θrarrplusmninfin

ρ = plusmninfin on dit que la courbe admet une branche-spirale

Si la branche infinie forme un angle θ0 par rapport agrave lrsquoaxe des abscissespour savoir srsquoil srsquoagit drsquoune asymptote ou drsquoune direction asympto-tique on eacutetudie la limite

Y = limθrarrθ0

ρ sin(θminus θ0)

Si cette limite vaut +infin il srsquoagit drsquoune direction asymptotique si lalimite vaut 0 il srsquoagit drsquoune asymptote si la limite vaut b avec b isin Rla droite drsquoeacutequation y = θ0x + b est asymptote agrave la courbe

Symeacutetries

Soit T la peacuteriode de ρ (crsquoest-agrave-dire ρ(θ + T) = ρ(θ)) Srsquoil existe Tprime telque ρ(θ + Tprime) = minusρ(θ) Tprime est appeleacute antipeacuteriode de ρ

ρ(minusθ) = ρ(θ)

Symeacutetrie par rapport agrave lrsquoaxe desabscisses On fait varier θ dans[0+infin[ avant drsquoeffectuer la symeacute-trie

ρ(αminus θ) = ρ(α)

On fait varier θ dans[α

2+infin

[

puis on effectue la symeacutetrie parrapport agrave la droite passant par Oet drsquoangle polaire α2

ρ(minusθ) = minusρ(θ)

Symeacutetrie par rapport agrave lrsquoaxe desordonneacutees On fait varier θ dans[0+infin[ avant drsquoeffectuer la symeacute-trie

ρ(αminus θ) = minusρ(α)

On fait varier θ dans[α

2+infin

[

puis on effectue la symeacutetrie parrapport agrave la droite passant par O

et drsquoangle polaireα

2+

π

2

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 64

64 [1] Matheacutematiques

32 Proprieacuteteacutes meacutetriques des courbes

Abscisse curviligne

forallt isin I s(t) =int t

t0 f prime(u) du

f t 7rarr M(t)s t 7rarr s(t)

Longueur drsquoun arc

l(AB) =int b

a f prime(t) dt l(AB) longueur de lrsquoarc AB

Rayon de courbure ndash Courbure

R =dsdα

γ =1R

R rayon de courbures abscisse curviligneα = (iii TTT) ougrave TTT est le vecteur tan-gentγ courbure au point M(t)

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 65

Chapitre 2Physique

0 Eacuteleacutements de matheacutematiques

01 Diffeacuterentielles

Deacuteveloppements limiteacutes

Soit f x 7rarr f (x) alors f (x + δx) = f (x) + δx f prime(x) +(δx)2

2f primeprime(x) +

middot middot middotDiffeacuterentielle drsquoune fonction de plusieurs variables

Soit f une fonction des variables x et y alors

d f =

(part fpartx

)

y

dx +

(part fparty

)

x

dy

On peut eacutetendre cette deacutefinition de d f pour une fonction de n va-riablesOn a par deacutefinition du gradient

d f = (grad f ) middot dMMMc copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 66

66 [2] Physique

Theacuteoregraveme de Schwarz

part2 f (x y)partxparty

=part2 f (x y)

partypartx

(les deacuteriveacutees croiseacutees drsquoune fonction C2 sont eacutegales)

02 Eacutequations diffeacuterentielles

Eacutequation de relaxation

yprime(t) +y(t)

τ= γ (ougrave γ est

une constante) Sa solution esty(t) = γτ + (y(0)minus γτeminustτ

y t( )

t

Eacutequation de lrsquooscillateur harmonique

yprimeprime(t) + ω20y(t) = 0 Sa solution est

y(t) = λ cos(ω0t) + micro sin(ω0t) ouy(t) = δ cos(ω0t + ϕ)

y t( )

t

Eacutequation drsquoun systegraveme explosif

yprimeprime(t) minus ω20y(t) = 0 Sa solution est

y(t) = λ ch(ω0t) + micro sh(ω0t)

y t( )

t

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 67

0 Eacuteleacutements de matheacutematiques 67

Eacutequation de diffusionpartypartt

= D∆y Les solutions deacutependent des conditions aux limites et des

conditions initiales On la reacutesoud geacuteneacuteralement en reacutegime permanentougrave la solution est sinusoiumldale

Eacutequation de preacutecession

partuuupartt

= ωωω and uuu uuu est en rotation autour duvecteurωωω

wu

Eacutequation du second ordre

ayprimeprime(t) + byprime(t) + cy(t) = g(t)

Le discriminant de son eacutequation caracteacuteristique ((Ec) ar2 + br + c = 0)est ∆ = b2 minus 4ac Soient r1 et r2 les deux racines de cette eacutequation ca-racteacuteristiqueDans un premier temps inteacuteressons nous au cas ougrave g(t) = γ uneconstante

Si ∆ gt 0 les deux racines r1 et r2 sontreacuteelles la solution est du type apeacuteriodique

y(t) = λer1t + microer2 t +γ

c

y t( )

tSi ∆ lt 0 les deux racines de lrsquoeacutequationcaracteacuteristique sont complexes conjugueacuteesla solution est alors pseudo-peacuteriodique

y(t) = (λ cos(βt) + micro sin(βt))eαt +γ

cavec α et β respectivement partie reacuteelle etpartie imaginaire de r1

y t( )

t

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 68

68 [2] Physique

Si ∆ = 0 le reacutegime est critique lrsquoeacutequationcaracteacuteristique admet une racine double

La solution est y(t) = (λt + micro)er1t +γ

c

y t( )

tSi g(t) est une excitation sinusoiumldale on reacutesout en complexes en posanty(t) = Ye jωt pour obtenir une solution particuliegravere

03 Coniques

Eacutequation polaire drsquoune conique avec origine au foyer

r(θ) =p

1 + e cos θ

r distance du point courant agravelrsquoorigineθ angle polairep paramegravetree excentriciteacute

Nature de la conique

ndash une ellipse si 0 lt e =a

blt 1 ab

O

ndash une parabole si e = 1

ndash une hyperbole si e gt 1

Aire drsquoune ellipse

S = πabS surface de la coniquea demi grand axeb demi petit axe

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 69

1 Eacutelectronique 69

1 Eacutelectronique

11 Lois geacuteneacuterales

Loi de Pouillet

i =E

sumk

Rk

i intensiteacute du courant dans lecircuitE tension deacutelivreacutee par le geacuteneacute-rateurRk reacutesistance k du circuit

Loi des nœuds

La loi des nœuds en N srsquoeacutecrit n

sumk=1

ik = 0

Ni1

in

ik

i4

i2i3

Loi des mailles

La loi des mailles sur la maille ci-

contre srsquoeacutecrit n

sumk=1

uk = 0 u1

u2

u3

u4

unuk

Theacuteoregraveme de Millman

Le theacuteoregraveme de Millman appliqueacuteen N donne

u =

n

sumk=1

Gk middot uk +p

sumj=1

i j

n

sumk=1

Gk u1 unu2 uk

uG1 GnG2 Gk

Ni1

i2 ijip

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 70

70 [2] Physique

Theacuteoregraveme de superposition (Helmholtz)Dans un reacuteseau de dipocircles lineacuteaires comportant n sources la tensionaux bornes de chaque dipocircle est la somme algeacutebrique des tensions qursquoily aurait aux bornes de ce dipocircle si une seule source autonome fonction-nait De mecircme lrsquointensiteacute dans une branche drsquoun circuit est la sommedes intensiteacutes qui regravegneraient dans la branche si une seule source au-tonome fonctionnait

12 Reacutegime variable

Puissance reccedilue par un dipocircle

p(t) = u(t)i(t)

lt pgt=1T

int T

0p(t) dt

lt pgtsinusoiumldal= Ueff Ieff cosϕ

On se place en convention reacutecep-teurp(t) puissance instantaneacutee reccediluepar le dipocirclelt p gt puissance moyenne reccediluepar le dipocircleu(t) tension aux bornes de ce di-pocirclei(t) intensiteacute traversant le dipocircleUeff tension efficace aux bornesdu dipocircleIeff intensiteacute efficace traversant ledipocircleϕ deacutephasage entre la tension etlrsquointensiteacute ϕ = arg Z ougrave Z est lrsquoim-peacutedance complexe

Impeacutedance complexe et phase des composants usuels

Reacutesistance

Z = R

ϕ = 0

Bobine

Z = jLω

ϕ = +π

2

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 71

1 Eacutelectronique 71

Condensateur

Z =1

jCω

ϕ = minusπ

2

Z impeacutedanceR valeur de la reacutesistanceC capaciteacute du condensateurL inductance de la bobineω pulsationϕ deacutephasage de u par rapport agrave i

Fonction de transfert

H( jω) =s

e

H( jω) fonction de transferts signal de sortiee signal drsquoentreacutee

Gain en deacutecibels ndash Phase

H(ω) = |H( jω)|

GdB = 20 log |H( jω)|

ϕ = argH

H(ω) gainGdB gain en deacutecibelsH( jω) fonction de transfertϕ phase (avance de la sortie surlrsquoentreacutee)

Diagramme de BodeLe diagramme de Bode en gain (respectivement en phase) consiste agraverepreacutesenter le gain en deacutecibel (respectivement la phase) en fonction de

logω

ω0ou de logω

Filtre passe-bas du premier ordre

log(w)log(w )0

G (dB)

log(w )0 log(w)

jp2

2

4-p

-p

H(ω) =H0

1 + jω

ω0

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 72

72 [2] Physique

Filtre passe-haut du premier ordre

log(w )0

log(w)

G (dB)

log(w )0

log(w)

jp

p2

4

2-p

H(ω) =H0 j

ω

ω0

1 + jω

ω0

Filtre passe-bas du deuxiegraveme ordre

log(w )0

log(w)

Q gt Q1 2 Q gt Q2 3

Q3

G (dB) log(w )0 log(w)Q gt Q1 2

Q3

j

0

2-p

-p

Q =1 gt Q2 3Ouml2

H(ω) =H0

1 +

(jω

ω0

)2+ j

ω

Qω0

Filtre passe-haut du deuxiegraveme ordre

log(w)

Q gt Q1 2

Q gt Q2 3

Q3

G (dB)

log(w )0

log(w )0 log(w)

Q gt Q1 2

Q3

j

0

2p

p

Q =1 gt Q2 3Ouml2

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 73

1 Eacutelectronique 73

H(ω) =

H0

(jω

ω0

)

1 +

(jω

ω0

)2+ j

ω

Qω0

Filtre passe bande du deuxiegraveme ordre

log(w)

Q gt Q1 2

Q gt Q2 3

Q3

G (dB)

log(w )0

log(w )0

log(w)

Q gt Q1 2

Q3

jp

0

2

2-p

Q =1 gt Q2 3Ouml2

H(ω) =H0

1 + jQ

ω0minus ω0

ω

)

13 Montages avec amplificateur opeacuterationnel

GeacuteneacuteraliteacutesPour un amplificateur opeacuterationnel ideacuteal en reacutegime lineacuteaire ndash ε = V+ minusVminus = 0lArrrArr |uS| 6 Vsatndash Si ε lt 0 uS = minusVsat si ε gt 0 uS = Vsat on est en reacutegime satureacutendash Lrsquointensiteacute entrant par les bornes + et minus est nulle

Suiveur de tension

+yen-e

uSuE

iS

uS = uE

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 74

74 [2] Physique

Amplificateur inverseur

+yen

-

R2

uSuE

iER1 e

uS = minusR2

R1uE

Amplificateur non inverseur

+yen-

R2

uSuE

iEiS

R1 e

uS =

(1 +

R2

R1

)uE

Convertisseur courant-tension

+yen-

R

uSuE

iE iSe

uS = minusR middot iE

Comparateur simple

+yen-

uSu2 u1

e

Si u1 gt u2 uS = +VsatSi u1 lt u2 uS = minusVsat

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 75

1 Eacutelectronique 75

Inteacutegrateur theacuteorique

+yen-R

C

uSuE

e uS =

minus 1RC

int t

t0uE(t) dt + us(t0)

Deacuterivateur theacuteorique

+yen-

R

uSuE

C e

uS = minusRCduEdt

Comparateur agrave hysteacutereacutesis

ε =R1

R1 + R2uS minus uE

ndash Si uS = +Vsat rArr ε gt 0rArr uE ltR1

R1 + R2Vsat

ndash Si uS = minusVsat rArr ε lt 0rArr uE gt minus R1

R1 + R2Vsat

ndash Si uE isin]minus R1

R1 + R2Vsat

R1

R1 + R2Vsat

[alors le montage est bistable

(uS = plusmnVsat)

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 76

76 [2] Physique

Sommateur inverseur

+yen-

R2

uS

uE1 uE2 uE3

uE1

i1

i2

i3

R11

R1 2

R1 3

e

ik =uEk

R1kuS = minusR2 sum

k

uEk

R1k

2 Thermodynamique

21 Gaz parfait

Eacutequation drsquoeacutetat

pV = nRT

p pression du gazV volume du gazR = N middot k constante des gaz par-faitsT tempeacuteraturen quantiteacute de matiegravere

Vitesse quadratique moyenne

12mu2 =

32kT

m masse atomique du gazu vitesse quadratique moyennek constante de BoltzmannT tempeacuterature

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 77

2 Thermodynamique 77

Coefficients thermoeacutelastiques

α =1V

(partVpartT

)

p

β =1p

(partppartT

)

V

χT = minus 1V

(partVpartp

)

T

α coefficient de dilatation isobareβ coefficient drsquoaugmentation depression agrave volume constantχT coefficient de compressibiliteacuteisothermep pressionT tempeacuteratureV volume

Relation entre les coefficients thermoeacutelastiquesα = pβχT

Modegravele de Van der Waals

(p +

n2a

V2

)(V minus nb) = nRT

a b constantes positivesn quantiteacute de matiegraverep pressionT tempeacuteratureV volumenb covolumeR constante des gaz parfaits

22 Premier et second principes de la thermodynamique

Premier principe

∆U = W + Q

∆U variation drsquoeacutenergie interneW transfert meacutecaniques reccedilus parle systegravemeQ transferts thermiques vers lesystegravemec copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 78

78 [2] Physique

Travail reacuteversible des forces de pression

W = minusint V f

Vi

p dV

W travail des forces de pressionVi volume initialV f volume finalp pressionSi la transformation est isobarealors W = minusp∆V

Enthalpie

H = U + pV

H enthalpieU eacutenergie internep pressionV volume du systegravemeLrsquoenthalpie est une fonction drsquoeacutetat

Premiegravere loi de Joule pour un gaz parfait

dU = CV dT

dU variation drsquoeacutenergie interneCV capaciteacute thermique agrave volumeconstantdT variation de tempeacuterature

CV =

(partUpartT

)

V

Autre formulation U ne deacutependque de T

Seconde loi de Joule pour un gaz parfait

dH = Cp dT

dH variation drsquoenthalpieCp capaciteacute thermique agrave pressionconstantedT variation de tempeacuterature

Cp =

(partHpartT

)

p

Autre formulation H ne deacutependque de T

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 79

2 Thermodynamique 79

Gaz parfait monoatomique

U =32nRT

H =52nRT

U eacutenergie interneH enthalpien quantiteacute de matiegravereR constante des gaz parfaitsT tempeacuterature

Bilan sur les eacutecoulements permanents

(h2 + ek2+ ρgz2)minus (h1 + ek1

+ ρgz1) = wm + qm

wm

qm

Cette relation est aussi appeleacuteerelation de ZeunerOn indexe par 1 et 2 les grandeursrelatives au fluide respectivementen amont et en aval de la machine

hi enthalpie massiqueeki

eacutenergie cineacutetique massiqueρgzi eacutenergie potentielle de pesan-teur massiquewm travail reccedilu par lrsquouniteacute demasse de fluide qui traverse la ma-chineqm transfert thermique reccedilu parlrsquouniteacute de masse de fluide qui tra-verse la machine

Deacutetente de Joule Gay-Lussac

eacutetat initial

eacutetat final

∆U = 0

U eacutenergie interne

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 80

80 [2] Physique

Deacutetente de JoulendashKelvin

h1 + ek1= h2 + ek2

En eacutecoulemement lent (eki≪ hi)

la deacutetente est isenthalpique (h2 =h1)

Rapport des capaciteacutes thermiques

γ =Cp

CVgt 1

Cp =γR

γminus 1

CV =R

γminus 1R constante des gaz parfaitsγ rapport des capaciteacutes ther-miques

Second principe ndash Entropie

dS =δQ

+ δSirrev

S entropieQ transferts thermiques vers lesystegravemeTΣ tempeacuterature de surface dusystegravemeδSirrev gt 0 creacuteation drsquoentropieLrsquoentropie est une mesure statis-tique du deacutesordre

Identiteacutes thermodynamiques

dU = T dSminus p dV

dH = T dS +V dp

dU variation drsquoeacutenergie internedH variation drsquoenthalpiedS variation drsquoentropiep pression du gazV volume du systegravemeT tempeacuterature

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 81

2 Thermodynamique 81

Lois de Laplace

p Vγ = cste1

T Vγminus1 = cste2

Tγp1minusγ = cste3

Ces lois deacutecrivent lrsquoeacutevolution desparamegravetres thermodynamiquespour une transformation isentro-pique (adiabatique reacuteversible) degaz parfaitp pression du gazV volume du systegravemeT tempeacuteratureγ rapport isentropique

23 Changements de phase drsquoun corps pur

Diagramme drsquoeacutetat

vapeur

C

T

T

p

liquidesolide

Le point C est le point critique au delagraveduquel on ne fait plus la diffeacuterence entrela phase liquide et la phase vapeur (eacutetatfluide)Le point T est le point triple ougrave toutes lesphases coexistentp pressionT tempeacuterature

Nomenclature des changements de phase

vapeurliquidesolidefusion

sublimation

condensation

solidification liqueacutefaction

vaporisation

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 82

82 [2] Physique

Diagramme drsquoeacutequilibre liquidendashvapeur

vapeur

T T= C

T gt TC

T lt TC

liquide+

vapeur

C

vvl

vv

VLM

p

V

liquide

courbe drsquoeacutebullition

courbe de roseacutee

vapeur

p = pC

p gt pC

p lt pC

liquide+

vapeur

C

ssl s

v

VL

M

T

S

liquide

courbe drsquoeacutebullition

courbe de roseacutee

Titre de vapeur ndash Titre de liquide

xv =mv

m=

LM

LV

xl =mlm

=MV

LV

xl titre massique de liquidexv titre massique de vapeurml mv masse de liquide et de vapeurLM LVMV distance LM LVMVmesureacutees sur un des deux diagrammesdrsquoeacutetat preacuteceacutedent

On a eacutegalement la relation xl + xv = 1

Expression des fonctions drsquoeacutetat

u = x1u1 + x2u2

h = x1h1 + x2h2

s = x1s1 + x2s2

xi le titre massique du corps pur dansla phase iui hi si lrsquoeacutenergie interne massiquelrsquoenthalpie massique et lrsquoentropie mas-sique du corps dans la phase iu h s lrsquoeacutenergie interne massique lrsquoen-thalpie massique et lrsquoentropie massiquedu corps

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 83

2 Thermodynamique 83

Chaleur latente

l1rarr2 = h2 minus h1 = T(s2 minus s1)

l1rarr2 chaleur latente massique de pas-sage de la phase 1 agrave la phase 2hi enthalpie massique du corps dans laphase isi entropie massique du corps dans laphase iT tempeacuterature de cœxistance desphases

Relation de Clapeyron

l1rarr2 = T(v2 minus v1)partppartT

l1rarr2 chaleur latente massique de pas-sage de la phase 1 agrave la phase 2vi volume massique du corps dans laphase ip pressionT tempeacuterature de changement drsquoeacutetat

24 Machines thermiques

Machines dithermes

machine

QC

W

QF

TC TF

TC tempeacuterature de la source chaudeQC transfert thermique algeacutebrique dela source chaude vers la machineTF tempeacuterature de la source froideQF transfert thermique algeacutebrique de lasource froide vers la machineW transfert meacutecanique reccedilu par la ma-chine

Premier et second principes appliqueacutes sur un cycle

∆U = 0

∆S = 0

Sur un cycle la variation drsquoeacutenergie in-terne (U) et drsquoentropie (S) est nulle(fonctions drsquoeacutetat)c copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 84

84 [2] Physique

Ineacutegaliteacute de Clausius

QC

TC+

QF

TF6 0

(Second principe appliqueacute agrave la machine)TC tempeacuterature de la source chaudeQC transfert thermique algeacutebrique dela source chaude vers la machineTF tempeacuterature de la source froideQF transfert thermique algeacutebrique de lasource froide vers la machine

Efficaciteacute de Carnot du moteur ditherme

eC = 1minus TFTC

e 6 eC

eC efficaciteacute de Carnot (machine reacutever-sible)TC tempeacuterature de la source chaudeTF tempeacuterature de la source froidee efficaciteacute reacuteelle

Efficaciteacute de Carnot du reacutefrigeacuterateur ditherme

eC =TF

TC minus TFe 6 eC

eC efficaciteacute de Carnot (machine reacutever-sible)TC tempeacuterature de la source chaudeTF tempeacuterature de la source froidee efficaciteacute reacuteelle

Efficaciteacute de Carnot de la pompe agrave chaleur

eC =TC

TC minus TFe 6 eC

eC efficaciteacute de Carnot (machine reacutever-sible)TC tempeacuterature de la source chaudeTF tempeacuterature de la source froidee efficaciteacute reacuteelle

Repreacutesentation du cycle

p

V

Le transfert meacutecanique reccedilu par la ma-chine correspond agrave lrsquoaire inteacuterieure de lacourbe dans le diagramme de Clapey-ron (pV) Cette aire doit donc ecirctre neacute-gative (parcourue dans le sens horaire)pour obtenir un moteur (w lt 0)

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 85

2 Thermodynamique 85

T

S

Le transfert thermique reccedilu correspondagrave lrsquoaire inteacuterieure agrave la courbe dans le dia-gramme (S T)

25 Diffusion thermique

Flux thermique

Φth =intint

Sjjjth middotnnn dS

Φth flux thermiquejjjth vecteur courant de diffusionthermiquennn normale agrave la surface dS

Loi de Fourier

jjjth = minusλgradT

jjjth vecteur courant de diffusionthermiqueT tempeacuteratureλ conductiviteacute thermique

Eacutequation de la chaleur

partTpartt

= κ∆T

κ =λ

ρC

κ diffusiviteacute thermiqueT tempeacuterature∆ laplacien scalaireλ conductiviteacute thermiqueρ masse volumiqueC capaciteacute thermique

Convection

jc = minush(Tint minus Text)

jc courant de convection algeacutebriqueh coefficient de convectionTint tempeacuterature inteacuterieureText tempeacuterature exteacuterieure

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 86

86 [2] Physique

Conductance thermique

Φ = G(Tint minus Text)

G = heqS

heq =

(

sumi

1hi

+ sumj

e j

λ j

)minus1

En reacutegime permanent on deacutefinitainsi la conductance thermiqueΦ flux thermique totalG conductance thermiqueTint tempeacuterature inteacuterieureText tempeacuterature exteacuterieureh coefficient de convectionλ conductiviteacute thermiquee j epaisseur de la paroi de conduc-tiviteacute λ j

26 Rayonnement thermique

Flux thermique

ϕi︸︷︷︸incident

= ϕr︸︷︷︸reacutefleacutechi

+ ϕa︸︷︷︸absorbeacute

ϕp︸︷︷︸partant

= ϕe︸︷︷︸eacutemis

+ ϕr︸︷︷︸reacutefleacutechi

+ ϕt︸︷︷︸transmis

Fi

Fr Fd

Ft

Fa

Loi de Planck

Fλ(λ T) =2πhc2

λ51

ehc

kλTminus1

Fλ(λ T) eacutemittanceλ longueur drsquoondeT tempeacuteratureh constante de Planckc vitesse de la lumiegravere dans levidek constante de Boltzmann

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 87

2 Thermodynamique 87

Repreacutesentation graphique de la loi de Planck

F ( T)l l

lieu des maximums

T T1 2gt

T T2 3gt

T T3 4gt

T4

l

Loi du deacuteplacement de Wien

λmT = 2 897 8 microm middotKλm longueur drsquoonde ougrave lrsquoeacutemis-sion est maximaleT tempeacuterature

Loi de StefanCette loi est valable pour tout corps agrave lrsquoeacutequilibre thermodynamique etagrave lrsquoeacutequilibre thermique pour ϕp

ϕe =int +infin

0Fλ(λ T) dλ

ϕe = σT4

ϕe flux eacutemisFλ(λ T) luminance (deacutecrite parla loi de Planck)σ constante de Stefanλ longueur drsquoondeT tempeacuterature

Corps noir

Un corps noir absorbe le flux incident pour toute longueur drsquoonde etquelque soit son incidence Il est en eacutequilibre radiatif (ϕp = ϕi etϕe = ϕa ougrave ϕp est le flux partant ϕi le flux incident ϕe le flux eacutemiset ϕa le flux absorbeacute) et thermique

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 88

88 [2] Physique

3 Meacutecanique du point

31 Cineacutematique

Coordonneacutees carteacutesiennes

OMOMOM = xiii + yjjj + zkkk

x abscissey ordonneacuteez cote

vvv =dOMOMOMdt

=

xyz

aaa =d2OMOMOMdt2

=

xyz

M

i

kj

z

x

zM

xM

yMy

O

Coordonneacutees cylindriques

OMOMOM = ruuur + zuuuz

r rayon polaireθ angle polairez cote

vvv =dOMOMOMdt

=

rrθz

uuur

uuuθ

uuuz

aaa =d2OMOMOMdt2

=

rminus rθ2

2rθ + rθz

uuur

uuuθ

uuuz

M

i

ur

uz

uq

kj

q

z

x

zM

xM

yM y

r

O

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 89

3 Meacutecanique du point 89

Coordonneacutees spheacuteriques

OMOMOM = ruuur

r rayonθ colatitude variant dans [0π]ϕ longitude variant dans [0 2π]

vvv =dOMOMOMdt

=

rrθ

r sin θϕ

uuur

uuuθ

uuuϕ

M

ur

uj

uq

i

k

j

j

q

x

z

r

zM

xM

yM yO

Mouvement circulaire uniforme

OMOMOM = ruuur

r rayon polaireθ angle polaireωωω vitesse angulaire uniforme(ωωω = ωuuuz)

M

v(M)

a(M)ur

uq q x

z

y

O

vvv = ωuuuz andOMOMOM = ωruuuθ aaa = minusω2ruuur = minus v2

ruuur

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 90

90 [2] Physique

32 Changement de reacutefeacuterentiel

x

xrsquo

z zrsquo

y

yrsquo

O Orsquo

Composition des vitesses

vvv(M)R = vvv(M)Rprime︸ ︷︷ ︸vitesse relative

+vvv(Oprime)R + ΩΩΩ andOprimeMOprimeMOprimeM︸ ︷︷ ︸vitesse drsquoentraicircnement

ΩΩΩ vecteur de rotation instantanneacutee de Rprime par rapport agrave R

Composition drsquoacceacuteleacuteration

aaa(M)R = aaa(M)Rprime+ 2ΩΩΩ and vvv(M)Rprime︸ ︷︷ ︸acceacuteleacuteration de Coriolis (ac)

+aaa(Oprime)R + ΩΩΩ and(ΩΩΩ andOprimeMOprimeMOprimeM

)+

dΩΩΩ

dtandOprimeMOprimeMOprimeM

︸ ︷︷ ︸acceacuteleacuteration drsquoentraicircnement (ae)

Forces associeacutees

fffe = minusmaaae

fffc = minusmaaac

fffe force drsquoentraicircnementfffc force de Coriolisaaae acceacuteleacuteration drsquoentraicircnementaaac acceacuteleacuteration de Coriolis

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 91

3 Meacutecanique du point 91

Reacutefeacuterentiel en rotation uniforme autour drsquoun axe fixe

fffe = mΩ2ruuur

(force centrifuge)

fffc = minus2mΩΩΩ and vvv(M)Rprime

W t

W

z = zrsquo

x

yrsquo

xrsquo

yO

Reacutefeacuterentiel galileacuteenDans un reacutefeacuterentiel galileacuteen un point mateacuteriel isoleacute est soit au repossoit animeacute drsquoun mouvement rectiligne uniforme

33 Lois geacuteneacuterales de la meacutecanique

Principe des actions reacuteciproques

FFF1rarr2 = minusFFF2rarr1

M1M2M1M2M1M2 and FFF1rarr2 = 000

FFFirarr j force de i sur jMi point drsquoapplication de la forceFirarr j

Principe fondamental de la dynamique

dpppdt

= sumi

fffi

ppp = mvvv quantiteacute de mouvementdu systegravemefffi force appliqueacutee au systegravemesumi

fffi reacutesultante des forces

Quantiteacute de mouvement drsquoun systegraveme fermeacute

ppp = sumi

mivvv(Pi) = Mvvv(G)

ppp quantiteacute de mouvement du sys-tegravememi masse associeacutee au point mateacute-riel PiM masse du systegravemeG centre de masse du systegraveme

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 92

92 [2] Physique

Theacuteoregraveme du moment cineacutetique en un point fixe

dLLLO

dt=MMMO

(

sumi

fffi

)LLLO moment cineacutetique au point dereacuteduction O

MMMO

(

sumi

fffi

) moment de la reacutesul-

tante des forces en O

Moment cineacutetique ndash Moment cineacutetique barycentrique

LLLB = LLLA +BABABA andmvvv(M)

LLLlowastsystegraveme = LLLG

LLLP moment cineacutetique en Pm masse du systegravemevvv(M) vitesse du point MLLLlowastsystegraveme moment cineacutetique bary-centrique du systegraveme

Theacuteoregraveme de Kœnig du moment cineacutetique

LLLA = LLLlowast +AGAGAG andMvvv(G)

LLL(P) moment cineacutetique en PLLLlowast moment cineacutetique barycen-triqueM masse du systegravemevvv(G) vitesse du centre de graviteacutedu systegraveme

Moment de forces

MMMB(fff) =MMMA(fff) +BABABA and fff MMMP moment de force en Pfff force appliqueacutee au systegraveme

Theacuteoregraveme du moment cineacutetique en un point mobile

dLLLAdt = MMMA (sumi fffi)

minusvvv(A) andmvvv(P)

LLL moment cineacutetique

MMM(

sumi

fffi

) moment de la reacutesul-

tante des forcesm masse du systegravemevvv(P) vitesse de P

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 93

3 Meacutecanique du point 93

Puissance drsquoune force

P = fff middot vvvP puissance de la force ffffff forcevvv(G) vitesse du point mateacuteriel

Eacutenergie cineacutetique drsquoun point et drsquoun systegraveme de points

Ek =12mv2

Ek = sumi

mi

2v2i

Ek eacutenergie cineacutetiquem masse du systegravememi masse du point mateacuteriel Piv vitesse du systegravemevi vitesse du point mateacuteriel Pi

Theacuteoregraveme de lrsquoeacutenergie cineacutetique

dEkdt

= PEk eacutenergie cineacutetiqueP puissance des forces appli-queacutees au systegraveme

Theacuteoregraveme de Kœnig de lrsquoeacutenergie cineacutetique

Ek = Elowastk +12mv2(G)

Ek eacutenergie cineacutetiqueElowastk eacutenergie cineacutetique barycen-triquem masse du systegravemev(G) vitesse du centre de graviteacutedu systegraveme

Eacutenergie meacutecanique

Em = Ek + Ep

Em eacutenergie meacutecaniqueEk eacutenergie cineacutetiqueEp eacutenergie potentiellec copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 94

94 [2] Physique

Eacutenergies potentielles

ndash eacutenergie potentielle de pesanteur

Eppes = MgzG

Eppes eacutenergie potentielle de pe-santeurm masse du systegravemeg acceacuteleacuteration de la pesanteurzG cote du centre de graviteacute dusystegraveme

ndash eacutenergie potentielle eacutelastique

Epelas=

12k(∆l)2

Epelas eacutenergie potentielle eacutelastique

k constante de raideur du ressort∆l allongement du ressort

ndash eacutenergie potentielle de gravitation

Epgrav = minusGm1m2

r

Epgrav eacutenergie potentielle de gra-vitationG constante universelle de gravi-tationm1 m2 masses en interactionr distance seacuteparant les deuxmasses

ndash eacutenergie potentielle eacutelectrique

Epel= qV

Epel eacutenergie potentielle eacutelectrique

q charge ponctuelleV potentiel au point ougrave se trouvela charge

Eacutequilibre

dEp

dx(x0) = 0

x0 position drsquoeacutequilibreEp eacutenergie potentielle

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 95

3 Meacutecanique du point 95

Eacutequilibre stable ndash Eacutequilibre instable

d2 Ep

dx2(x0) gt 0

x0

Ep

xO

Minimum drsquoeacutenergie potentielle eacutequilibre stable

d2 Ep

dx2(x0) 6 0

x0

Ep

xO

Maximum drsquoeacutenergie potentielle eacutequilibre instable

Forces conservatives

FFFcons = minusgradEp Les forces conservatives deacuteriventdrsquoune eacutenergie potentielle

Theacuteoregraveme de lrsquoeacutenergie meacutecanique

dEm

dt= Pext non cons +Pint non cons

Em eacutenergie meacutecaniquePext non cons puissance des forcesexteacuterieures au systegraveme nonconservativesPint non cons puissance des forcesinteacuterieures au systegraveme (dans lecas drsquoun systegraveme de points) nonconservatives

34 OscillateursOn se reportera eacutegalement aux oscillateurs eacutelectriques dans la partie eacutelec-tronique de cet ouvrage

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 96

96 [2] Physique

Oscillateur harmonique

d2 Adt2

+ ω20A = 0

A = α cosω0t + β sinω0t

A = γ cos(ω0t + ϕ)

Un oscillateur harmonique est reacute-git par lrsquoeacutequation ci-contre ougrave A grandeur physiqueω0 pulsation de lrsquooscillateurαβγϕ constantes deacutetermineacuteespar les conditions initiales

Portrait de phase drsquoun oscillateur harmonique

A

Aw0

0

Le portrait de phase drsquoun oscilla-teur harmonique est constitueacute decercles concentriques

Oscillateur harmonique amorti

d2 Adt2

+ω0

Q

dAdt

+ ω20A = 0

A grandeur physiqueω0 pulsation de lrsquooscillateur har-moniqueQ facteur de qualiteacute de lrsquooscilla-teur

Reacuteponses drsquoun oscillateur harmonique amorti

Q gt 12 les deux racines delrsquoeacutequation caracteacuteristique r1 et r2sont reacuteelles la solution est du typeapeacuteriodique A(t) = λer1t + microer2t

A( )t

t

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 97

3 Meacutecanique du point 97

Q = 12 on est en reacutegimecritique lrsquoeacutequation caracteacuteristiqueadmet une racine double r La so-lution est A(t) = (λt + micro)ert

A( )t

t

Q lt 12 les deux racinesde lrsquoeacutequation caracteacuteristiques sontcomplexes conjugueacutees la solu-tion est alors pseudo-peacuteriodique A(t) = (λ cos(βt) + micro sin(βt))eαt

avec α et β respectivement partiesreacuteelle et imaginaire de la solution

A( )t

t

Portrait de phase drsquoun oscillateur amorti

Qgt1

2

Q=12

Q

lt12

A

Aw0

Oscillations forceacutees

d2 Adt2

+ω0

Q

dAdt

+ ω20A = E(t)

A grandeur physiqueω0 pulsation de lrsquooscillateur har-moniqueQ facteur de qualiteacute de lrsquooscilla-teurE(t) excitationSi lrsquoexcitation est sinusoiumldale onreacutesout une telle eacutequation en utili-sant la notation complexe et en po-sant A(t) = A0e

jωtIl ne peut y avoir reacutesonance que siQ gt 1

radic2

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 98

98 [2] Physique

35 Mouvement drsquoune particule chargeacutee

Force de Lorentz

FFF = q(EEE + vvv andBBB)

FFF force de Lorentzq charge de la particulevvv vitesse de la particuleBBB champ magneacutetiqueEEE champ eacutelectrique

Mouvement dans un champ magneacutetique stationnaire uniforme

R =

∣∣∣∣mv0qB

∣∣∣∣

ω =

∣∣∣∣qB

m

∣∣∣∣

Ces lois deacutecrivent la trajectoire cir-culaire drsquoune particule de masse met de charge q abandonneacutee dansun champ magneacutetique avec unevitesse vvv0 orthogonale au champmagneacutetique BBBR rayon de la trajectoireω vitesse angulaire de la parti-cule

Un champ magneacutetique ne fait que deacutevier une particule il ne lrsquoacceacutelegraverepas

Effet Hall

EEEHall = minusvvv andBBB

UHall =BI

nqℓ

EEEHall champ eacutelectrique creacuteeacute pareffet HallUHall diffeacuterence de potentiel quiapparaicirct aux bornes de la sondevvv vitesse des particulesBBB champ magneacutetiqueI intensiteacute du courant traversantla sonden densiteacute particulaireq charge de la particuleℓ largeur de la sonde

B

EHall

I l

+++++++

ndashndashndashndashndashndashndash

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 99

3 Meacutecanique du point 99

36 Systegravemes de deux points mateacuteriels

Systegraveme isoleacute de deux points mateacuterielsPour eacutetudier un systegraveme isoleacute de deux points mateacuteriels de masse m1 etm2 on eacutetudie le mouvement drsquoune particule eacutequivalente dans le reacutefeacute-

rentiel barycentrique et de masse micro =m1m2

m1 + m2situeacutee en un point M

tel que GMGMGM = M1M2M1M2M1M2 = rrr

GM1GM1GM1 =minusm2

m1 + m2M1M2M1M2M1M2

GM2GM2GM2 =m1

m1 + m2M1M2M1M2M1M2

(m1 + m2)vvv(G) = cstecstecste

mi masse de la particule se trou-vant en Mimicro masse reacuteduiteG centre de graviteacute du systegravemevvv(G) vitesse de ce centre de gra-viteacutevvvi vitesse de la particule se trou-vant en Mi

Conservation du moment cineacutetique

LLLO = mCCC

ppp = CsteCsteCste

Dans le cas drsquoun systegraveme isoleacute dedeux particules il y a conserva-tion du moment cineacutetique et de laquantiteacute de mouvementLLL moment cineacutetiqueP point fictif (repreacutesentant le mo-bile eacutequivalent)vvv(P) vitesse de ce pointm masse du systegravemeCCC constante des aires

Planeacuteiteacute de la trajectoire ndash Loi des aires

La trajectoire est plane et la vitesseareacuteolaire est constante

dAdt

=C

2laquo Pour des temps eacutegaux les airesbalayeacutees sont eacutegales raquo

v( )M

d aire balayeacuteependant dA

t

O

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 100

100 [2] Physique

Eacutenergie potentielle efficace

Elowastm =12micror2 + Epe f f = E0

Epe f f =microC2

2r2+ Epint (r)

Pour un systegraveme isoleacute de deuxpoint mateacuteriels il y a conserva-tion de lrsquoeacutenergie meacutecanique bary-centriqueElowastm eacutenergie meacutecanique barycen-triqueEpe f f eacutenergie potentielle efficaceEpint (r) eacutenergie potentielle inteacute-rieure

micro masse reacuteduite(

micro =m1m2

m1 + m2

)

r = M1M2C constante des aires

Formules de Binet

vvv = minusCdudθ

uuur + Cuuuuθ

aaa = minusC2u2

(d2 udθ2 + u

)uuur

u =1r

vvv vitesseaaa acceacuteleacuterationC constante des airesθ angle polaireuuur vecteur radialuuuθ vecteur orthoradial

Trajectoires newtonniennes en coordonneacutees polaires

r(θ) =p

1 + e cos(θminus θ0)

p paramegravetre de la coniquee excentriciteacute de la coniquee et θ0 sont deacutetermineacutes par lesconditions initiales

Lois de KeplerCes lois deacutecrivent les trajectoires des planegravetes en supposant le reacutefeacuteren-tiel de Kepler centreacute sur le soleil galileacuteen et les trajectoires des diffeacute-rentes planegravetes indeacutependantes1 Les orbites des planegravetes sont des ellipses ayant le soleil pour foyer2 La vitesse areacuteolaire est constante pour des temps eacutegaux les airesbalayeacutees sont eacutegales

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 101

4 Meacutecanique du solide 101

3 Le carreacute de la peacuteriode est proportionnelle au cube du grand axe

T2 =4π2a3

GMsoleil

4 Meacutecanique du solide

41 Cineacutematique du solide

Champ de vitesse du solide

vvv(A t) = vvv(B t) +ABABAB andΩΩΩ(t)

vvv vitesse du point du solideconsideacutereacuteΩΩΩ vecteur instantaneacute de rotationdu solide

Roulement sans glissement

vvvg S1S2= vvv(IS1 )minus vvv(IS2 ) = 000

vvv(ISk) vitesse du point appar-

tenant au solide Sk et coiumlncidentavec le point I de contact entre lesdeux solidesvvvg S1S2

vitesse de glissement deS1 par rapport agrave S2

Eacutenergie cineacutetique du solide

Ek =12mv2(G)︸ ︷︷ ︸translation

+12J∆Ω2

︸ ︷︷ ︸rotation propre

Ek eacutenergie cineacutetiquem masse du solidev(G) vitesse du centre drsquoinertieJ∆ moment drsquoinertie par rapportagrave lrsquoaxe de rotation instantaneacute dusolide dans le reacutefeacuterentiel barycen-triqueΩΩΩ vecteur vitesse de rotation ins-tantaneacute

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 102

102 [2] Physique

Moment drsquoinertie

Moment drsquoinertie par rapport agravelrsquoaxe ∆

J∆ =intintint

solider2 dm

Eacuteleacutements cineacutetiques L∆ = J∆Ω (Moment cineacutetique)Ek = 1

2 J∆Ω2 (Eacutenergie cineacutetique)D

W

r

Theacuteoregraveme drsquoHuygens

J∆ = JG + ma2

J∆ moment drsquoinertie par rapportagrave lrsquoaxe de rotationJG moment drsquoinertie par rapportagrave lrsquoaxe passant par G et parallegravele agrave∆

D

Wa

G

Quelques moments drsquoinertie classiques

D

R

D

R

h

D

l 2 l 2

sphegravere pleinehomogegravene de masse

m

cylindre pleinhomogegravene de masse

m

tige mincehomogegravene de masse

m

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 103

4 Meacutecanique du solide 103

J∆ =25mR2 J∆ =

12mR2 J∆ =

112

mℓ2

42 Theacuteoregravemes geacuteneacuteraux de la dynamique

Theacuteoregraveme du centre drsquoinertie

mdvvvGdt

= sumi

fffivvvG vitesse du centre drsquoinertie dusolidefffi force exteacuterieure appliqueacutee ausolide

Theacuteoregraveme du moment cineacutetique

dLLLO

dt= sum

i

OMOMOMi and fffi

LLLO moment cineacutetique du solideen O point immobilefffi force exteacuterieure appliqueacutee ausolideMi point drsquoapplication de la forcefi

Moment cineacutetique ndash Moment cineacutetique barycentrique

LLLB = LLLA +BABABA andmvvv(P)

LLLlowastsystegraveme = LLLG

LLL moment cineacutetiquem masse du solidevvv(P) vitesse du point PLLLlowastsystegraveme moment cineacutetique bary-centrique du solide

Theacuteoregraveme de Kœnig du moment cineacutetique

LLLA = LLLlowast +AGAGAG andmvvv(G)

LLL moment cineacutetiqueLLLlowast moment cineacutetique barycen-triquem masse du systegravemevvv(G) vitesse du centre de graviteacutedu solide

Theacuteoregraveme de lrsquoeacutenergie cineacutetique

dEkdt

= PextEk eacutenergie cineacutetiquePext puissance des forces exteacute-rieures appliqueacutees au solide

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 104

104 [2] Physique

Puissance des forces appliqueacutees agrave un solide

P = FFF middot vvv(G) +MMMG middotΩΩΩ

P puissance des forces appli-queacutees au solideFFF force reacutesultantevvv(G) vitesse du centre drsquoinertiedu solideMMM moment des forces exteacuterieuresen GΩΩΩ vecteur de rotation instantaneacuteedu solide

Theacuteoregraveme de Kœnig de lrsquoeacutenergie cineacutetique

Ek = Elowastk +12mv2(G)

Ek eacutenergie cineacutetiqueElowastk eacutenergie cineacutetique barycen-triquem masse du solidevvv(G) vitesse du centre drsquoinertiedu solide

Theacuteoregraveme de lrsquoeacutenergie meacutecanique

dEm

dt= Pext non cons

Em eacutenergie meacutecaniquePext non cons puissance des forcesexteacuterieures non conservatives

Liaison pivotPour une liaison pivot parfaiteM∆ = 0 ougraveM∆ est le moment desactions de contact

43 Contacts entre les solides

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 105

5 Optique 105

Roulement sans glissement

vvvg de S1S2= vvv(IS1 )minus vvv(IS2 ) = 000

vvv(ISk) vitesse du point appar-

tenant au solide Sk et coiumlncidentavec le point I de contact entre lesdeux solidesvvvg de S1S2

vitesse de glissementdu solide S1 par rapport au solideS2

N

T I

S1

S2

Lois de Coulomb1 La reacuteaction normale NNN est dirigeacutee vers lrsquoexteacuterieur du support2 Condition de roulement sans glissement

TTT lt fsNNNougrave TTT est la reacuteaction tangentielle ou force de frottement NNN la reacuteactionnormale et fs le coefficient de frottements statiques3 Srsquoil y a glissement TTT est dans la mecircme direction que la vitesse deglissement et de sens opposeacute Alors

TTT = fdNNNougrave fd est le coefficient de frottement dynamique souvent confonduavec fs

5 Optique

51 Geacuteneacuteraliteacutes

Propagation dans le vide drsquoune onde lumineuse

λ = cT =c

ν

λ longueur drsquoonde du signalc vitesse de la lumiegravere dans levideν freacutequence du signalT peacuteriode du signal

c copyDuno

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 106

106 [2] Physique

Propagation dans un milieu transparent isotrope homogegravene

v =c

n

λ = vT =v

ν

v vitesse de la lumiegravere dans le mi-lieun indice du milieuT peacuteriode du signalν freacutequence du signal

Spectre

l (nm)

l (m)

f (Hz)

infrarougemicro ondes

ondes hertziennes

ultraviolet

rayons X

violet indigo bleu vert jaune orange rouge

vis

ible

10ndash9

400

1017

1016

1015

1014

1013

1012

1011

1010

10ndash8

450

10ndash7

480

10ndash6

530

10ndash5

590

10ndash4

620

10ndash3

700

10ndash2

52 Optique geacuteomeacutetrique

Loi de SnellndashDescartes

i2

i1 rn1

n2

n1 sin i1 = n2 sin i2

r = i1

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 107

5 Optique 107

Prisme

sin i1 = n sin r1

sin i2 = n sin r2

r1 + r2 = Ai1

A

D

r1

i2

n

r2

Deacuteviation du prisme

D = i1 + i2 minus A

Dm = 2 arcsin(n sin

A

2

)minus A

D deacuteviationA angle au sommet du prismeDm minimum de deacuteviationi angle drsquoincidence au minimumde deacuteviation

Approximation de GaussPour se placer dans lrsquoapproximation de Gauss il faut des faisceaux peuouverts et des angles drsquoincidence petits

Dioptre spheacuteriquen1pprimeminus n2

p=

n1 minus n2r

p abscisse du point objetpprime abscisse du point imageR = SC rayon algeacutebrique dudioptre

CS

n1 n2

I

r

Miroirs spheacuteriques

C S

I

r

CS

I

r

Miroir concave (R = SC lt 0) Miroir convexe (R = SC gt 0)

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 108

108 [2] Physique

Relation de conjugaison des miroirs spheacuteriques

1pprime

+1p

=2R

R rayon algeacutebrique du miroir(R lt 0 pour un miroir concave etR gt 0 pour un miroir divergent)pprime distance algeacutebrique de S aupoint imagep distance algeacutebrique de S aupoint objet

Miroir plan

pprime = minusp

pprime distance algeacutebrique de S aupoint imagep distance algeacutebrique de S aupoint objet

Lentilles minces

B

Brsquo

ArsquoA O FFrsquo

B

Brsquo

Arsquo

A OF

Frsquo

Lentille divergente Lentille convergente

Relation de conjugaison des lentilles minces

1pprimeminus 1

p=

1f prime

f prime distance focale de la lentille( f prime lt 0 pour une lentille diver-gente et f prime gt 0 pour une lentilleconvergente)pprime distance algeacutebrique du foyerau point imagep distance algeacutebrique du foyer aupoint objet

Relation de Descartes ndash Relation de Newton

f prime

pprime+

f

p= 1 f f prime = (pprime minus f prime)(pminus f )

(relation de Descartes) (relation de Newton)

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 109

5 Optique 109

Grandissement

γ =pprime

p

γ grandissementpprime distance algeacutebrique de O aupoint imagep distance algeacutebrique de O aupoint objet

53 Interfeacuterences lumineuses

Obtention drsquointerfeacuterencesOn ne peut obtenir drsquointerfeacuterences qursquoavec des rayons lumineux is-sus de deux sources coheacuterentes secondaires obtenues avec une seulesource par division ou du front drsquoonde ou de lrsquoamplitude

Chemin optique dans un milieu homogegravene isotrope

[SM] = c middot τSM

[SM] chemin optique de S agrave Mc vitesse de la lumiegravere dans levideτSM temps mis par le signal pourparcourir la distance SM

Diffeacuterence de marche

δ = [SP1M]minus [SP2M]δ diffeacuterence de marche[SPjM] chemin optique du rayonpassant par Pj

Vibration lumineuse

s(M) = s0 cos(ωtminusϕS minus 2π

λ [SM])

s(M) vibration lumineuse en MS0 amplitude de la vibrationω pulsation de la vibration lumi-neuseϕS phase de la vibration agrave lasourceλ longueur drsquoonde[SM] chemin optique de S agrave M

c copyDuno

dL

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 110

110 [2] Physique

Vibration complexe

s(M) = S0ei(ωtminusϕs)eminus

2iπλ

[SM]

s(M) vibration lumineuse com-plexe en MS0 amplitude de la vibrationω pulsation de la vibration lumi-neuseϕS phase de la vibration agrave lasourceλ longueur drsquoonde[SM] chemin optique de S agrave M

Plan drsquoondeOn appelle plan drsquoonde un plan ougrave tous les points sont dans le mecircmeeacutetat vibratoire

Theacuteoregraveme de MalusLes rayons lumineux sont perpendiculaires en tout point aux surfacesdrsquoondes

Eacuteclairement

E(M) = αs2(M)

E(M) =12αs(M)slowast(M)

E(M) eacuteclairement au point Mα = cε0 une constante positive(E est en fait le vecteur de Poytingvoir cours drsquoeacutelectromagneacutetisme)s(M) vibration lumineuse en Ms(M) vibration lumineuse com-plexe en M

Interfeacuterences

E(M) = 2E0(1 + cos∆ϕ(M))

E(M) eacuteclairementE0 eacuteclairement de la source∆ϕ(M) deacutephasage en MLrsquoeacutecran est brillant si ∆ϕ = 2kπk isin ZLrsquoeacutecran est noir si ∆ϕ = (2k + 1)

π

2 k isin Z

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 111

5 Optique 111

Ordre drsquointerfeacuterence

p =∆ϕ

2π=

δ

λ

p ordre drsquointerfeacuterence∆ϕ deacutephasage en Mδ diffeacuterence de marcheλ longueur drsquoondeLrsquoeacutecran est brillant si p isin Z

Lrsquoeacutecran est sombre si p isin Z +12

Contraste

C =Emax minus Emin

Emax + Emin

C contrasteEmax eacuteclairement maximumEmin eacuteclairement minimum

Trous drsquoYoung

M x( )

x

a

D

S

δ(x) =ax

D(diffeacuterence de marche)

E(x) = 2E0

(1 + cos

2πλ

ax

D

)

i =λD

a(interfrange)

c copyDuno

dL

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 112

112 [2] Physique

54 Interfeacuteromegravetre de Michelson

Scheacutema

miroir M2

miroir M1seacuteparatrice SP

source S

Scheacutemas eacutequivalents avec une source ponctuelleCoin drsquoair Lame drsquoair

M2

M1

M1rsquo

SP

M x y( )

S1

S2

S

y

x

eM2

M1

M1rsquo

SP

S

y

x

M x y( )

a

S1 S2

Source ponctuelle ndash Source eacutetendueDans la suite nous consideacutererons que lrsquointerfeacuteromegravetre est eacuteclaireacute avecune source eacutetendue les interfeacuterences sont localiseacutees agrave lrsquoinfini (ob-servables dans le plan focal image drsquoune lentille convergente) alorsqursquoelles sont deacutelocaliseacutees avec une source ponctuelle

Lame drsquoair

δ = 2e cos iδ diffeacuterence de marchei angle drsquoincidencee laquo eacutepaisseur raquo entre les miroirs

e

i

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 113

5 Optique 113

Figure drsquointerfeacuterence

rn

rn =

radicλ f prime

e

radicn

Par symeacutetrie des anneauxrn rayon du ne anneauλ longueur drsquoondee laquo eacutepaisseur raquo entre les miroirsf prime distance focale de la lentille uti-liseacutee pour lrsquoobservation(valable si le centre de la figuredrsquointerfeacuterence est brillant)

Coin drsquoair

δ = 2αxδ diffeacuterence de marcheα angle entre les deux miroirs(quelques dixiegravemes de degreacutes)x abscisse du point du miroirconsideacutereacute

x

O

a

Figure drsquointerfeacuterence

i

i =λγ

Par symeacutetrie des frangesi interfrangeλ longueur drsquoondeα angle entre les deux miroirsγ grandissement de la lentille uti-liseacutee pour lrsquoobservation

c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 114

114 [2] Physique

Source eacutemettant un doublet

E(e) = 4E0

(1 +V(e) cos

(4πeλ0

))

V(e) = cos

(2π

δλ

λ20e

)

On observe des battements

E

e

Luminance

Entre les freacutequences ν et ν + dν lasource eacutemet

dE = L(ν) dν

L( )n

n

dn

n2n1

Source agrave raie spectrale

E(e) = 4E0

(1 +V(e) cos

(4πeλ0

))

V(e) = sinc

(2π

δλ

λ20e

)

E

e

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 115

5 Optique 115

55 Autres dispositifs drsquointerfeacuterences

Le FabrymdashPeacuterotS

e

i

Le FabryndashPeacuterot permet de reacutealiser des interfeacuterences entre une infiniteacutedrsquoondes il est donc drsquoune tregraves grande preacutecision

Expression de lrsquoeacuteclairement drsquoun FabryndashPeacuterot

E(Φ) =E0

1 + 4r2(1minus r2)2

sin2(

Φ2

)

Φ =4πeλ0

cos i

F =4r2

(1minus r2)2 finesse

E

F2p 4p

Miroirs de Fresnel

miroir M2

miroir M1

sourceS

zonedrsquointerfeacuterence

c copyDuno

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 116

116 [2] Physique

Expression de lrsquoeacuteclairement des miroirs de Fresnel

E(x) =E0

2

(1 + cos

(2πδ

λ

))

δ =2dαd + D

α angle entre les miroirsx abscisse drsquoun point de lrsquoeacutecrand distance entre la source et lrsquoar-recircte des miroirsD distance entre lrsquoarrecircte des mi-roirs et lrsquoeacutecranλ longueur drsquoonde

56 Diffraction des ondes lumineuses

Principe drsquoHuygensndashFresnelQuand une onde lumineuse traverse une ouverture (Σ) qui la limite pour deacutecrire lrsquoonde diffracteacutee au delagrave de (Σ) on suppose que chaquesurface eacuteleacutementaire (dΣ) autour du point courant P de (Σ) reacuteemet verslrsquoavant une ondelette spheacuterique ndash de mecircme freacutequence que lrsquoonde incidente ndash en phase en P avec lrsquoonde incidente ndash drsquoamplitude proportionnelle agrave celle de lrsquoonde incidente et agrave (dΣ)Crsquoest la superposition de ces ondelettes qui deacutecrit lrsquoonde diffracteacutee

Conditions de FraunhoferOn observe la diffraction agrave lrsquoinfini (crsquoest-agrave-dire agrave une distance tregravesgrande devant les dimensions de lrsquoobjet diffractant ou mieux au foyerobjet drsquoune lentille convergente)

Montage de la diffraction agrave lrsquoinfini

sourcedans le

plan focalobjet de ( )

S

L0

M

u

u0

lentille( )L0

lentille( )L

objetdiffractant

eacutecran( ) dans le planfocal image de ( )E

L

S

P

O

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 117

5 Optique 117

Formulation pratique du principe drsquoHuygensndashFresnel

s(M t) = kS0ei(ωtminus 2π

λ[SOM])

intint

PisinΣt(P)ei

π

λnOPOPOP(uuuminusuuu0) dΣ

k constante de FraunhoherS0 amplitude de la vibration lumineuset(P) transparence de lrsquoobjet diffractantn indice du milieu (supposeacute homogegravene)λ longueur drsquoonde de la lumiegravere utiliseacutee

Diffraction par une ouverture rectangulaire

S

M XY( )

f

X

Y

ua

b

( )L0 ( )L

S

O

E(XY) = k2S20a2b2 sinc2

(πaX

λ f

)sinc2

(πbY

λ f

)

k constante de Fraunhofera longueur de la fenteb largeur de la fentef distance focale de la lentille utiliseacutee pour lrsquoobservationλ longueur drsquoonde de la lumiegravere utiliseacuteeOn suppose ici que t(P) = 1 en tout point de lrsquoouverture et que cettemecircme ouverture est plongeacutee dans un milieu drsquoindice uniforme 1

tache centrale

1 zeacuteroer

2 zeacuteroe

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 118

118 [2] Physique

Diffraction par un motif circulaire

La majoriteacute de la lumiegravere est dans un disque de rayon angulaire

θ = 0 61λ

r(tache drsquoAiry) ougrave θ est le rayon angulaire du premier an-

neau sombreCritegravere de seacuteparation de Rayleigh deux taches lumineuses sont seacutepa-reacutees si leur centres sont distincts de plus du rayon de la tache drsquoAiry

Diffraction par un objet opaque

On obtient la mecircme figure agrave lrsquoeacutecran que pour une ouverture de lamecircme forme si ce nrsquoest que le centre est tregraves brillant

6 Eacutelectromagneacutetisme

61 Eacutelectrostatique

Symeacutetries du champ eacutelectriqueLe champ EEE est symeacutetrique par rapport aux plans de symeacutetrie descharges et antisymeacutetrique par rapport aux plans drsquoantisymeacutetrie descharges

Champ et potentiel creacuteeacutes par une charge fixe

q

M

u

r

E(M)

V(M) =q

4πε0r

EEE(M) =q

4πε0r2uuu

EEE = minusgradV

q charge ponctuelle fixeε0 permeacuteabiliteacute du vider distance entre le point M et lachargeEEE(M) champ eacutelectrique en MV(M) potentiel eacutelectrique en M

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 119

6 Eacutelectromagneacutetisme 119

Distribution discregravete ndash Distribution continueDistribution discregravete Distribution continue

EEE(M) = sumi

14πε0

qir2iuuui EEE(M) =

intintint 14πε0

ρ

r2uuu dτ

qi charge ponctuelle situeacutee en riε0 permittiviteacute du vide

ρ densiteacute de chargeε0 permittiviteacute du vide

Eacutequation de Poisson

∆V +ρ

ε0= 0

Eacutequation veacuterifieacutee par le potentieleacutelectrique en reacutegime permanentV potentiel eacutelectriqueρ densiteacute de chargeε0 permittiviteacute du vide

Theacuteoregraveme de Gauss

intcopyint

EEE(M)nnn dS =Qint

ε0

EEE(M) champ eacutelectrique au pointMnnn normale en M agrave la surfaceQint charges inteacuterieures agrave la sur-face fermeacuteeε0 permittiviteacute du vide

Theacuteoregraveme de Gauss pour la gravitation

intcopyint

GGG(M)nnn dS = minus4πGMint

GGG(M) champ de gravitation aupoint Mnnn normale en M agrave la surfaceMint masse inteacuterieure agrave la surfacefermeacuteeG constante universelle de gravi-tation

Champ eacutelectrique creacuteeacutes par un plan infini

EEE(M) = plusmn σ

2ε0uuuz

+ si z gt 0minus si z lt 0

EEE(M) champ eacutelectrique creacuteeacute en Mpar le planσ charge surfaciqueε0 permittiviteacute du videuuuz vecteur normal agrave la surface

c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 120

120 [2] Physique

Condensateur plan

EEE = 0 agrave lrsquoexteacuterieur

EEE =σ

ε0uuuz agrave lrsquointeacuterieur

EEE champ eacutelectriqueσ charge surfaciqueε0 permittiviteacute du videOn deacutefinit la capaciteacute C ducondensateur

C =ε0S

e

S surface des armaturese distance entre les armatures

Dipocircle eacutelectrostatique

ppp = qNPNPNP

V(M) =p cos θ

4πε0r2=

ppp middotOMOMOM

4πε0OM3

EEE = minusgradV

q charge positiveN barycentre des charges neacutega-tivesP barycentre des charges posi-tivesppp moment dipolaireV(M) potentiel eacutelectrique du di-pocircleEEE champ eacutelectrique

q

N O P

u

r

E(M)

lignes de champeacutequipotentielles

Eacutenergie potentielle ndash Moment subi dans un champ exteacuterieur

Ep = minusppp middotEEEext(M)

M = ppp andEEEext(M)

Ep Eacutenergie potentielleM moment reacutesultant des forceseacutelectriquesppp moment dipolaireEEEext champ eacutelectrique auquel estsoumis le dipocircle

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 121

6 Eacutelectromagneacutetisme 121

62 Magneacutetostatique

Symeacutetries du champ magneacutetiqueLe champs BBB est symeacutetrique par rapport aux plans drsquoantisymeacutetrie descourants et symeacutetrique par rapport aux plans drsquoantisymeacutetrie des cou-rants

Loi de Biot et Savart

dBdBdB(M) =micro0dCdCdC(P)

4πr2anduuuPM

dC

M

P

uPM

r

dCdCdC =

I dl pour un circuit filiformeqvvv pour une charge ponctuellejjj dτ pour un courant volumiquejjjS dS pour un courant surfacique

dBdBdB champ magneacutetique creacuteeacute parlrsquoeacuteleacutement de courant dCdCdCdCdCdC eacuteleacutement de courantmicro0 permeacuteabiliteacute du vider distance du point courant aupoint M

q charge ponctuellejjjS vecteur courant surfaciquejjj vecteur courant

Theacuteoregraveme drsquoAmpegravere

∮BBB(M) middotdldldl = micro0 Ienlaceacutee

BBB(M) champ magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du videIenlaceacutee intensiteacute enlaceacutee par lacourbe fermeacutee drsquoAmpegraveredldldl choisi en accord avec lrsquoorienta-tion de lrsquointensiteacute

Champ magneacutetique creacuteeacute par une spire circulaire

BBB(M) =micro0 I

2Rsin3 αeeez

z

P

RM

B(M)

I

a

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 122

122 [2] Physique

Champ magneacutetique agrave lrsquointeacuterieur un soleacutenoiumlde infini

BBB = micro0nIeeez

BBB = micro0 jSeeez

BBB champ agrave lrsquointeacuterieur du soleacute-noiumlden nombre de spires par uniteacute delongueurI intensiteacute du courantjS courant surfaciqueeeez vecteur directeur sur lrsquoaxe dusoleacutenoiumlde orienteacute par le sens ducourantmicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Moment magneacutetique drsquoune spire

mmm = ISnnn

mmm moment magneacutetique de laspireS surface de la spireI intensiteacute parcourant la spirennn normale agrave la spire dirigeacutee par lesens du courant

Eacutenergie potentielle ndash Moment magneacutetique

Ep = minusmmm middotBBB

M = mmm andBBB

Ep eacutenergie potentielle magneacute-tiquemmm moment de force exerceacute sur laspireBBB champ magneacutetique auquel estsoumis la spiremmm moment magneacutetique de laspire

Force de Laplace

dfdfdf = dCdCdC andBBBdfdfdf force eacuteleacutementairedCdCdC eacuteleacutement de courantBBB champ magneacutetique

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 123

6 Eacutelectromagneacutetisme 123

63 Eacutequations de Maxwell dans le vide

Vecteur courant

jjj = npqvvv = ρvvv

jjjS = σ vvv

jjj vecteur courantjjjS vecteur de courant surfaciquevvv vitesse des porteurs de chargenp densiteacute particulaire de porteursq charge drsquoun porteurρ densiteacute volumique de chargeσ densiteacute surfacique de charge

Eacutequation de conservation de la charge

div j +partρ

partt= 0

jjj vecteur courantρ charge volumique

Eacutequations de Maxwell

div E =ρ

ε0

rot E = minus partBBBpartt

div B = 000

rot B = micro0jjj + micro0ε0partEEEpartt

Ces eacutequations portent les noms res-pectifs de ndash MaxwellndashGaussndash MaxwellndashFaradayndash sans nomndash MaxwellndashAmpegravere

Le terme ε0partEEEpartt

est appeleacute courant

de deacuteplacementEEEBBB champs eacutelectrique et magneacute-tiquejjj vecteur densiteacute de courantρ charge volumiqueε0 micro0 permittiviteacute et permeacuteabiliteacutedu vide

SuperpositionLes eacutequations de Maxwell sont lineacuteaires toute combinaison lineacuteairede solutions est encore une solution

Puissance des forces eacutelectromagneacutetiques

dP = jjjEEE dτ

dP puissance eacuteleacutementaire par uniteacutede volume dτjjj vecteur courantEEE champ eacutelectrique

c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 124

124 [2] Physique

Densiteacute drsquoeacutenergie eacutelectromagneacutetique

Wem =ε0E

2

2+

B2

2micro0

Wem eacutenergie eacutelectromagneacutetiqueE champ eacutelectriqueB champ magneacutetiqueε0 permittiviteacute du videmicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Vecteur de Poynting

ΠΠΠ =EEE andBBB

micro0

ΠΠΠ vecteur de PoyntingEEE champ eacutelectriqueBBB champ magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Theacuteoregraveme de Poynting forme locale

minus partpartt

(ε0E

2

2+

B2

2micro0

)= jjjEEE + div

(EEE andBBB

micro0

)

La perte drsquoeacutenergie eacutelectromagneacutetique est due agrave lrsquoeffet Joule et au rayon-nement du vecteur de Poynting

Potentiel vecteur

BBB = rot A

AAA(M) =micro0

int

circuit

i middotdldldlr

AAA potentiel vecteurBBB champ magneacutetiquei intensiteacute dans le circuit filiformer distance du point M au point cou-rant du circuitmicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Expression geacuteneacuterale du champ eacutelectrique

EEE = minusgradV minus partAAApartt

EEE champ eacutelectriqueV potentiel eacutelectriqueAAA potentiel vecteur

Jauge de Lorentz

div A + micro0ε0partVpartt

= 0

AAA potentiel vecteurV potentiel eacutelectriqueε0 permittiviteacute du videmicro0 permeacuteabiliteacute du videCette jauge permet de fixer le poten-tiel V

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 125

6 Eacutelectromagneacutetisme 125

Relations de passage

E2t = E1t

EEE2n minusEEE1n =σ

ε0nnn1rarr2

BBB2t minusBBB1t = micro0jjjS andnnn1rarr2

B2n = B1n

EEEin composante normale duchamp EEEiBBBit composante tangentielle duchamp BBBiσ charge surfaciquejjjS vecteur densiteacute de courant surfa-ciquennn1rarr2 normale agrave la surfaceε0 permittiviteacute du videmicro0 permeacuteabiliteacute du vide

64 Conduction meacutetallique

Loi drsquoOhm locale

jjj = γEEEjjj vecteur courantEEE champ eacutelectriqueγ conductiviteacute

Loi drsquoOhm globale

int B

AEEE middotdldldl = RAB middot I

EEE champ eacutelectriqueI intensiteacute circulant dans le circuit

R =ℓ

γS reacutesistance drsquoun circuit de

longueur ℓ et de section S

Proprieacuteteacutes locales des champs dans les meacutetaux1 ρ = 0 les charges sont surfaciques

2 f ≪ 1017Hz =rArr∥∥∥∥ε0

partEEEpartt

∥∥∥∥≪ jjjconduction3 En haute freacutequence les courants sont surfaciques (sur une eacutepaisseur

dite eacutepaisseur de peau δ =

radic2

micro0γω)c copy

Duno

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 126

126 [2] Physique

65 Induction dans un circuit fixe avec BBB variable

Force eacutelectromotrice

eAB =int B

A

(minus partAAA

parttmiddotdldldl)

eAB forceacute eacutelectromotriceAAA potentiel vecteur

Diffeacuterence de potentiel

V(B)minusV(A) = eAB minus RABi

eAB force eacutelectromotriceV(B) minus V(A) diffeacuterence de po-tentiel entre les points A et BRAB reacutesistance du circuit ABi intensiteacute du courant circulantdans le circuit

Flux de BBB agrave travers le circuit

Φ =intint

circuitBBB middotnnn dS

Φ flux de BBB agrave travers le circuitBBB champ magneacutetiquennn normale nnn au circuit compatibleavec le sens du courant

Loi de Faraday

ecircuit = minus partΦ

partt

Φ le flux de BBB agrave travers le circuitecircuit la force eacutelectromotrice ducircuit

Loi de LenzLes conseacutequences des pheacutenomegravenes drsquoinduction srsquoopposent toujoursaux causes qui leur ont donneacute naissance En terme de flux cela signifieque si le flux du champ magneacutetique varie lrsquoinduction va produire unchamp magneacutetique qui tendra agrave compenser cette variation de flux

Auto inductance drsquoun circuit

Φ = LiΦ flux de BBB agrave travers le circuitL coefficient drsquoauto inductancedu circuiti intensiteacute dans le circuit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 127

6 Eacutelectromagneacutetisme 127

Mutuelle inductance drsquoun circuit

Φ1rarr2 = Mi1

Φ2rarr1 = Mi2

Φirarr j flux du champ BBB induit parle circuit i agrave travers le circuit jik courant dans le circuit kM coefficient de mutuelle induc-tance

Flux total

Φ1 = Li1 + Mi2

Φ1 flux de BBB agrave travers le circuit 1L coefficient drsquoauto inductanceM coefficient de mutuelle induc-tanceik intensiteacute dans le circuit k

Eacutenergie magneacutetique

Wem =Li212

+ Mi1i2

Wem eacutenergie eacutelectromagneacutetiquestockeacutee dans le circuitL coefficient drsquoauto inductanceM coefficient de mutuelle induc-tanceik intensiteacute dans le circuit k

Proprieacuteteacutes du transformateur ideacuteal

1u2(t)

u1(t)=

N2

N1

2 Si le secondaire est en court-circuit alors∣∣∣∣i2i1

∣∣∣∣ =N1

N2

3 Le rapport de puissance du primaire au secondaire est de 100

4 On a Rvue du primaire =

(N1

N2

)2Rchargec copy

Duno

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 128

128 [2] Physique

66 Induction dans un circuit mobile soumis agrave BBB stationnaire

Changement de reacutefeacuterentiel

BBBprime = BBB

EEEprime = EEE︸︷︷︸minusgradV

+vvv andBBB

jjjsol = jjjcond

BBBprime champ magneacutetique dans le reacutefeacute-rentiel du conducteurBBB champ magneacutetique dans le reacutefeacute-rentiel du solEEEprime champ eacutelectrique dans le reacutefeacute-rentiel du conducteurEEE champ eacutelectrique dans le reacutefeacuteren-tiel du solvvv vitesse du conducteur par rap-port au soljjjsol vecteur densiteacute de courant dansle reacutefeacuterentiel lieacute au soljjjcond vecteur densiteacute de courantdans le reacutefeacuterentiel du conducteur

Champ eacutelectromoteur

EEEm = vvv andBBBEEEm champ eacutelectromoteurvvv vitesse du conducteurBBB champ magneacutetique

Force eacutelectromotrice

eAB =int B

A(vvv andBBB) middotdldldl

V(B)minusV(A) = eAB minus RABi

eAB force eacutelectromotrice du circuitRAB reacutesistance du circuiti intensiteacute du circuitvvv vitesse du conducteurBBB champ magneacutetiqueV(M) potentiel au point M

Loi de Faraday

e = minusdΦ

dte force eacutelectromotriceΦ flux de BBB agrave travers le circuit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 129

6 Eacutelectromagneacutetisme 129

67 Mateacuteriaux magneacutetiques

Aimantation

dmmm = MMMdτMMM aimantationmmm moment magneacutetique

Courants drsquoaimantation

jjjaimantation = rot M

jjjS aimantation = MMM andnnn

jjjaimantation vecteur courant drsquoai-mantationjjjS aimantation vecteur courant surfa-cique drsquoaimantationMMM aimantationnnn normale agrave la surface

Excitation magneacutetique

HHH =BBBmicro0minusMMM

BBB = micro0 (HHH +MMM)

HHH excitation magneacutetiqueBBB champ magneacutetiqueMMM aimantationmicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Eacutequation de Maxwell ndash Ampegravere en ARQS

rot H = jjjconductionHHH excitation magneacutetiquejjjconduction vecteur courant deconduction

Aimantation des mateacuteriaux lineacuteaires

MMM = χmHHHMMM aimantationHHH excitation magneacutetiqueχm susceptibiliteacute magneacutetique

Diffeacuterentes cateacutegories de mateacuteriaux magneacutetiques

ndash diamagneacutetiques χm sim minus10minus5 lt 0ndash paramagneacutetiques χm sim 10minus4 gt 0ndash ceux pour lesquels χm ≪ 1 qui ne sont pas lineacuteaires

c copyDuno

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 130

130 [2] Physique

Champ magneacutetique dans les mateacuteriaux lineacuteaires

BBB = micro0microrHHH

micror = 1 + χm

BBB champ magneacutetiqueHHH excitation magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du videmicror permeacuteabiliteacute relativeχm susceptibiliteacute magneacutetique

Diamagneacutetiques

χm = minusnmicro0Ze2

6melt r2 gt

χm susceptibiliteacute magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du viden densiteacute particulaireZ charge du noyaue charge eacuteleacutementaireme masse de lrsquoeacutelectronlt r2 gt distance moyenne de lrsquoeacutelec-tron au noyau

Paramagneacutetiques

χm =nmicro0m

2

3kT

χm susceptibiliteacute magneacutetiquen densiteacute particulairemicro0 permittiviteacute du videm moment magneacutetiquek constante de BoltzmannT tempeacuterature

Aimantation cycle drsquohysteacuteresis

M aimantationH excitation magneacutetiqueMr aimantation reacutemanenteHc champ coercitif

Dispositif de mesure de HHH et de BBB

RRC

e t( ) u2

u1

~

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 131

7 Ondes 131

H(t) =N1

ℓRu1(t)

B(t) =RC

N2Su2(t)

H valeur de lrsquoexcitation magneacute-tiqueB valeur du champ magneacutetiqueN1 nombre de spires du primaireN2 nombre de spires du secondaireℓ longueur du toreS section du tore

7 Ondes

71 Oscillateurs coupleacutes

Couplage par un ressort

K km m

x1 x2

K mx1 = minusk(x1 minus x2)minus Kx1 (1)

mx2 = minusk(x2 minus x1)minus Kx2 (2)

ReacutesolutionDans ces cas simples on combine lineacuteairement les eacutequations (1) et (2)

s = (1) + (2)

d = (1)minus (2)

s + ω2s s = 0

d + ω2dd = 0

Modes propres

ωs =

radicK

mωd =

radic2k + K

m

Le systegraveme drsquooscillateurs coupleacutes vibre uniquement agraveωs si d = 0 crsquoest-agrave-dire si les oscillateurs sont lanceacutes en phaseLe systegraveme drsquooscillateurs coupleacutes vibre uniquement agraveωd si s = 0 crsquoest-agrave-dire si les oscillateurs sont lanceacutes en opposition de phase

c copyDuno

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toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 132

132 [2] Physique

BattementsSi le couplage est fort et que lrsquoon eacutecarte un seul oscillateur de lrsquoeacutequi-libre on observe un pheacutenomegravene de battements

x

t

ReacutesonanceSi on force lrsquooscillateur agrave osciller on observera aux pulsations ωs et ωddes reacutesonances

x

wws wd

72 Eacutequation de drsquoAlembert - Ondes stationnaires

Eacutequation de drsquoAlembert

∆F =1c2

part2Fpartt2

F(rrr t) une grandeur physique quiveacuterifie lrsquoeacutequation de drsquoAlembertc vitesse de propagation de lrsquoonde∆ laplacien

Solutions de lrsquoeacutequation de drsquoAlembert agrave une dimension

F(x t) = f(tminus x

c

)+ g

(t +

x

c

) f partie onde progressive de la so-lutiong partie onde reacutegressive de la solu-tion

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 133

7 Ondes 133

Onde stationnaire

F(rrr t) = f (r)g(t)Dans le cas drsquoune onde stationnaireil y a deacutecouplage entre le temps et lerepeacuterage spatial

Onde plane progressive harmonique (OPPH)

F = F0 cos (ωtminus kkk middotOMOMOM)

F = F0ei(ωtminuskkkmiddotOMOMOM)

kkk =ω

cuuu

Ces notations sont intrinsegraveques agravelrsquoOPPHF la grandeur physique qui deacutecritlrsquoondekkk vecteur drsquoonde donnant la direc-tion de propagationOMOMOM vecteur positionuuu vecteur unitaire selon la direc-tion de propagationω pulsation de lrsquoondec vitesse de propagation de lrsquoonde

Onde plane progressive harmonique notation complexe

partmiddotpartt

= iωmiddot

nablamiddot = minusikmiddot

Lorsqursquoon utilise la notationcomplexe les opeacuterateurs usuelsprennent des formes tregraves simples

Onde sur une file drsquoatomes ndash Onde sur une corde

part2ξn

partx2=

1c2

part2ξn

partt2

c =

radicka2

m

part2ypartx2

=1c2

part2ypartt2

c =

radicT0ρl

ξn le deacuteplacement du ne atomek constante de raideur des res-sortsa distance au repos entre deuxatomesm masse drsquoun atome

y ordonneacutee du pointT0 tension au repos de la cordeρl masse lineacuteique de la cordec copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 134

134 [2] Physique

73 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans le vide

Eacutequations de propagation des champs

∆EEE =1c2

part2EEEpartt2

∆BBB =1c2

part2BBBpartt2

c =1radic

ε0micro0

EEE champ eacutelectriqueBBB champ magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du videε0 permittiviteacute du vide

Vecteur drsquoonde drsquoune OPPH

kkk = kuuu

k =ω

c=

2πλ

kkk vecteur drsquoondeuuu vecteur unitaire directeurω pulsation de lrsquoondeλ longueur drsquoonde de lrsquoondec vitesse de propagation delrsquoonde

Champs transverses

div E = 0 = minusikkkEEE

div B = 0 = minusikkkBBB

kkk vecteur drsquoondeEEE champ eacutelectriqueBBB champ magneacutetiqueEEE et BBB sont orthogonaux agrave la di-rection de propagation

Relation de dispersion ndash Relation de structure

k =ω

cBBB =

kkkωandEEE

Repreacutesentation du champ eacutelectromagneacutetique dans le vide

z

E

B

x

y

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 135

7 Ondes 135

Polarisation

ndash elliptique

EEE(z = 0 t) =

(E0x cosωtE0y cos(ωt + ϕ)

)x

y

EOy

Eox

Egauch

e

droi te

ndash circulaire

EEE(z = 0 t) =

(E0 cosωtE0 sinωt

)

ndash rectiligne

EEE(z = 0 t) =

(E0x cosωtE0y cosωt

)x

EOy

Eox

E

y

Lames agrave retard

Une lame 14 drsquoonde deacutephase deπ2ndash une onde polariseacutee rectilignementressort de ce type de lame polariseacuteeelliptiquementndash une onde polariseacutee elliptiquementressort de ce type de lame polariseacuteerectilignement

Une lame 12 drsquoonde deacutephase deπndash une onde polariseacutee ellipti-quement droite ressort elliptiquegauche de ce type de lamendash une onde polariseacutee rectiligne-ment ressort symeacutetrique par rap-port agrave son axe lent de ce type delamec copy

Duno

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 136

136 [2] Physique

Vecteur de Poynting

ΠΠΠ = EEE and BBBmicro0

=E2

micro0cuuu =

εB2

cuuu

ΠΠΠ = EEE and BBBlowast

micro0

ΠΠΠ vecteur de PoyntingEEE champ eacutelectriqueBBB champ magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Rayonnement dipolaire

M

uq

ur

p

uj

q

jx

z

y

r

O

BBB =micro0 sin θ

4πrcp(tminus r

c

)uuuϕ

EEE =micro0 sin θ

4πrp(tminus r

c

)uuuθ

BBB champ magneacutetiqueEEE champ eacutelectriquep moment dipolairemicro0 permeacuteabiliteacute du videc vitesse de la lumiegravere dans levide

Puissance rayonneacutee en reacutegime sinusoiumldal

ltPgt=micro0p

20ω

4

12πc

p = p0 cos(ω0t + ϕ)

lt P gt puissance moyennerayonneacuteep moment dipolairec vitesse de la lumiegravere dans levidemicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 137

7 Ondes 137

74 Dispersion ndash Absorption

Relation de dispersion

k(ω) = kprime(ω) + ikprimeprime(ω)

k(ω) vecteur drsquoondekprime(ω) partie reacuteelle du vecteurdrsquoondekprimeprime(ω) partie imaginaire du vecteurdrsquoondeω pulsation de lrsquoonde

Vitesse de phase ndash Vitesse de groupe

vϕ =ω

kprime

vg =partω

partkprime

vϕ vitesse de phasevg vitesse de groupeω pulsation de lrsquoondekprime partie reacuteelle du vecteur drsquoondevϕ est la vitesse de propagation delrsquoamplitude et vg est en geacuteneacuteral lavitesse de propagation de lrsquoeacutener-gie

Absorption

δ =1|kprimeprime|

δ profondeur caracteacuteristique delrsquoabsorptionkprimeprime partie imaginaire du vecteurdrsquoonde

Repreacutesentation du champ eacutelectromagneacutetique dans les meacutetaux

z

E

B

x

y

c copyDuno

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 138

138 [2] Physique

75 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans les milieux mateacuteriels

Polarisation

PPP =dpppdτ

ρp = minusdiv P

jjjp =partPPPpartt

ppp moment dipolairePPP polarisationρp charges dues agrave la polarisationjjjp vecteur courant de polarisation

Aimantation

MMM =dmmmdτ

jjja = rot M

mmm moment magneacutetiqueMMM aimantationjjja vecteur courant drsquoaimantation

Vecteurs HHH et DDD

HHH =BBBmicro0minusMMM

DDD = ε0EEE +PPP

HHH vecteur excitation magneacutetiqueBBB champ magneacutetiqueDDD vecteur DEEE champ eacutelectriqueMMM aimantationPPP polarisationmicro0 permeacuteabiliteacute du videε0 permittiviteacute du vide

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 139

7 Ondes 139

Milieux lineacuteaires

PPP = χeEEE

DDD = εrε0EEE

εr = 1 + χe

MMM = χmHHH

BBB = micrormicro0HHH

micror = 1 + χm

HHH vecteur excitation magneacutetiqueBBB champ magneacutetiqueDDD vecteur DMMM aimantationPPP polarisationEEE champ eacutelectriquemicro0 permeacuteabiliteacute du videmicror permeacuteabiliteacute relativeε0 permittiviteacute du videεr permittiviteacute relativeχe susceptibiliteacute eacutelectrique du mi-lieuχm susceptibiliteacute magneacutetique dumilieu

Eacutequations de Maxwell dans les milieux

div D = ρlibre

rot E = minus partBBBpartt

div B = 0

rot H = jjj +partDDDpartt

DDD vecteur DEEE champ eacutelectriqueBBB champ magneacutetiquejjj vecteur courant vraiρlibre densiteacute de charges libres

Relation de dispersion ndash Indice

k2 = εrω2

c2

n =radic

εr

vϕ =c

n

k vecteur drsquoondeεr permittiviteacute relativeω pulsation de lrsquoondec vitesse de la lumiegravere dans le viden indice du milieu(En utilisant ici comme dans les cascourants lrsquoapproximation micror sim 1)c copy

Duno

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 140

140 [2] Physique

Reacuteflexion ndash Transmission

r =n1 minus n2n1 + n2

t =2n1

n1 + n2

R = r2 =

(n1 minus n2n1 + n2

)2

T = t2 =

(2n1

n1 + n2

)2

R + T = 1

r coefficient de reacuteflexion en ampli-tudet coefficient de transmission en am-plitudeR coefficient de reacuteflexion eacutenergeacute-tiqueT coefficient de transmission eacutener-geacutetiquen1 indice du milieu de lrsquoonde inci-denten2 indice du milieu de lrsquoondetransmiseR + T = 1 traduit la conservationeacutenergeacutetique

Un changement de milieu donne naissance agrave ndash une onde progressive (onde transmise)ndash une onde reacutegressive (onde reacutefleacutechie)

Relation de continuiteacute sur la seacuteparation de deux dieacutelectriques

B2B2B2 = B1B1B1

EEE2 t = EEE1 t

εr 2EEE2 n = εr 1EEE1 n

(loi de SnellndashDescartes)

On indice par 1 les grandeurs dumilieu de lrsquoonde incidente et par 2les grandeurs du milieu de lrsquoondetransmiseLe champ magneacutetique comme lacomposante tangentielle du champeacutelectrique est continue agrave la surfacedrsquoun dieacutelectriqueLe comportement de la composantenormale du champ eacutelectrique estdeacutecrite par la loi de SnellndashDescartes

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 141

Chapitre 3Chimie

1 Atomistique

11 Spectroscopie

Spectroscopie

Lors drsquoune transition eacutelectroniqueune particule eacutemet un rayonne-ment deacutecrit par

∆E = hν

Relation de De Broglie

λ =hmv

h constante de Planckν freacutequence du rayonnementeacutemis par la particuleλ longueur drsquoonde du rayonne-ment eacutemis par la particulem masse de la particulev vitesse de la particule

c copyDuno

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Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 142

142 [3] Chimie

La relation de Ritz eacutetablit que

ν = RH middot c(

1n2minus 1

m2

)(nm) isin N2

ν freacutequence de rayonnementRH constante de Rydbergn nombre quantique principal duniveau eacutenergeacutetique final de la par-ticulem nombre quantique principaldu niveau eacutenergeacutetique initial de laparticulec vitesse de propagation de la lu-miegravere dans le videndash n = 1 correspond agrave la seacuterie deLyman (ultraviolet) ndash n = 2 corres-pond agrave la seacuterie de Balmer (visible)ndash n = 3 correspond agrave la seacuterie dePaschen (infrarouge)

E (eV)

0

-136

-339

Lyman

Balmer

Paschen-151

-085

n = yenn = 4

n = 3

n = 2

n = 1

12 Modegravele ondulatoire

Principe drsquoincertitude de Heisenberg

∆x middot∆px gth

∆x incertitude sur la position∆px incertitude sur la quantiteacute demouvement selon lrsquoaxe des xm masse de lrsquoatome

En meacutecanique quantique on ne peut pas connaicirctre preacuteciseacutement agrave lafois la position et la vitesse

Eacutequation de Schroumldinger en reacutegime stationnaire

H Ψ = E Ψ

intintint

espaceΨ2 dτ = 1

Ψ(rrr) fonction drsquoonderrr vecteur positionE eacutenergie totale de lrsquoeacutelectronH opeacuterateur hamiltonien appli-queacute agrave Ψ

|Ψ2| dτ repreacutesente la probabiliteacutede preacutesence de lrsquoeacutelectron dansun volume dτ autour drsquoun pointM(rrr)

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 143

1 Atomistique 143

Eacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegravene

En =minus13 6n2

Lrsquoeacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegraveneest quantifieacutee (n nombre quan-tique principal)

En = minus13 6Z2

n2

Deacutecrit lrsquoeacutenergie de lrsquoatome hydro-geacutenoiumlde (qui ne comporte qursquounseul eacutelectron)

Nombres quantiques

Principal n isin Nlowast

Deacutecrit le niveau eacutenergeacutetique delrsquoatome

En = minus13 6Z2

n2

Secondaire 0 6 l 6 nminus 1l isin N

Quantifie le module du momentcineacutetique LLL de lrsquoatome

|σσσ| =radic

l(l + 1)h

(h = h2π hconstante de Planck)

Magneacutetique minusl 6 m 6 lm isin Z

Quantifie la projection dumomentcineacutetique LOz = mh

Spin ms = plusmn 12

13 Atome polyeacutelectronique

Charge nucleacuteaire effective

Zlowasti = Zminus σi

Zlowasti charge nucleacuteaire effectiveZ numeacutero atomiqueσ constante drsquoeacutecran de Slaterc copy

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Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 144

144 [3] Chimie

Position de lrsquoeacutelectronσi

s et pσid

mecircme couche 0 035couche gt n 0 0couche nminus 1 085 1couches lt nminus 1 1 1

Eacutenergie

Ei = minus13 6Zlowast2i

n2

Zlowasti charge nucleacuteaire effectiveEi eacutenergie de lrsquoeacutelectronn nombre quantique principal

E = sumi

Ei Eacutenergie totale de la moleacutecule

Diagramme eacutenergeacutetique

E

K

L

M

N

1s2s

2p

3s

3p

3d4s

4p

niveauxeacutenergeacutetiques

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 145

1 Atomistique 145

Regravegles de remplissage des niveaux eacutelectroniques

Principe de stabiliteacute on remplitles orbitales atomiques par ordredrsquoeacutenergie croissante (regravegle de Kle-chkowsky)Principe de Pauli sur une mecircmeorbitale atomique les deux eacutelec-trons sont de spin opposeacutesPrincipe de Hund lorsque plu-sieurs orbitales atomiques sontde mecircme niveau eacutenergeacutetique leseacutelectrons occupent le maximumdrsquoorbitales atomiques

Regravegle de Klechkowsky

1 s2 s p3 s p d4 s p d f

Eacutenergie drsquoionisation

Crsquoest lrsquoeacutenergie de la reacuteaction drsquoar-rachement drsquoun eacutelectron drsquounemoleacutecule sous forme gazeuse

X(g) = X+(g) + eminus

Affiniteacute eacutelectronique

Crsquoest lrsquoeacutenergie libeacutereacutee par la reacuteac-tion de capture drsquoun eacutelectron parune moleacutecule sous forme gazeuse

X(g) + eminus = Xminus(g)

14 Architecture moleacuteculaire

Regravegle de lrsquooctetLes eacuteleacutements de la deuxiegraveme peacuteriode du tableau peacuteriodique peuventsrsquoentourer au maximum de huit eacutelectrons

Charge formelle

n = ni minus nen charge formelle de lrsquoatomeni nombre drsquoeacutelectrons de valence dans lrsquoatome isoleacutene nombre drsquoeacutelectrons de valence dans lrsquoatome lieacute

MeacutesomeacuterieCrsquoest lrsquoensemble des formules meacutesomegraveres qui modeacutelise la reacutealiteacute

O S O O S O O S O+ +ndashndash

c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 146

146 [3] Chimie

Niveau de repreacutesentativiteacute des formules meacutesomegraveresLes formules meacutesomegraveres qui veacuterifient la regravegle de lrsquooctet qui sontneutres ou dont la charge neacutegative est porteacutee par lrsquoatome le plus eacutelec-troneacutegatif sont plus repreacutesentatives que les autres

VSEPR

On compte les doublets drsquoun atome A AXpEq ougrave p nombre drsquoatomes directement lieacutes agrave A (X)q nombre de doublets libres porteacutes par A (E)Ces n = p + q doublets tendent agrave srsquoeacuteloigner au maximum les uns desautres (Theacuteorie de Gillepsie)

n = 2 moleacutecule lineacuteaire n = 3 moleacutecule trigonale

n = 4 moleacutecule teacutetraeacutedrique n = 5 moleacutecule bipyramidale agravebase triangulaire

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 147

1 Atomistique 147

n = 6 moleacutecule octaeacutedrique

15 Orbitales moleacuteculaires

Combinaison lineacuteaire des orbitales atomiques

La combinaison lineacuteaire de deuxorbitales atomiques de mecircmeeacutenergie donne naissance agrave deuxorbitales moleacuteculaires lrsquouneliante et lrsquoautre antiliante

Indice de liaison

i =nminus nlowast

2

n nombre drsquoeacutelectrons de lrsquoorbitalemoleacuteculaire liantenlowast nombre drsquoeacutelectrons de lrsquoorbi-tale moleacuteculaire antiliante

Diagramme des orbitales moleacuteculaires

Diagrammemoleacuteculaire des moleacute-cules A2 de la deuxiegraveme ligne dutableau peacuteriodique agrave partir de O2inclus Pour les autres moleacuteculesπx et πy sont plus stables que σp

2p

OM antiliante

OA2 OA1

OM liante

pz

pz

px

px

py

py

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ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 148

148 [3] Chimie

2 Cineacutetique

Avancement de la reacuteaction

dξ =dniνi

ξ avancement de la reacuteactionνi nombre stœchiomeacutetrique algeacute-brique (νi gt 0 pour un produit etνi lt 0 pour un reacuteactif)ni quantiteacute de matiegravere eacutechangeacutee

Quantiteacute de matiegravere en cours de reacuteaction

ni = ni0 + νiξ

ni quantiteacute de matiegravere agrave la date tni0 quantiteacute de matiegravere initialeνi nombre stœchimeacutetrique algeacute-briqueξ avancement

Vitesse de reacuteaction

r =1νi

dcidt

=1V

dt

r vitesse de la reacuteactionνi nombre stœchiomeacutetrique algeacute-briqueci concentrationξ avancementV volume du reacuteacteur

Ordre drsquoune reacuteaction

ν1A1 + ν2A2 rarr νprime1Aprime1 + νprime2A

prime2

v = k[A1]p1 [A2]

p2

k constante de vitesse de la reacuteac-tion[Ai] concentration de lrsquoespegravece Aipi ordre partiel en Ai

sumi

pi = p ordre global de la reacuteac-

tion

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 149

2 Cineacutetique 149

Deacutegeacuteneacuterescence de lrsquoordre

Si [A2]0 ≫ [A1]0 alors v =kprime[A1]

p1

kprime = k[A2]p20 constante de vitesse

apparente de la reacuteactionp1 ordre apparent de la reacuteaction

Loi de Vanrsquot HoffLorsque la reacuteaction est un processus eacuteleacutementaire les ordres partiels seconfondent avec les coefficients stœchiomeacutetriques et lrsquoordre total agrave lamoleacuteculariteacute

Loi drsquoArrheacutenius

dln k

dT=

Ea

RT2

k constante de vitesseEa eacutenergie drsquoactivationR constante des gaz parfaitsT tempeacuterature

Loi de vitesse drsquoune reacuteaction drsquoordre 1

c = c0eminuskt c concentration de lrsquoespegravece

c0 concentration initialek constante de vitesse

t12 =ln 2αk

Le temps de demi-reacuteaction estindeacutependant de c0 (α eacutetant lenombre stœchiomeacutetrique du reacuteac-tif limitant)

AEQS theacuteoregraveme de Bodenstein

d[A]

dt= 0

Conditions drsquoapplication de lrsquoAp-proximation des Eacutetats Quasi Sta-tionnaires ndash [A] tregraves faiblendash A espegravece tregraves reacuteactive (intermeacute-diaire reacuteactionnel)

Longueur de chaicircne

l =vitesse de disparition reacuteactif

vitesse drsquoinitiation

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Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 150

150 [3] Chimie

3 Cristallographie

31 Geacuteneacuteraliteacutes

Deacutefinitions

Reacuteseau disposition spatiale desnoeuds

Motif description des entiteacutes quioccupent ces noeuds

Compaciteacute Rapport entre le vo-lume de lamaille et le volume reacuteel-lement occupeacute par les entiteacutes de lamaille

Coordinence nombre drsquoentiteacutes encontact avec une autre entiteacute

Une maille est entiegraverement deacutecritepar son reacuteseau et son motif

32 Mailles et sites dans les cristaux meacutetalliques

Maille hexagonale compacte

Coordinence 12Compaciteacute 0 742 atomes par maille

Maille cubique agrave faces centreacutees

Coordinence 12Compaciteacute 0 744 atomes par maille

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 151

3 Cristallographie 151

Maille cubique centreacutee

Coordinence 8Compaciteacute 0 682 atomes par maille

Sites octaeacutedriques

Dimension rO = (radic2minus 1)r

ndash Au centre et au milieu de chaquearrecircte du la maille cubique face cen-treacutee (4 sites par maille)

ndash Agravec

4et

3c4

dans la maille hexago-

nale compacte (2 sites par maille)

Sites teacutetraeacutedriques

Dimension rT = (

radic32minus 1)r

ndash Au centre de huit petits cubes

drsquoarrecirctea

2dans la maille cubique

face centreacutee (8 sites par maille)

ndash Agravec

8et

7c8

sur chaque cocircteacute vertical

dans lrsquohexagonale compacte (4 sitespar maille)

c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 152

152 [3] Chimie

33 Cristaux ioniques

Chlorure de ceacutesium (CsCl)

Les ions Clminus forment un reacuteseau cu-bique (1 atome par maille)Les ions Cs+ sont aux centres de cescubes (1 atome par maille)Coordination [8-8]Structure adopteacutee si radic

3minus 1 6r+rminus

lt 1

Cl-

Cs+

Chlorure de sodium (NaCl)

Les ions Clminus forment un reacuteseau cu-bique faces centreacutees (4 atomes parmaille)Les ions Na+ occupent les sites oc-taeacutedriques de ce reacuteseau (4 atomespar maille)Coordination [6-6]Structure adopteacutee si radic

2minus 1 6r+rminus

ltradic3minus 1

Cl-

Na+

Blende (ZnS)

Les ions Zn2+ forment un reacuteseaucubique faces centreacutees (4 atomes parmaille)Les ions S2minus occupent un site teacutetra-eacutedrique sur deux dans le reacuteseau preacute-ceacutedent (4 atomes par maille)Coordination [4-4]Structure adopteacutee si

0 6r+rminus

ltradic2minus 1

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 153

4 Thermodynamique 153

4 Thermodynamique

La thermodynamique a deacutejagrave eacuteteacute abordeacutee au cours du chapitre de physiqueIl est conseilleacute de se reporter agrave cette section les notions preacutealablement trai-teacutees nrsquoeacutetant pas agrave nouveau abordeacutees ici

41 Fonctions drsquoeacutetat

Deacutefinition

Xi =

(partXpartni

)

Tpn j 6=ni

X fonction drsquoeacutetat extensiveXi grandeur molaire partielle re-lative au composeacute Aini quantiteacute de matiegravere du consti-tuant Ai

Relation de GibbsndashDuhem

sumi

ni dXi Tp = 0

ni quantiteacute de matiegravere du consti-tuant AidXi Tp grandeur standard de reacute-action concernant le constituant Aiagrave T et p constantes

Grandeurs de reacuteaction associeacutees aux fonctions drsquoeacutetat

∆rX = sumi

νiXi =

(partXpartξ

)

Tp

∆rX grandeur de reacuteactionνi nombre stœchiomeacutetrique rela-tif au composeacute AiXi grandeur molaire partielle re-lative au corps Ai

Relation de GibbsndashHelmoltz

partpartT

(∆rG

T

)= minus∆rH

T2

∆rG enthalpie libre de reacuteaction∆rH enthalpie de reacuteactionT tempeacuterature

c copyDuno

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Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 154

154 [3] Chimie

42 Potentiel chimique

Deacutefinition

microi =

(partGpartni

)

Tpn j 6=ni

microi =

(partUpartni

)

VSn j 6=ni

microi =

(partHpartni

)

pSn j 6=ni

microi =

(partFpartni

)

VTn j 6=ni

microi potentiel chimique du com-poseacute AiUH FG eacutenergie interne enthal-pie eacutenergie libre enthalpie libreT pV tempeacuterature pression vo-lumeni quantiteacute de matiegravere du com-poseacute Ai

Condition drsquoeacutequilibre physique

microϕ1 = microϕ2

Le potentiel chimique du corps purdans les deux phases est le mecircmemicroϕi potentiel chimique du corpspur dans la phase i

Eacutevolution vers un eacutetat drsquoeacutequilibre

Srsquoil nrsquoest pas agrave lrsquoeacutequilibre le corps pur passe irreacuteversiblement de laphase de plus haut potentiel chimique vers la phase de plus bas po-tentiel chimique et ce jusqursquoagrave lrsquoobtention de lrsquoeacutegaliteacute preacuteceacutedente

Potentiel drsquoun gaz

microi(g) = micro0i(g) + RT ln

pip0

microi(g) potentiel chimique du gazAi

micro0i(g)

potentiel chimique standard

du gaz Ai (agrave la pression p0)R constante des gaz parfaitsT tempeacuteraturepi pression partielle du gaz Ai

p0 pression standard (1 bar = 105Pa)

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 155

4 Thermodynamique 155

Potentiel drsquoun soluteacute

microi(s) = micro0i(s) + RT ln

cic0

R constante des gaz parfaitsT tempeacuteratureci concentration du composeacute Ai

c0 concentration standard(1 mol middot Lminus1)

43 Grandeurs standards de reacuteaction

Enthalpie standard de reacuteaction

∆rH0 = sum

i

νiH0i

∆rH0 enthalpie standard de reacuteac-

tionνi nombre stœchiomeacutetrique ducomposeacute Ai

H0i enthalpie standard molaire de

Ai pris dans son eacutetat standard

Entropie standard de reacuteaction

∆rS0 = sum

i

νiS0i

∆rS0 entropie standard de reacuteac-

tionνi nombre stœchiomeacutetrique ducomposeacute Ai

S0i entropie standard molaire deAi pris dans son eacutetat standard

Enthalpie libre standard de reacuteaction

∆rG0 = sum

i

νiG0i

∆rG0 enthalpie libre standard de

reacuteactionνi nombre stœchiomeacutetrique ducomposeacute Ai

G0i enthalpie libre standard mo-

laire de Ai pris dans son eacutetat stan-dard

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 156

156 [3] Chimie

Relation entre grandeurs de reacuteaction

∆rG0 = ∆rH

0 minus T∆rS0

∆rS0 entropie standard de reacuteac-

tion∆rH

0 enthalpie standard de reacuteac-tion∆rG

0 enthalpie libre standard dereacuteactionT tempeacuterature

Premiegravere loi de Kirchhoff

d∆rH0

dT= ∆rC

0p = sum

i

νiC0pi

∆rH0 enthalpie standard de reacuteac-

tionC0pi capaciteacute thermique mo-

laire du constituant Ai agrave pressionconstanteνi nombre stœchimeacutetrique ducomposeacute AiT tempeacuterature

Deuxiegraveme loi de Kirchhoff

d∆rS0

dT=

∆rC0p

T= sum

i

νiC0pi

T

∆rS0 entropie standard de reacuteac-

tionC0pi capaciteacute thermique mo-

laire du constituant Ai agrave pressionconstanteνi nombre stœchimeacutetrique ducomposeacute AiT tempeacuterature

Relations de GibbsndashHelmoltz

∆rS0 = minusd∆rG

0

dT

∆rH0 = minusT2 d

dT

(∆rG

0

T

)

∆rS0 entropie standard de reacuteac-

tion∆rH

0 enthalpie standard de reacuteac-tion∆rG

0 enthalpie libre standard dereacuteactionT tempeacuterature

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 157

4 Thermodynamique 157

Relation de Hess

∆rH0 = sum

i

νi∆ fH0i

∆rG0 = sum

i

νi∆ fG0i

∆rH0 enthalpie standard de reacuteac-

tion∆rG

0 enthalpie libre standard dereacuteaction∆fH

0 enthalpie standard de for-mation du composeacute Ai (nulle pourles corps purs)∆fG

0 enthalpie libre standard deformation du composeacute Ai

Cycle de BornndashHaberCrsquoest un cycle thermodynamique qui permet de calculer avec la loide Hess lrsquoenthalpie de standard de reacuteaction en deacutecomposant les reacuteac-tifs en atomes et en recomposant ces mecircmes atomes pour former lesproduits

44 Eacutequilibres chimiques

Deacutefinition de lrsquoaffiniteacute chimique

A = minussumi

νimicroi = minus∆rG

A affiniteacute chimique∆rG

0 enthalpie libre standard dereacuteactionνi nombre stœchiomeacutetrique ducomposeacute Aimicroi potentiel chimique du com-poseacute Ai

Expression de lrsquoaffiniteacute

A = A0 minus RT ln

(

prodi

aνi

i

)

A affiniteacute chimiqueA0 affiniteacute chimique standardai activiteacute du composeacute Aiνi nombre stœchimeacutetrique ducomposeacute AiR constante des gaz parfaitsT tempeacuterature

c copyDuno

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 158

158 [3] Chimie

Condition drsquoeacutequilibre

A = 0

Dans ce cas

A0 = RT lnK0 = RT ln

(

prodi

aνi

i

)

K0 est la constante drsquoeacutequilibre dela reacuteaction

Sens drsquoeacutevolution

A middot dξ gt 0

Si A gt 0 dξ gt 0 il y a eacutevolution

dans le sens 1minusrarrSi A lt 0 dξ lt 0 il y a eacutevolution

dans le sens 2larrminusConstante drsquoeacutequilibre

K0(T) = prodi

aνi

i eacutequilibre

K0(T) constante drsquoeacutequilibre de lareacuteaction qui ne deacutepend que de latempeacuteratureai eacutequilibre coefficient drsquoactiviteacute ducomposeacute Ai agrave lrsquoeacutequilibreνi nombre stœchiomeacutetrique ducomposeacute Ai

Tempeacuterature drsquoinversion

∆rG0(Ti) = 0

K0(Ti) = 1

Agrave cette tempeacuterature la reacuteaction

preacutepondeacuterante passe du sens 1minusrarrau sens 2larrminus

Effet de la tempeacuterature loi de Vanrsquot Hoff

dlnK0

dT=

∆rH0

RT2

K0 constante drsquoeacutequilibre de la reacute-action∆rH

0 enthalpie standard de la reacute-actionR constante des gaz parfaitsT tempeacuterature

Une augmentation de la tempeacuterature deacuteplace la reacuteaction dans le sensendothermique

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 159

4 Thermodynamique 159

Effet de la pression loi de Le ChacirctelierUne augmentation de la pression deacuteplace lrsquoeacutequilibre dans le sens dediminution de la quantiteacute de matiegravere de gaz (∆νgaz lt 0)

Introduction drsquoun constituant actif

dA = RT(

∆νgaz minusνi

xi

)dnin

dA variation de lrsquoaffiniteacuteνi nombre stœchimeacutetrique ducomposeacute Aixi titre molaire du composeacute Ain quantiteacute de matiegravere totaledni variation de quantiteacute de ma-tiegravere du composeacute Ai

Ajout drsquoun constituant inactif

dA = RT∆νgazdnn

dA variation de lrsquoaffiniteacuten quantiteacute de matiegraveredn variation de quantiteacute de ma-tiegravere du constituant introduit

Variance ndash Regravegle des phases de Gibbs

v = c + 2minusϕ

c = nminus kminus r

v variancec nombre de constituants indeacute-pendantsϕ nombre de phasesn nombre de constituantsk nombre de relations entre lesconstituantsr relation particuliegraveres (imposeacuteespar le manipulateur)

c copyDuno

dL

apho

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ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 160

160 [3] Chimie

45 Eacutequilibres liquidendashvapeur

Loi de Raoult

pi = plowasti xli

pi pression partielle du composeacuteAiplowasti pression saturante du com-poseacute Ai

xli titre molaire de Ai liquide

Loi de Henry

pi = kxli

pi pression partielle du composeacuteAik 6= plowasti constante de Henryxli titre molaire de Ai liquide

Solution ideacuteale deacutefinitionUne solution est dite ideacuteale si toutes les interactions entre les espegravecesqui la composent sont identiques interactions A1ndashA1A2ndashA2 et A1ndashA2

Diagramme binaire drsquoune solution ideacuteale

p2

p1

p

vapeur

liquide

courbe drsquoeacutebullition

courbe de roseacuteeliquide + vapeur

x2

Eacutequations des courbes

Courbe drsquoeacutebullition

p = plowast1 + (plowast2 minus plowast1)xl2

Courbe de roseacutee

p =plowast1plowast2

plowast2 minus (plowast2 minus plowast1)xv2

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 161

4 Thermodynamique 161

Diagrammes isothermes

p2

p

p1

vapeur

liquide

liquide + vapeur

x2

Fuseau simple

p2

p

p1 vapeur

liquide

liquide

+ vap

eur

x2

Azeacuteotrope positif

p2

p

p1

vapeur

liquideliquide + vapeur

x2

Azeacuteotrope neacutegatif

Lrsquoazeacuteotrope est la manifestation delrsquoeacutecart de la solution par rapport agravela solution ideacuteale

Diagrammes isobares

T2

T

T1

vapeur

liquide

liquide + vapeur

x2

Fuseau simple

T2

T

T1vapeur

liquide

liquide + vapeur

x2

Azeacuteotrope positifc copyDuno

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 162

162 [3] Chimie

T2

T

T1

vapeur

liquide

liquide

+ vap

eur

x2

Azeacuteotrope neacutegatif

Agrave pression constante unazeacuteotrope bout agrave tempeacuteratureconstante et donne une vapeur demecircme composition

Analyse thermique

T2

N

M

T

T1

x2

T2

TM

TN

T

t

M

N

T2

T

T1

x2

TM

TN

T

t

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 163

4 Thermodynamique 163

Theacuteoregraveme des moments

T2

LS

M

T

T1

liquide

solide

sol i dus

liquidusliquide + solide

x2x2x2

l

x2

s

nlML + nvMV = 0

nl quantiteacute de matiegravere de liquidenv quantiteacute de matiegravere de vapeurML distance algeacutebrique de M agrave lacourbe drsquoeacutebullitionMV distance algeacutebrique de M agravela courbe de roseacutee

46 Reacuteactions drsquooxydoreacuteduction

Couple redox

α ox + n eminusreacuteduction

oxydation

β red

Nombre drsquooxydation ndash DeacutefinitionCrsquoest le nombre drsquoeacutelectrons laquo perdus raquo par rapport agrave lrsquoatome neutre

Nombre drsquooxydations ndash Regravegles de deacutetermination

ndash atome isoleacute neutre no 0 ndash ion simple le nombre drsquooxyda-tions est la charge de lrsquoion ndash moleacutecule ou ion complexe

ndash entre deux atomes du mecircmeeacuteleacutement on attribue agrave chacun lrsquoundes eacutelectrons du doublet de liai-son

ndash entre deux atomes diffeacuterentson attribue les eacutelectrons de liaisonau plus eacutelectroneacutegatif

Dans tous les cas sum no = q avecq la charge de lrsquoeacutedifice atomique

Oxydant ndash Reacuteducteur

Un oxydant est une espegravece dontle nombre drsquooxydation peut dimi-nuer

Un reacuteducteur est une espegravece dontle nombre drsquooxydation peut aug-menter

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ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 164

164 [3] Chimie

Eacutequilibrage drsquoune eacutequation redoxPour eacutequilibrer une eacutequation on procegravede en

1 deacuteterminant le nombre drsquoeacutelectrons eacutechangeacutes avec le nombre drsquooxy-dations

2 effectuant un bilan des charges et en assurant lrsquoeacutelectroneutraliteacute avecH+ et lrsquoeacutequilibre en atomes drsquooxygegravene avec H2O

3 effectuant un bilan de matiegravere

Eacutelectrode agrave hydrogegravene

Crsquoest lrsquoeacutelectrode de reacutefeacuterencepour les mesures de poten-tiels redox (agrave toute tempeacuteratureE0(H+H2) = 0 000 V) Cetteeacutelectrode est fictive

H sous 1 bar2

Pt

pH = 0

Formule de Nernst

E = E0 +RTnF ln

aαox

aβred

aox activiteacute de lrsquooxydantared activiteacute du reacuteducteurAvec ndash a = 1 pour tout solide ou un li-quide pur dans la phase

ndash a =c

c0pour un soluteacute

ndash a =pip0

la pression partielle pour

un gaz (dans le cas des solutionsdilueacutees)E potentiel de lrsquoeacutelectrodeE0 potentiel standard du coupleredoxn nombre drsquoeacutelectrons eacutechangeacutesF = N middot e nombre de FaradayR constante des gaz parfaitsT tempeacuterature

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 165

5 Mateacuteriaux meacutetalliques 165

Formule de Nernst forme usuelle

E = E0 +0 06n

logaαox

aβred

Agrave 25˚CRTF ln 10

= 0 06

Reacuteactions aux eacutelectrodes drsquoune pile

La reacuteduction se produit agrave la ca-thodeLrsquooxydation se produit agrave lrsquoanode

On symbolise une pile par

ox1 red1︸ ︷︷ ︸pocircle neacutegatif

ox2 red2︸ ︷︷ ︸pocircle positif

Force eacutelectromotrice drsquoune pile

E = E2 minus E1

E force eacutelectromotrice (feacutem) de lapileE1 potentiel du couple consti-tuant lrsquoanodeE2 potentiel du couple consti-tuant la cathode

5 Mateacuteriaux meacutetalliques

51 Diagrammes drsquoEllingham

PrincipeOn eacutetudie la formation des oxydesrameneacutee agrave une mecircme quantiteacutede dioxygegravene reacuteaction qui srsquoeacutecritsous la forme geacuteneacuterale

α red +12O2 β ox

On trace la courbe

∆rG0 = ∆rH

0 minus T∆rS0

Approximation drsquoEllingham

Pour construire ces diagrammes on considegravere que ∆rG0 ∆rH

0 et ∆rS0

sont indeacutependants de la tempeacuterature Cette approximation est appeleacuteeapproximation drsquoEllingham

c copyDuno

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toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 166

166 [3] Chimie

Allure du diagramme

DrG ( )0

T

0 T

TF TE

changement de pente marquantun changement drsquoeacutetat

oxyde

meacutetal

Affiniteacute du systegraveme

A =12RT ln

p

pe

A affiniteacute chimiquep pression du reacuteacteurpe pression drsquoeacutequilibre agrave une tem-peacuterature donneacuteeT tempeacuteratureR constante des gaz parfaits

Corrosion drsquoun meacutetalUn meacutetal est oxydeacute par un oxyde dont la droite drsquoEllingham se situeau-dessus de sa propre droite

52 Diagrammes potentiel-pH

ConventionsConvention 1 sur le domaine frontiegravere les concentrations des deuxespegraveces sont eacutegales agrave une concentration arbitrairement choisieConvention 2 on fixe la concentration totale en un eacuteleacutement donneacute Surle domaine frontiegravere les concentrations sont reacuteparties eacutequitablement

Construction du diagramme potentielndashpH

1 On deacutetermine le degreacute drsquooxydation des espegraveces mises en jeu2 On calcule le pH frontiegravere pour les espegraveces de mecircme degreacute drsquooxy-dation3 On calcule avec la formule de Nernst lrsquoeacutequation des droites seacuteparantles domaines des espegraveces de degreacute drsquooxydation distincts

Les droites verticales marquent des reacuteactions acido-basiquesLes droites horizontales marquent des reacuteactions redox

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 167

5 Mateacuteriaux meacutetalliques 167

Deacutefinition du pH

pH = minus log(

[H3O+]

c0

)La relation ci-contre nrsquoest valableqursquoen milieux dilueacutes[H3O+] concentration en ionsH3O+ dans le milieuc0 concentration standard(1 mol middot Lminus1)

Produit ionique de lrsquoeau

Ke =[H3O+] middot [OHminus]

(c0)2= 10minus14

pKe = minus log Ke = 14

Ke produit ionique de lrsquoeau[H3O+] concentration en ionsH3O+ dans le milieu[OHminus] concentration en ionsOHminus dans le milieuc0 concentration standard

Constante drsquoaciditeacute drsquoun couple acidobasique

HA + H2O Aminus + H3O+

Ka =[H3O+] middot [Aminus]

[HA] middot c0

pKa = minus log Ka

Ka constante drsquoaciditeacute du coupleacidobasique (ne deacutepend que de latempeacuterature)[H3O+] concentration en ionsH3O+ dans le milieu[HA] concentration de lrsquoespegraveceacide dans le milieu[Aminus] concentration de lrsquoespegravecebasique dans le milieuc0 concentration standard

c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 168

168 [3] Chimie

Principaux diagrammes potentiels ndash pH

E

0 1

01

pH

Fe3 +

Fe2 +

Fes

Zns

Zn2 +

Zn(OH)s

Zn(OH)4

2 -

Fe(OH)2

Fe(OH)3

Cu O2

Cu(OH)2

Cu2 +

Cus

Diagramme potentiel ndash pH de lrsquoeau

Le couple H2 H2O est repreacutesenteacute par une droite de pente minus0 06 etdrsquoordonneacutee agrave lrsquoorigine 0 00 V

Le couple H2O OHminus est repreacutesenteacute par une droite de pente minus0 06et drsquoordonneacutee agrave lrsquoorigine 1 23 V

53 Courbes intensiteacutendashpotentiel

Tension minimale agrave appliquer

U gt∆rG

2F

U tension appliqueacutee∆rG enthalpie libre de la reacuteactionF nombre de Faraday

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 169

5 Mateacuteriaux meacutetalliques 169

Intensiteacute du courant ndash Vitesse de reacuteaction

i = nFdξ

dt

v =1V

dt

i intensiteacute du courantn nombre drsquoeacutelectrons eacutechangeacutesau cours de la reacuteactionF nombre de Faradayξ avancement de la reacuteactionV volume de solution eacutelectrolyteLa vitesse de reacuteaction et lrsquointen-siteacute sont proportionnelles

Montage expeacuterimental

Egeacuteneacuterateur

microampegraveremegravetre(galvanomegravetre)

eacutelectrodes de travail

eacutelectrodede reacutefeacuterence

millivoltmegravetre

mAmV

Systegraveme lent ndash Systegraveme rapide

Systegraveme rapideSystegraveme lent (existence de surten-sions ηA et ηC respectivement ano-diques et cathodiques)

i

v

i

vhAhC

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ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 170

170 [3] Chimie

Courant limite de diffusion

i

i lim

v

Le pheacutenomegravene de diffusion limitela vitesse de deacuteplacement des eacutelec-trons il existe donc un courant li-mite

Tension agrave appliquer

U = EA minus EC︸ ︷︷ ︸thermodynamique

+ ηA minus ηC︸ ︷︷ ︸cineacutetique

+ri

U tension agrave appliquerEA potentiel du couple delrsquoanodeEC potentiel du couple de la ca-thodeηA surtension anodiqueηC surtension cathodiquer reacutesistance interne de lrsquoeacutelectro-lytei intensiteacute du courant

54 Corrosion

Reacuteaction de corrosion

M + ox minusrarr Mn+ + red

M meacutetal qui va ecirctre corrodeacuteox un meilleur oxydant que lemeacutetalMn+ cation associeacute au meacutetal dansun couple redoxred reacuteducteur associeacute agrave lrsquooxydantox

Corrosion avec des eacutelectrodes diffeacuterentes

Quand les eacutelectrodes sont diffeacuterentes crsquoest le meacutetal qui a le plus petitpotentiel redox qui se corrode

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 171

5 Mateacuteriaux meacutetalliques 171

Corrosion avec des eacutelectrodes identiquesDans le cas drsquoune pile de concen-tration crsquoest le meacutetal qui plongedans la solution la plus dilueacutee quise corrode

Crsquoest le meacutetal qui plonge dans lasolution la moins aeacutereacutee qui se cor-rode

Domaines de corrosion drsquoimmuniteacute et de passivationndash On appelle domaine de corrosion le(s) domaine(s) drsquoun diagrammeEndashpH ougrave le meacutetal se retrouve sous forme drsquoionsndash On appelle domaine drsquoimmuniteacute le domaine drsquoun diagramme EndashpHougrave le meacutetal est stable (il nrsquoest pas corrodeacute)ndash On appelle domaine de passivation le domaine drsquoun diagramme EndashpH ougrave le meacutetal se retrouve sous forme de preacutecipiteacute qui est susceptiblede former une couche protectrice agrave la surface du meacutetal

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Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 172

Annexe A mformulairetex 2772008 2251Page 173

Annexe APrimitives usuelles

Primitive Intervalleint dtt

= ln |t|+ k Rlowastint

cos t dt = sin t + k Rint dt

cos2 t= tan t + k R

π

2+ kπ

k isin Z

int dtcos t

= ln∣∣∣∣tan

(t

2+

π

4

)∣∣∣∣+ k R π

2+ kπ

k isin Z

inttan t dt = minus ln | cos t|+ k R

π

2+ kπ

k isin Z

intch t dt = sh t + k R

int dt

ch2 t= th t + k R

int dtch t

= 2Arctan et + k R

intth t dt = ln ch t + k R

intemt dt =

1memt + k (m isin Clowast) R

inttα dt =

tα+1

α + 1+ k (α isin Rminus minus1) R

intsin t dt = minus cos t + k R

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Annexe A mformulairetex 2772008 2251Page 174

174 [A] Primitives usuelles

int dt

sin2 t= minus cot t + k R kπ k isin Z

int dtsin t

= ln∣∣∣∣tan

t

2

∣∣∣∣+ k R kπ k isin Z

intcot t dt = ln | sin t|+ k R kπ k isin Z

intsh t dt = ch t + k R

int dt

sh2 t= minus coth t + k Rlowast

int dtsh t

= ln∣∣∣∣th

t

2

∣∣∣∣+ k Rlowast

intcoth t dt = ln | sh t|+ k R

intat dt =

at

ln a+ k (a isin Rlowast+ minus 1) R

Dans la suite on suppose a isin Rlowastint dt

t2 + a2=

1aArctan

t

a+ k R

int dtradica2 minus t2

=

Arcsin t

|a| + k

minusArccos t|a| + k

]minus a a[

int dtradict2 + a2

=

Argsh t

|a| + k

ln(t +radict2 + a2

)+ k

R

int dtradict2 minus a2

=

Argcht

|a| + k

ln(t +radic

t2 minus a2)

+ k]|a|+infin[

minusArgch∣∣∣∣t

a

∣∣∣∣+ k

ln∣∣∣t +

radict2 minus a2

∣∣∣+ k]minusinfin |a|[

int dtradict2 + b

= ln∣∣∣t +

radict2 + b

∣∣∣ + k (b isinRlowast)

R [minusb b]

int dtt2 minus a2

=

Argth t + k ]minus 1 1[12a

ln(tminus a

t + a

)+ k Rminus minusa a

Annexe B mformulairetex 2772008 2251Page 175

Annexe BDeacuteveloppements limiteacutes

Principaux deacuteveloppements limiteacutes1

1minus x= 1 + x + x2 + x3 + middot middot middot+ xn + o(xn)

(1+x)α =1+αx+α(αminus1)

2x2+middot middot middot+α(αminus1) middot middot middot (αminusn+1)

nxn+ o

xrarra(xn)

radic1+x = 1+

12xminus 1

2 middot 4 x2+middot middot middot+(minus1)nminus1 1 middot 3 middot 5 middot middot middot (2nminus3)

2 middot 4 middot 6 middot middot middot 2n xn+o(xn)

1radic1 + x

= 1 minus 12x +

1 middot 32 middot 4 x

2 + middot middot middot + (minus1)n 1 middot 3 middot 5 middot middot middot (2nminus 1)2 middot 4 middot 6 middot middot middot 2n xn +

o(xn)

ln(1 + x) = xminus x2

2+

x3

3minus x4

4+ middot middot middot+ (minus1)n+1 x

n

n+ o(xn)

ln(1minus x) = minusxminus x2

2minus x3

3minus x4

4minus middot middot middot minus xn

n+ o(xn)

ln(a + x) = ln a +x

aminus x2

2a2+

x3

3a3+ middot middot middot+ (minus1)n+1 x

n

an+ o(xn)

ex = 1 + x +x2

2+

x3

3+ middot middot middot+ xn

n+ o(xn)

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dL

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nonau

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ndeacutelit

Annexe B mformulairetex 2772008 2251Page 176

176 [B] Deacuteveloppements limiteacutes

cos x = 1minus x2

2+

x4

4minus x6

6+ middot middot middot+ (minus1)n x2n

(2n)+ o(x2n+1)

ch x = 1 +x2

2+

x4

4+

x6

6+ middot middot middot+ x2n

(2n)+ o(x2n+1)

sin x = xminus x3

3+

x5

5minus x7

7+ middot middot middot+ (minus1)n x2n+1

(2n + 1)+ o(x2n+2)

sh x = x +x3

3+

x5

5+

x7

7+ middot middot middot+ x2n+1

(2n + 1)+ o(x2n+2)

tan x = x +x3

3+

215

x5 +17315

x7 + o(x7)

th x = xminus x3

3+

215

x5 minus 17315

x7 + o(x7)

Arccos x =π

2minus x minus 1

2x3

3minus middot middot middot minus 1 middot 3 middot 5 middot middot middot (2nminus 1)

2 middot 4 middot 6 middot middot middot 2nx2n+1

2n + 1+

o(x2n+2)

Arcsin x = x +12x3

3+ middot middot middot+ 1 middot 3 middot 5 middot middot middot (2nminus 1)

2 middot 4 middot 6 middot middot middot 2nx2n+1

2n + 1+ o(x2n+2)

Arctan x = xminus x3

3+

x5

5minus x7

7+ middot middot middot+ (minus1)n x2n+1

(2n + 1)+ o(x2n+2)

Argch x nrsquoest pas deacutefini au voisinage de 0 et nrsquoadmet pas de deacutevelop-pement limiteacute au voisinage de 1 (tangente verticale)

Argsh = xminus 12x3

3+

1 middot 32 middot 4

x5

5+ middot middot middot+(minus1)n 1 middot 3 middot 5 middot middot middot (2nminus1)

2 middot 4 middot 6 middot middot middot 2nx2n+1

2n+1+

o(x2n+2)

Argth x = x +x3

3+

x5

5+ middot middot middot+ x2n+1

(2n + 1)+ o(x2n+2)

Annexe C mformulairetex 2772008 2251Page 177

Annexe CFormulestrigonomeacutetriques

1 Angles remarquables

sin 012

radic22

radic32

1 0

cos 1

radic32

radic22

12

0 minus1

tan 0

radic33

1radic3 0

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe C mformulairetex 2772008 2251Page 178

178 [C] Formules trigonomeacutetriques

2 Relations trigonomeacutetriques

Relations entre les rapports trigonomeacutetriques drsquoun mecircme arc

cos2 a + sin2 a = 1

tan a =sin a

cos acot a =

cos asin a

1 + tan2 a =1

cos2 a1 + cot2 a =

1

sin2 a

cos2 a =1

1 + tan2 asin2 a =

11 + cot2 a

Formules drsquoadditioncos(a + b) = cos a cos bminus sin a sin bcos(aminus b) = cos a cos b + sin a sin bsin(a + b) = sin a cos b + cos a sin bsin(aminus b) = sin a cos bminus cos a sin b

tan(a + b) =tan a + tan b

1minus tan a tan b

tan(aminus b) =tan aminus tan b

1 + tan a tan b

Formules de duplication

cos(2a) =

cos2 aminus sin2 a2 cos2 aminus 11minus 2 sin2 a

sin(2a) = 2 sin a cos a

tan(2a) =2 tan a

1minus tan2 a

Expression de cos a sin a tan a en fonction de tan a2

cos a =1minus tan2 a

21 + tan2 a

2

sin a =2 tan a

21 + tan2 a

2

tan a =2 tan a

21minus tan2 a

2

Transformations de produits en sommes

cos a cos b =12

(cos(aminus b) + cos(a + b))

sin a sin b =12

(cos(aminus b)minus cos(a + b))

sin a cos b =12

(sin(a + b) + sin(aminus b))

Annexe C mformulairetex 2772008 2251Page 179

2 Relations trigonomeacutetriques 179

sin b cos a =12

(sin(a + b)minus sin(aminus b))

cos2 a =1 + cos(2a)

2sin2 a =

1minus cos(2a)2

Transformation des sommes en produits

cos p + cos q = 2 cosp + q

2cos

pminus q

2

cos pminus cos q = minus2 sin p + q

2sin

pminus q

2

sin p + sin q = 2 sinp + q

2cos

pminus q

2

sin pminus sin q = 2 sinpminus q

2cos

p + q

21 + cos a = 2 cos2

a

21minus cos a = 2 sin2

a

2

Arcs associeacutescos(minusa) = cos a sin(minusa) = minus sin acos(π + a) = minus cos a sin(π + a) = minus sin acos(πminus a) = minus cos a sin(πminus a) = sin a

cos(π

2minus a)

= sin a sin(π

2minus a)

= cos a

cos(π

2+ a)

= minus sin a sin(π

2+ a)

= cos a

tan(π + a) = tan a cot(π + a) = cot a

tan(π

2minus a)

= cot a cot(π

2minus a)

= tan a

tan(π

2+ a)

= minus cot a cot(π

2+ a)

= minus tan a

Fonctions circulaires reacuteciproques

Arctan x + Arctan1x

2sgnx

forall(a b) isin R2

Arctan a + Arctan b =

Arctana + b

1minus absi ab lt 1

π

2sgn a si ab = 1

Arctana + b

1minus ab+ π sgn a si ab gt 1c copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe C mformulairetex 2772008 2251Page 180

180 [C] Formules trigonomeacutetriques

Arctan x + Arctan1x

2sgn x

Trigonomeacutetrie hyperbolique

sh x =ex minus eminusx

2ch x =

ex + eminusx

2ch(a + b) = ch a ch b + sh a sh b sh(a + b) = sh a ch b + ch a sh bch(aminus b) = ch a ch bminus sh a sh b sh(aminus b) = sh a ch bminus ch a sh b

th(a + b) =th a + th b

1 + th a th bth(aminus b) =

th a + th b

1minus th a th b

ch 2a =

ch2 a + sh2 a2 ch2 aminus 11 + 2 sh2 a

sh 2a = 2 sh a ch a

ch2 xminus sh2 x = 1

th 2a =2 th a

1 + th2 ach p + ch q = 2 cosh

p + q

2ch

pminus q

2

ch pminus ch q = 2 shp + q

2sh

pminus q

2

sh p + sh q = 2 shp + q

2ch

pminus q

2

sh pminus sh q = 2 coshp + q

2sh

pminus q

2

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 181

Annexe DOpeacuterateurs vectoriels

Cette annexe sert essentiellement en physique mais elle peut trouver sonutiliteacute en chimie (par exemple lrsquoHamiltonien comporte un laplacien) ou enmaths (notamment dans le cadre du chapitre des fonctions de plusieurs va-riables)

1 Notations

Opeacuterateur Nabla

On utilise tregraves souvent lrsquoopeacuterateur laquo Nabla raquo

partpartxpart

partypartpartz

Champs utiliseacutes par la suiteDans la suite on considegravere un champ vectoriel

AAA(M) =

Ax(x y z)Ay(x y z)Az(x y z)

iiijjjkkk

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 182

182 [D] Opeacuterateurs vectoriels

On consideacuterera eacutegalement un champs vectoriel BBB et le champs scalaireV(x y z)

2 Gradient

Coordonneacutees carteacutesiennes

gradV =nablanablanablaV =

partVpartx

(x y z)

partVparty

(x y z)

partVpartz

(x y z)

Coordonneacutees cylindriques

gradV =nablanablanablaV =

partVpartr

1r

partVpartθ

partVpartz

uuur

uuuθ

uuuz

Coordonneacutees spheacuteriques

gradV =

partVpartr

1r

partVpartθ

1r sin θ

partVpartϕ

uuur

uuuθ

uuuϕ

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 183

4 Rotationnel 183

3 Divergence

Coordonneacutees carteacutesiennes

div A =partAx

partx+

partAy

party+

partAz

partz=nablanablanablaAAA

Coordonneacutees cylindriques

div A =1r

partpartr

(r middot Ar) +1r

partAθ

partθ+

partAz

partz

Coordonneacutees spheacuteriques

div A =1r2

partpartr

(r2 middot Ar) +1

r sin θ

partpartθ

(sin θAθ) +1

r sin θ

partAϕ

partϕ

4 Rotationnel

Coordonneacutees carteacutesiennes

rot A =nablanablanablaandAAA =

partpartxpart

partypartpartz

and

Ax

Ay

Az

=

partAz

partyminus partAy

partzpartAx

partzminus partAz

partxpartAy

partxminus partAx

party

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 184

184 [D] Opeacuterateurs vectoriels

Coordonneacutees cylindriques

rot A =

1r

partAz

partθminus partAθ

partzpartAr

partzminus partAx

partr1r

partpartr

(r middot Aθ)minus 1r

partAr

partθ

Coordonneacutees spheacuteriques

rot A =

1r sin θ

(part

partθ(Aϕ sin θ)minus partAθ

partϕ

)

1r

(1

sin θ

partAr

partϕminus part

partr(r middot Aϕ

)

1r

(partpartr

(r middot Aθ)minus partAr

partθ

)

5 Laplacien

Coordonneacutees carteacutesiennesLaplacien scalaire

∆V = nabla2V =part2Vpartx2

+part2Vparty2

+part2Vpartz2

= div (gradV)

Laplacien vectoriel

∆AAA =nablanablanabla2AAA =

∆Ax =part2Ax

partx2+

part2Ax

party2+

part2Ax

partz2

∆Ay =part2Ay

partx2+

part2Ay

party2+

part2Ay

partz2

∆Az =part2Az

partx2+

part2Az

party2+

part2Az

partz2

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 185

6 Relations entre les opeacuterateurs 185

Coordonneacutees cylindriquesLaplacien scalaire

∆V =1r

partVpartr

+part2Vpartr2

+1r2

part2Vpartθ2 +

part2Vpartz2

∆V =1r

partpartr

(r

partVpartr

)+

1r2

part2Vpartθ2 +

part2Vpartz2

Le Laplacien vectoriel nrsquoa pas ici drsquoexpression simple

Coordonneacutees spheacuteriquesLe Laplacien scalaire est

∆V =1r

partpartr2

(rV) +1

r2 sin2 θ

part2Vpartϕ2 +

1

r2 sin2 θ

partpartθ

(sin θ

partVpartθ

)

6 Relations entre les opeacuterateurs

Opeacuterateur A middot grad

(BBBgrad)AAA =

(BBBnablanablanabla) Ax

(BBBnablanablanabla) Ay

(BBBnablanablanabla) Az

=

BxpartAx

partx+ By

partAx

party+ Bz

partAx

partz

BxpartAy

partx+ By

partAy

party+ Bz

partAy

partz

BxpartAz

partx+ By

partAz

party+ Bz

partAz

partz

En coordonneacutees cylindriques et spheacuteriques lrsquoexpression nrsquoest plus li-siblec copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 186

186 [D] Opeacuterateurs vectoriels

Autres relationsrotrotrot (gradU) = 0div (rot A) = 0∆AAA = grad(div A)minus rotrotrot (rot A)grad(U middotV) = U gradV +V gradUdiv (V middotAAA) = V div A +AAA middot gradVrotrotrot (V middotAAA) = V rot A + (gradV) andAAAdiv (AAA andBBB) = BBB middot rot AminusAAA middot rot B

7 Theacuteoregravemes geacuteomeacutetriques

Theacuteoregraveme drsquoOstrogradskiintcopyint

Misin(S)AAA(M)nnnext dS =

intintint

Misin(V)div A(M) dV

Theacuteoregraveme de Stokes∮

Misin(C)AAA(M)dM =

intint

Misin(S)rot Annn(P) dS

Theacuteoregraveme du gradientintcopyint

Misin(S)U(M)nnnext dS =

intintint

Misin(V)gradA(M) dV

Autre formulation (avec les notations adopteacutees pour le theacuteoregraveme deStokes) ∮

Misin(C)U(M)dMdMdM =

intint

Misin(S)nnn(M) and gradU(M) dS

Annexe E mformulairetex 2772008 2251Page 187

Annexe EUniteacutes et constantesfondamentales

1 Uniteacutes du Systegraveme International

On distingue trois types drsquouniteacutes dans le Systegraveme International les uniteacutesde base les uniteacutes suppleacutementaires (ces deux premiegraveres cateacutegories eacutetant di-mensionnellement indeacutependante) et les uniteacutes suppleacutementaires et deacuteriveacuteesqui peuvent srsquoexprimer en fonction des premiegraveres

11 Uniteacutes principales du systegraveme international

Grandeur physique Uniteacute SymboleLongueur megravetre mMasse kilogramme kgTemps seconde sCourant eacutelectrique ampegravere ATempeacuterature kelvin KQuantiteacute de matiegravere mole molIntensiteacute lumineuse candela cdc copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe E mformulairetex 2772008 2251Page 188

188 [E] Uniteacutes et constantes fondamentales

12 Uniteacutes secondaires du systegraveme international

Grandeur physique Uniteacute SymboleAngle radian radAngle solide steradian sr

13 Uniteacutes courantes du systegraveme international

Grandeur physique Uniteacute SymboleFreacutequence hertz Hzharr sminus1

Force newton Nharr kg middotm middot sminus2Eacutenergie joule Jharr m middotNPuissance watt Wharr J middot sminus1Pression pascal Paharr N middotmminus2Charge eacutelectrique coulomb Charr A middot sDiffeacuterence de potentiel eacutelectrique volt Vharr Aminus1 middotm middotN middot sminus1Reacutesistance eacutelectrique ohm Ω harr Aminus1 middotm middotN middot sminus2Conductance eacutelectrique siemens Sharr A2 middotN middot sCapaciteacute eacutelectrique farad Fharr A2 middotmminus1 middotNminus1 middot s2Champ magneacutetique tesla Tharr Aminus1 middotmminus1 middotNInductance henry Hharr Aminus2 middotm middotNFlux magneacutetique weber Wbharr Aminus1 middotm middotNFlux lumineux lumen lmharr cd middot srIllumination lux lxharr cd middotmminus2 middot sr

14 Multiples deacutecimaux pour les uniteacutes

Facteur Preacutefixe Symbole Facteur Preacutefixe Symbole10 deacuteca- da 10minus1 deacuteci- d102 hecto- h 10minus2 centi- c103 kilo- k 10minus3 milli- m106 meacutega- M 10minus6 micro- micro

109 giga- G 10minus9 nano- n1012 tera- T 10minus12 pico- p1015 peta- P 10minus15 femto f1018 exa- E 10minus18 atto- a

Annexe E mformulairetex 2772008 2251Page 189

2 Constantes fondamentales 189

2 Constantes fondamentales

Constante ValeurConstante de gravitation G = 6 67259 middot 10minus11 m3 middot kgminus1 middot sminus2Ceacuteleacuteriteacute de la lumiegravere dans levide

c = 299792458 m middot sminus1c asymp 3 middot 108 m middot sminus1

Permeacuteabiliteacute du videmicro0 = 4π middot 10minus7 H middotmminus1micro0 asymp 1 25664 middot 10minus6 H middotmminus1

Permittiviteacute du vide ε0 asymp 8 85419 middot 10minus12 F middotmminus1

Constante de Planck h = 6 6260755 middot 10minus34 J middot sminus1h = 4 135669 middot 10minus15 eV middot s

Constante des gaz parfaits R = 8 314 J middotKminus1 middotmolminus1

Nombre drsquoAvogadro N = 6 0221367 middot 1023 molminus1

Constante de Boltzmann k = 1 380658 middot 10minus23 J middotKminus1Charge eacuteleacutementaire e = 1 602217733 middot 10minus19 CConstante de Faraday F = 96485 309 C middotmolminus1

Constante de Stefan-Boltzmann σ = 5 67051 middot 10minus8 W middotmminus2 middotKminus4

3 Ordres de grandeurs

Grandeur ValeurConductiviteacute du meacutetal σ asymp 108 Ωminus1 middotmminus1Tension de seuil pour une diode Vd asymp 0 6 VChamp de pesanteur agrave la surface de la Terre g = 9 8 m middot sminus2Rayon terrestre RT = 6400 kmMasse de la Terre MT asymp 6 middot 1024 kgAltitude drsquoun satellite geacuteostationnaire H asymp 36 000 kmDistance Terre-Soleil dTminusS asymp 1 5 middot 1011 mDistance Terre-Lune dTminusL asymp 3 8 middot 108 mMasse du soleil MS asymp 2 middot 1030 kgCoefficient de frottement acier-acier micro asymp 0 2Raideur drsquoun ressort k asymp 100 N middotmminus1Masse du proton mp = 1 673 middot 10minus27 kgMasse du neutron mn = 1 675 middot 10minus27 kgMasse de lrsquoeacutelectron me = 9 109 middot 10minus31 kg

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe E mformulairetex 2772008 2251Page 190

Annexe F mformulairetex 2772008 2251Page 191

Annexe FConstantes chimiques

Potentiels standards redox

(Agrave 25˚C 1013 bar pH=0)

Couples redox E0 en voltsMnOminus4 + 4H+ + 3eminus larrrarr MnO2 + 2H2O 1700MnOminus4 + 8H+ + 5eminus larrrarr Mn2+ + 4H2O 1490Cr2O

2minus7 + 14H+ + 6eminus larrrarr 2Cr3+ + 7H2O 1330

MnO2 + 4H+ + 2eminus larrrarr Mn2+ + 2H2O 1230Br2 + 2eminus larrrarr 2Brminus 1090Hg2+ + 2eminus larrrarr Hg 0850Ag+ + eminus larrrarr Ag 0798Hg+ + eminus larrrarr Hgminus 0790Fe3+ + eminus larrrarr Fe2+ 0780MnOminus4 + eminus larrrarr MnO2minus

4 0560I2 + 2eminus larrrarr 2Iminus 0540Cu2+ + 2eminus larrrarr Cu 0340Cu2+ + eminus larrrarr Cu+ 01502H+ + 2eminus larrrarr H2 0000Fe3+ + 3eminus larrrarr Fe minus0040

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe F mformulairetex 2772008 2251Page 192

192 [F] Constantes chimiques

Couples redox E0 en voltsPb2+ + 2eminus larrrarr Pb minus0120Sn2+ + 2eminus larrrarr Sn minus0140Fe2+ + 2eminus larrrarr Fe minus0441Zn2+ + 2eminus larrrarr Zn minus0762Mn2+ + 2eminus larrrarr Mn minus1180Al3+ + 3eminus larrrarr Al minus1660Na+ + eminus larrrarr Na minus2715Ca2+ + 2eminus larrrarr Ca minus2763Ba2+ + 2eminus larrrarr Ba minus2900K+ + eminus larrrarr K minus2924

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 193

Annexe GTableau peacuteriodique

1re colonne alkalins meacutetalliques

2e colonne alkalino terreux

Colonnes 3ndash11 meacutetaux de transition

Colonne 17 halogegravenes

Colonnes 18 gaz rares

Gaz noble Meacutetaux

Meacutetaux de transition Alkalin meacutetaliques

Halogegravene Espegravece rare

Non meacutetaux Alkalino terreux

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 194

194 [G] Tableau peacuteriodique

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1I H

hydrogegravene

10083 4 numeacutero atomique minusrarr 6

II Li Be C larrminus symbolelithium beacuteryllium nom de lrsquoeacuteleacutement minusrarr carbone

694 901 1201 larrminusmasse atomique11 12

III Na Mgsodium magneacutesium

2299 243119 20 21 22 23 24 25 26 27

IV K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Copotassium calcium scandium titane vanadium chrome manganegravese fer cobalt

3910 4008 4496 4788 5094 5200 5494 5585 589337 38 39 40 41 42 43 44 45

V Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rhrubidium strontium yttrium zirconium niobium molybdegravene techneacutetium rutheacutenium rhodium

8547 8762 8891 9122 9221 9594 9891 1011 102955 56 57 72 73 74 75 76 77

VI Cs Ba La Hf Ta W Re Os Irceacutesium baryum lanthane hafnium tantale tungstegravene rheacutenium osmium iridium

1329 1373 1389 1785 1809 1839 1862 1902 192287 88 89

VII Fr Ra Acfrancium radium actinium

2230 2260 2270

58 59 60 61 62Ce Pr Nd Pm Smceacuterium praseacuteodyme neacuteodyme promeacutethium samarium

1401 1409 1442 1449 150490 91 92 93 94Th Pa U Np Pu

thorium protactinium uranium neptunium plutonium

2320 2310 2380 2370 2441

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 195

195

10 11 12 13 14 15 16 17 18

2Heheacutelium

40035 6 7 8 9 10B C N O F Nebore carbone azote oxygegravene fluor neacuteon

1081 1201 1401 1600 1900 201813 14 15 16 17 18Al Si P S Cl Ar

aluminium silicium phosphore soufre chlore argon

2698 2809 3097 3207 3545 399528 29 30 31 32 33 34 35 36Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Krnickel cuivre zinc gallium germanium arsenic seacuteleacutenium brome krypton

5869 6355 6539 6972 7259 7492 7896 7990 838046 47 48 49 50 51 52 53 54Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

palladium argent cadmium indium eacutetain antimoine tellure iode xeacutenon

1064 1079 1124 1148 1187 1218 1276 1269 131378 79 80 81 82 83 84 85 86Pt Au Hg Ti Pb Bi Po At Rn

platine or mercure thallium plomb bismuth polonium astate radon

1951 1970 2006 2044 2072 2090 2100 2100 2220

63 64 65 66 67 68 69 70 71Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

europium gadolinium terbium dysprosium holmium erbium thulium ytterbium luteacutetium

1520 1573 1589 1625 1649 1673 1689 1730 175095 96 97 98 99 100 101 102 103Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

ameacutericium curium berkeacutelium californium einstenium fermium mendeacutelevium nobeacutelium lawrencium

2431 2471 2471 2521 2521 2571 2561 2591 2601

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 196

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 197

Index

Abel (lemme drsquondash) 51absorption 137accroissements finis

(theacuteoregraveme des) 39activiteacute 164adheacuterence 29adiabatique (transformation ndash) 81adjoint (drsquoun

endormorphisme) 24affiniteacute 145Alembert

eacutequation drsquondash 132regravegle de drsquondash 49theacuteoregraveme de drsquondash 10

algegravebre 5Ampegravere (theacuteoregraveme drsquondash) 121amplificateur opeacuterationnel 73angles remarquables 177anneau 3application

composition 11injective 11lipschitizienne 37surjective 11

application lineacuteaire 12ndash17image 15 16noyau 15 16rang 15

application lineaire

spectre 26approximation des eacutetats quasi

stationnaires (AEQS) 149arrangement 5Arrheacutenius (loi drsquondash) 149asymptote 61asymtote 63auto-induction 126automorphisme 15automorphismes

orthogonaux 25avancement drsquoune reacuteaction 148

base 13changement de ndash 19duale 14

Bertrandseacuterie de ndash 48

Bessel (ineacutegaliteacute de ndash) 23Bezout

eacutegaliteacute de 9Bezout (theacuteoregraveme de ndash) 7binocircme (de Newton) 6Binet (formules de ndash) 100Biot et Savart (loi de ndash) 121Bolzano-Weiertrass

(theacuteoregraveme de ndash) 35boule

fermeacutee 28ouverte 28

branche infinie 61

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198 INDEX

branche parabolique 61

capaciteacutes thermiques 78Cauchy

critegravere de ndash 49produit de ndash 50regravegle de ndash 49suite de ndash 30

Cauchy-Lipschitz (theacuteoregravemede ndash) 45

Cauchy-Schwarz (ineacutegaliteacute de ndash)22

Cayley-Hamilton (theacuteoregraveme de ndash) 27

centre drsquointertie (theacuteoregravemedu ndash) 91

chaleur latente 83champ

gravitationnel 119magneacutetostatique 121

champeacutelectrostatique 118

changement de reacutefeacuterentiel 90Chasles (relation de ndash) 43cineacutetique chimique 148Clapeyron (relation de ndash) 83classe (drsquoune fonction) 39classe drsquoeacutequivalence 2codimension 14coefficients

thermoeacutelastiques 77combinaison 6compacte (partie) 29complegravete (partie ndash) 30complexe (nombre ndash) 32ndash33composition

des acceacuteleacuterations 90des vitesses 90

conduction de la chaleur 85coniques 68conjugueacute (drsquoun nombre complexe)

32connexiteacute par arcs 30constante

drsquoeacutecran 143drsquoaciditeacute 167

de vitesse (drsquoune reacuteaction) 148continuiteacute 36continuiteacute uniforme 37convection 85convegence

simple (seacuterie drsquoapplications)55

convergenceabsolue (seacuterie drsquoapplications)

55absolue (seacuterie) 50normale (seacuterie drsquoapplications)

55normale (seacuterie de Fourier) 57semi-convergence (seacuterie) 50simple (suite drsquoapplications)

52theacuteoregraveme de ndash domineacutee (suite

drsquoapplications) 54theacuteoregraveme de ndashmonotone (suite

drsquoapplications) 54uniforme (seacuterie drsquoapplications)

55uniforme (suite drsquoapplications)

52convexiteacute 40convexiteacute (ineacutegaliteacute de ndash) 40coordonneacutees

carteacutesiennes 88cylindriques 88polaires 62spheacuteriques 89

Coriolisacceacuteleacuteration de ndash 90force de ndash 90

corps 4Coulomb (lois de ndash) 105couple

redox 163courbure 64Cramer (systegraveme de ndash) 21

deacuteriveacutee 38partielle 58selon un vecteur 58

deacuterivabiliteacute 39deacuteterminant 19

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 199

INDEX 199

deacuteveloppements limiteacutes 175degreacute (drsquoun polynocircme) 8Descartes (loi de ndash) 106dieacutelectriques (milieux ndash) 138diagonalisabiliteacute 27diagramme

binaires 160ndash163drsquoEllingham 165E-pH 166intensiteacute-potentiel 168

diffeacuteomorphisme 40diffraction 116ndash118diffusion

eacutequation de ndash 67de chaleur 85

direction asymptotique 61 63Dirichlet (theacuteoregraveme de ndash) 57dispersion 137

relation de 134divisibiliteacute

dans N 6dans K[X] 9

division euclidiennedrsquoun polynocircme 9dans N 6

domination (theacuteoregraveme de ndash) 42

eacutelectrostatique 118endomorphisme 15

adjoint 24eacutenergie

cineacutetique 93cineacutetique (du solide) 101interne 77meacutecanique 93magneacutetique 127potentielle 94

enthalpie 78entropie 80eacutequation

drsquoonde 132diffeacuterentielle 66redox 164

eacutequation diffeacuterentielle 44lineacuteaire du premier ordre 44

lineacuteaire du second ordre 45eacutequilibre 94

stabiliteacute drsquoun ndash 95espace

euclidien 30preacutehilbertien 30vectoriel 5 12ndash17vectoriel normeacute 27ndash31

extremum local 59

factorielle 5famille

geacuteneacuteratrice 13libre 13

Faraday (loi de ndash) 126 128fermeacute 28filtre 71ndash73flux

du champ magneacutetique 126thermique 85

fonctionde plusieurs variables 58de transfert 71reacuteelle de la variable

reacuteelle 35ndash38trigonomeacutetrique

reacuteciproque 38fonctions implicites (theacuteoregraveme

des ndash) 59force

centrale 99drsquoinertie 90de Lorentz 98

formelineacuteaire 14quadratique 22

forttements solide 105Fourier

loi de ndash 85seacuteries de ndash 57

fraction rationnelle 10ndash11Fresnel

miroirs de ndash 115principe drsquoHuyghens ndash 116

Gaussapproximation de ndash 107

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200 INDEX

theacuteoregraveme de ndash 7 119gaz parfait 76Gibbs

regravegle des phases de ndash 159relation deGibbsndashDuhem 153relation de GibbsndashHelmoltz

153gradient 58Grassman (formule de ndash) 17groupe 2

cyclique 3geacuteneacuterateurs de ndash 3monogegravene 3

Heine (theacuteoregraveme de ndash) 37Henry (loi de ndash) 160Hess (loi de ndash) 157Hund (principe de ndash) 145hysteacuteresis 130

ideacuteal 4identiteacutes thermodynamiques 80ineacutegaliteacute de la moyenne 41induction

de Lorentz 128de Neumann 126

inertie (force drsquondash) 90injective 11inteacutegrale

deacutependant drsquoun paramegravetre43

de Riemann 42impropre 43

inteacutegration 41ndash44inteacuterieur (drsquoune partie) 29interfeacuterences 109ndash116interfeacuteromegravetre

de Fabry-Perot 115de Michelson 112

intgreacuteationpar parties 41

isomorphisme 15

jauge de Lorentz 124

Kœnig (theacuteoregravemes de ndash) 92 93103 104

Kepler (lois de ndash) 100Klechkowsky (regravegle de ndash) 145

lames agrave retard 135Laplace (force de ndash) 122Le Chacirctelier (loi de ndash) 159Leibniz (formule de ndash) 39lemme drsquoAbel 51lentille mince 108Lenz (loi de ndash) 126limite 36lipschitzienne (application ndash) 37loi

drsquoArrheacutenius 149drsquoOhm 125de Biot et Savart 121de composition 2de Faraday 126 128de Fourier 85de Hess 157de Le Chacirctelier 159de Lenz 126de Planck 86de Pouillet 69de Raoult 160de SnellndashDescartes 106 140de Stefan 87de Vanrsquot Hoff 149des mailles 69des noeuds 69

longueur (drsquoun arc) 64

machinesthermiques 83

magneacutetostatique 121Malus (theacuteoregraveme de ndash) 110mateacuteriaux magneacutetiques 129matrice 17ndash22

exponentielle de ndash 19inverse 20opeacuterations 18produit 18

Maxwelleacutequations de ndash dans le vide

123

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INDEX 201

eacutequations de ndash dans lesmilieux 139

eacutequation de ndash en ARQS 129Minkowski (ineacutegaliteacute de ndash) 23miroirs

de Fresnel 115spheacuteriques 107

modes propres 131module (drsquoun nombre complexe)

32Moivre (formule de ndash) 33moment cineacutetique 92

theacuteoregraveme du ndash 92 103multipliciteacute (des racines) 10

Nernst (formule de ndash) 164Newton

binocircme de ndash 6nombre

drsquooxydations 163entier 5ndash7premier 7quantique 143rationnel 5ndash7

normeeacutequivalente 28euclidienne 22

Ohm (loi drsquondash) 125onde

eacutelectromagneacutetique 134ndash140eacutequation drsquondash 132lumineuse 109plane progressive 133stationnaire 133

orbitaleatomique 144moleacuteculaire 147

orthogonaliteacute 23oscillateurs 95

coupleacutes 131ouvert 28oxydo-reacuteduction 163

paramagneacutetisme 129Parseval (eacutegaliteacute de ndash) 57

Pauli (principe de ndash) 145pgcd dans Z 7pKa 167Planck (loi de ndash) 86point

bireacutegulier 59reacutegulier 59

polarisationdrsquoun dieacutelectrique 138de la lumiegravere 135

polynocircme 8ndash11caracteacuteristique 26scindeacute 10

potentieleacutelectrique 118chimique 154redox 164

Pouillet (loi de ndash) 69Poynting (vecteur de ndash) 124Poyting (vecteur de ndash) 136ppcm dans Z 7premier principe (thermodynamique)

77primitives usuelles 173principe fondamental de la

dynamique 91prisme 107produit scalaire 22projecteur 16puissance

drsquoune force 93 104rayonneacutee 136

puissance eacutelectromagneacutetique 123Pythagore (theacuteoregraveme de ndash) 30

reacutefeacuterentielchangement de ndash 90galileacuteen 91

reacuteflextion drsquoune onde 140reacutesultante cineacutetique (theacuteoregraveme de

la ndash) 103regravegle

de Klechkowsky 145regravegle des xα f (x) 42

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202 INDEX

racinedrsquoun polynocircme 10niegravemes drsquoun complexe 33niegravemes de lrsquouniteacute 33

rangdrsquoune application lineacuteaire 15formule du ndash 15

Raoult (loi de ndash) 160rayon de courbure 64relation

binaire 1drsquoeacutequivalence 1drsquoordre 1de conjugaison 108de dispersion 134de structure 134

Riemanninteacutegrale de ndash 42seacuterie de ndash 48somme de ndash 41

Rolle (theacuteoregraveme de ndash) 39roulement sans glissement 101 105

seacuterie 47ndash51alterneacutee 49de Bertrand 48de Fourier 57de Riemann 48geacuteomeacutetrique 48produit de Cauchy 50

seacuterie entiegravere 51ndash52deacuterivation 51inteacutegration 51rayon de convergence 51

Schwarz (theacuteoregraveme de ndash) 59SnellndashDescartes (loi de ndash) 140solide (meacutecanique du ndash) 101somme de Riemann 41somme directe 12sous-anneau 4sous-espace

suppleacutementaire 13sous-espace propre 26sous-groupe 3spectroscopie 141Stefan (loi de ndash) 87

Stirling (formule de ndash) 50suite 34ndash35

adjacente 35arithmeacutetique 34extraite 35geacuteomeacutetrique 34

suppleacutementaire (sous-espaces) 13surjective 11susceptibiliteacute

eacutelectrique 139magneacutetique 129 130

symeacutetrie 16drsquoune courbe parameacutetreacutee 61drsquoune courbe polaire 63

systegraveme lineacuteaire 21de Cramer 21

tangente (agrave une courbe) 60Taylor-Lagrange

ineacutegaliteacute de ndash 40Taylor-Young (formule de ndash) 40tempeacuterature drsquoinversion 158Theacuteoregraveme

de Dirichlet 57de Scharz 59

theacuteoregravemedrsquoeacutequivalence 42de domination 42de Rolle 39des accroissements finis 39

topologie 27torseur cineacutetique 101

valeur drsquoadheacuterence 29valeur propre 26Van der Waals (gaz de ndash) 77Vanrsquot Hoff (loi de ndash) 149variance 159vecteur propre 26vitesse

drsquoentraicircnement 90de groupe 137de phase 137de reacuteaction 148quadratique moyenne 76

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 203

INDEX 203

voisinage 29

Weierstrassdeuxiegraveme theacuteoregraveme de ndash 54premier theacuteoregraveme de ndash 54

Young (trous drsquondash) 111

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jrsquointegravegre

matheacutematiques

physique

chimie

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  • Table des matiegraveres
    • Avant-propos
    • Chapitre 1 Matheacutematiques
      • 1 Algegravebre
        • 11 Relations
        • 12 Structures algeacutebriques
        • 13 Nombres entiers nombres rationnels
        • 14 Arithmeacutetique dans Z
        • 15 Polynocircmes et fractions rationnelles
        • 16 Geacuteneacuteraliteacutes sur les applications
        • 17 Applications lineacuteaires ndash Espaces vectoriels
        • 18 Matrices ndash Deacuteterminants ndash Systegravemes lineacuteaires
        • 19 Espaces vectoriels euclidiens
        • 110 Reacuteduction des endomorphismes
          • 2 Analyse
            • 21 Espaces vectoriels normeacutes
            • 22 Nombres reacuteels
            • 23 Nombres complexes
            • 24 Suites
            • 25 Fonctions reacuteelles de la variable reacuteelle
            • 26 Deacuterivation
            • 27 Inteacutegration
            • 28 Eacutequations diffeacuterentielles
            • 29 Seacuteries
            • 210 Seacuteries entiegraveres
            • 211 Suites et seacuteries drsquoapplications
            • 212 Seacuteries de Fourier
            • 213 Fonctions de plusieurs variables
              • 3 Geacuteomeacutetrie
                • 31 Courbes du plan
                • 32 Proprieacuteteacutes meacutetriques des courbes
                    • Chapitre 213Physique
                      • 0 Eacuteleacutements de matheacutematiques
                        • 01 Diffeacuterentielles
                        • 02 Eacutequations diffeacuterentielles
                        • 03 Coniques
                          • 1 Eacutelectronique
                            • 11 Lois geacuteneacuterales
                            • 12 Reacutegime variable
                            • 13 Montages avec amplificateur opeacuterationnel
                              • 2 Thermodynamique
                                • 21 Gaz parfait
                                • 22 Premier et second principes de la thermodynamique
                                • 23 Changements de phase drsquoun corps pur
                                • 24 Machines thermiques
                                • 25 Diffusion thermique
                                • 26 Rayonnement thermique
                                  • 3 Meacutecanique du point
                                    • 31 Cineacutematique
                                    • 32 Changement de reacutefeacuterentiel
                                    • 33 Lois geacuteneacuterales de la meacutecanique
                                    • 34 Oscillateurs
                                    • 35 Mouvement drsquoune particule chargeacutee
                                    • 36 Systegravemes de deux points mateacuteriels
                                      • 4 Meacutecanique du solide
                                        • 41 Cineacutematique du solide
                                        • 42 Theacuteoregravemes geacuteneacuteraux de la dynamique
                                        • 43 Contacts entre les solides
                                          • 5 Optique
                                            • 51 Geacuteneacuteraliteacutes
                                            • 52 Optique geacuteomeacutetrique
                                            • 53 Interfeacuterences lumineuses
                                            • 54 Interfeacuteromegravetre de Michelson
                                            • 55 Autres dispositifs drsquointerfeacuterences
                                            • 56 Diffraction des ondes lumineuses
                                              • 6 Eacutelectromagneacutetisme
                                                • 61 Eacutelectrostatique
                                                • 62 Magneacutetostatique
                                                • 63 Eacutequations de Maxwell dans le vide
                                                • 64 Conduction meacutetallique
                                                • 65 Induction dans un circuit fixe avec B variable
                                                • 66 Induction dans un circuit mobile soumis agrave B stationnaire
                                                • 67 Mateacuteriaux magneacutetiques
                                                  • 7 Ondes
                                                    • 71 Oscillateurs coupleacutes
                                                    • 72 Eacutequation de drsquoAlembert - Ondes stationnaires
                                                    • 73 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans le vide
                                                    • 74 Dispersion ndash Absorption
                                                    • 75 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans les milieux mateacuteriels
                                                        • Chapitre 3 Chimie
                                                          • 1 Atomistique
                                                            • 11 Spectroscopie
                                                            • 12 Modegravele ondulatoire
                                                            • 13 Atome polyeacutelectronique
                                                            • 14 Architecture moleacuteculaire
                                                            • 15 Orbitales moleacuteculaires
                                                              • 2 Cineacutetique
                                                              • 3 Cristallographie
                                                                • 31 Geacuteneacuteraliteacutes
                                                                • 32 Mailles et sites dans les cristaux meacutetalliques
                                                                • 33 Cristaux ioniques
                                                                  • 4 Thermodynamique
                                                                    • 41 Fonctions drsquoeacutetat
                                                                    • 42 Potentiel chimique
                                                                    • 43 Grandeurs standards de reacuteaction
                                                                    • 44 Eacutequilibres chimiques
                                                                    • 45 Eacutequilibres liquidendashvapeur
                                                                    • 46 Reacuteactions drsquooxydoreacuteduction
                                                                      • 5 Mateacuteriaux meacutetalliques
                                                                        • 51 Diagrammes drsquoEllingham
                                                                        • 52 Diagrammes potentiel-pH
                                                                        • 53 Courbes intensiteacutendashpotentiel
                                                                        • 54 Corrosion
                                                                            • Annexe A13Primitives usuelles
                                                                            • Annexe B13Deacuteveloppements limiteacutes
                                                                            • Annexe C Formules13trigonomeacutetriques
                                                                              • 1 Angles remarquables
                                                                              • 2 Relations trigonomeacutetriques
                                                                                • Annexe D13Opeacuterateurs vectoriels
                                                                                  • 1 Notations
                                                                                  • 2 Gradient
                                                                                  • 3 Divergence
                                                                                  • 4 Rotationnel
                                                                                  • 5 Laplacien13
                                                                                  • 6 Relations entre les opeacuterateurs
                                                                                  • 7 Theacuteoregravemes geacuteomeacutetriques
                                                                                    • Annexe E Uniteacutes et constantes13fondamentales
                                                                                      • 1 Uniteacutes du Systegraveme International
                                                                                        • 11 Uniteacutes principales du systegraveme international
                                                                                        • 12 Uniteacutes secondaires du systegraveme international
                                                                                        • 13 Uniteacutes courantes du systegraveme international
                                                                                        • 14 Multiples deacutecimaux pour les uniteacutes
                                                                                          • 2 Constantes fondamentales
                                                                                          • 3 Ordres de grandeurs
                                                                                            • Annexe F13Constantes chimiques
                                                                                            • Annexe G13Tableau peacuteriodique
                                                                                              • Index
Page 6: 4 Le formuLaire mpsi, mp... 6493233 isBn 978-2-10-051941-5 lionel porcheron ingenieur de l’enseeiht à toulouse. • Toutes les formules et définitions du pro-gramme de mpsi et

Chapitre 0 mformulairetex 2772008 2251Page V

Table des matiegraveres

Avant-propos IX

Chapitre 1 Matheacutematiques 11 Algegravebre 1

11 Relations 112 Structures algeacutebriques 213 Nombres entiers nombres rationnels 514 Arithmeacutetique dans Z 715 Polynocircmes et fractions rationnelles 816 Geacuteneacuteraliteacutes sur les applications 1117 Applications lineacuteaires ndash Espaces vectoriels 1218 Matrices ndash Deacuteterminants ndash Systegravemes lineacuteaires 1719 Espaces vectoriels euclidiens 22110 Reacuteduction des endomorphismes 26

2 Analyse 2721 Espaces vectoriels normeacutes 2722 Nombres reacuteels 3123 Nombres complexes 3224 Suites 3425 Fonctions reacuteelles de la variable reacuteelle 3526 Deacuterivation 3827 Inteacutegration 4128 Eacutequations diffeacuterentielles 4429 Seacuteries 47210 Seacuteries entiegraveres 51211 Suites et seacuteries drsquoapplications 52

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VI Table des matiegraveres

212 Seacuteries de Fourier 57213 Fonctions de plusieurs variables 58

3 Geacuteomeacutetrie 5931 Courbes du plan 5932 Proprieacuteteacutes meacutetriques des courbes 64

Chapitre 2 Physique 65

0 Eacuteleacutements de matheacutematiques 6501 Diffeacuterentielles 6502 Eacutequations diffeacuterentielles 6603 Coniques 68

1 Eacutelectronique 6911 Lois geacuteneacuterales 6912 Reacutegime variable 7013 Montages avec amplificateur opeacuterationnel 73

2 Thermodynamique 7621 Gaz parfait 7622 Premier et second principes de la thermodynamique 7723 Changements de phase drsquoun corps pur 8124 Machines thermiques 8325 Diffusion thermique 8526 Rayonnement thermique 86

3 Meacutecanique du point 8831 Cineacutematique 8832 Changement de reacutefeacuterentiel 9033 Lois geacuteneacuterales de la meacutecanique 9134 Oscillateurs 9535 Mouvement drsquoune particule chargeacutee 9836 Systegravemes de deux points mateacuteriels 99

4 Meacutecanique du solide 10141 Cineacutematique du solide 10142 Theacuteoregravemes geacuteneacuteraux de la dynamique 10343 Contacts entre les solides 104

5 Optique 10551 Geacuteneacuteraliteacutes 10552 Optique geacuteomeacutetrique 10653 Interfeacuterences lumineuses 10954 Interfeacuteromegravetre de Michelson 11255 Autres dispositifs drsquointerfeacuterences 11556 Diffraction des ondes lumineuses 116

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Table des matiegraveres VII

6 Eacutelectromagneacutetisme 11861 Eacutelectrostatique 11862 Magneacutetostatique 12163 Eacutequations de Maxwell dans le vide 12364 Conduction meacutetallique 12565 Induction dans un circuit fixe avec BBB variable 12666 Induction dans un circuit mobile soumis agrave BBB stationnaire 12867 Mateacuteriaux magneacutetiques 129

7 Ondes 13171 Oscillateurs coupleacutes 13172 Eacutequation de drsquoAlembert - Ondes stationnaires 13273 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans le vide 13474 Dispersion ndash Absorption 13775 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans les milieux mateacuteriels 138

Chapitre 3 Chimie 1411 Atomistique 141

11 Spectroscopie 14112 Modegravele ondulatoire 14213 Atome polyeacutelectronique 14314 Architecture moleacuteculaire 14515 Orbitales moleacuteculaires 147

2 Cineacutetique 148

3 Cristallographie 15031 Geacuteneacuteraliteacutes 15032 Mailles et sites dans les cristaux meacutetalliques 15033 Cristaux ioniques 152

4 Thermodynamique 15341 Fonctions drsquoeacutetat 15342 Potentiel chimique 15443 Grandeurs standards de reacuteaction 15544 Eacutequilibres chimiques 15745 Eacutequilibres liquidendashvapeur 16046 Reacuteactions drsquooxydoreacuteduction 163

5 Mateacuteriaux meacutetalliques 16551 Diagrammes drsquoEllingham 16552 Diagrammes potentiel-pH 16653 Courbes intensiteacutendashpotentiel 16854 Corrosion 170

Annexe A Primitives usuelles 173

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VIII Table des matiegraveres

Annexe B Deacuteveloppements limiteacutes 175

Annexe C Formules trigonomeacutetriques 1771 Angles remarquables 177

2 Relations trigonomeacutetriques 178

Annexe D Opeacuterateurs vectoriels 1811 Notations 181

2 Gradient 182

3 Divergence 183

4 Rotationnel 183

5 Laplacien 184

6 Relations entre les opeacuterateurs 185

7 Theacuteoregravemes geacuteomeacutetriques 186

Annexe E Uniteacutes et constantes fondamentales 1871 Uniteacutes du Systegraveme International 187

11 Uniteacutes principales du systegraveme international 18712 Uniteacutes secondaires du systegraveme international 18813 Uniteacutes courantes du systegraveme international 18814 Multiples deacutecimaux pour les uniteacutes 188

2 Constantes fondamentales 189

3 Ordres de grandeurs 189

Annexe F Constantes chimiques 191

Annexe G Tableau peacuteriodique 193

Index 197

Chapitre 0 mformulairetex 2772008 2251Page IX

Avant-propos

La quatriegraveme eacutedition de ce formulaire rassemble les principaux reacutesultats descours de matheacutematiques de physique et de chimie eacutetablis tout au long desdeux anneacutees de classes preacuteparatoires dans la filiegravere MP Cette nouvelle eacutedi-tion srsquoameacuteliore encore un peu avec lrsquoapparition de la couleur Ce formulairesrsquoaveacuterera fort utile aussi bien pendant votre laquo preacutepa raquo que lorsque la peacuteriodefatidique des concours approchera

Il a eacuteteacute scindeacute en trois parties les parties relatives aux matheacutematiques agravela physique et agrave la chimie chacune drsquoentre elles rassemblant les principauxreacutesultats eacutetablis en cours pour chacune des filiegraveres auxquelles srsquoadresse cetouvrage Agrave la fin de lrsquoouvrage figurent en annexes les donneacutees qui ne sontpas neacutecessairement agrave connaicirctre mais qui sont neacuteanmoins fort utiles au quo-tidien

Un effort tout particulier a eacuteteacute fait pour rendre ces formules les plus laquo li-sibles raquo possible en deacutetaillant la signification de chaque symbole et en preacute-cisant bien agrave chaque fois les conditions drsquoapplication de ces formules Sou-lignons tout de mecircme que lrsquoapprentissage de ces formules ne se substituepas agrave lrsquoapprentissage du cours

Merci agrave tous ceux qui ont accepteacute de collaborer agrave cet ouvrage et en particu-lier agrave Pascal OLIVE et Jean-Marie MONIER pour leur consciencieuse relec-ture respective des parties physique et matheacutematiques agrave Bruno COURTETpour avoir parfaitement assureacute le suivi de ce nouveau venu dans la collec-tion laquo Jrsquointegravegre raquo

Lionel PORCHERONlionelporcheronfreefr

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Chapitre 1Matheacutematiques

1 Algegravebre

11 Relations

Proprieacuteteacutes drsquoune relation binaireSoitR une relation binaire dans E elle est dite reacuteflexive si et seulement si forallx isin E xRx

symeacutetrique si et seulement si forall(x y) isin E2 xRy =rArr yRx

antisymeacutetrique si et seulement si forall(x y) isin E2 xRyyRx

=rArr x = y

transitive si et seulement si forall(x y z) isin E3 xRyyRz

=rArr xRz

Relation drsquoordre

Une relation binaireR de E est dite relation drsquoordre si et seulement siR est reacuteflexive antisymeacutetrique et transitive

Relation drsquoeacutequivalence

Une relation binaireR de E est une relation drsquoeacutequivalence si et seule-ment siR est reacuteflexive symeacutetrique et transitive

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2 [1] Matheacutematiques

Classe drsquoeacutequivalence

SoitR une relation drsquoeacutequivalence dans E pour x isin E on appelle classedrsquoeacutequivalence de x (moduloR) lrsquoensemble deacutefini par

clR(x) = y isin E xRy

Ensemble-quotient

On appelle ensemble-quotient de E parR et on note ER lrsquoensembledes classes drsquoeacutequivalence moduloR

ER = clR x isin E

12 Structures algeacutebriques

Lois de compositions

On appelle loi interne toute application de Etimes Erarr E

Un loi lowast est dite associative si et seulement si forall(x y z) isin E3 x lowast (y lowast z) = (x lowast y) lowast z

Une loi lowast interne est dite commutative si et seulement si

forall(x y) isin E2 x lowast y = y lowast xOn dit que e est un eacuteleacutement neutre pour lowast si et seulement si

forallx isin E x lowast e = e lowast x = xOn appelle symeacutetrique de x isin E un eacutelement de E noteacute xminus1 veacuterifiant

xminus1 lowast x = x lowast xminus1 = eOn dit que rHE est stable par lowast si et seulement si

forall(x y) isin H2 x lowast y isin H

Groupe

Un ensemble muni drsquoune loi interne (G middot) est un groupe si et seule-ment si ndash middot est associative ndash middot admet un eacuteleacutement neutre e ndash tout eacuteleacutement de G admet un symeacutetrique pour la loi middotSi la loi middot est commutative on dit que le groupe G est abeacutelien ou com-mutatif

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 3

1 Algegravebre 3

Sous-groupe

Soit (G middot) un groupe Une partie H de G est un sous groupe de G si etseulement si ndash H est stable par la loi middot ndash H contient lrsquoeacuteleacutement neutre ndash forallx isin H xminus1 isin H

Groupe commutatif

ndash (ZnZ+) est un groupe commutatifndash lrsquoapplication pn Zrarr (ZnZ)

x 7rarr x mod n appeleacutee surjection canonique est

un morphisme surjectif de groupes

Geacuteneacuterateurs du groupe

Les geacuteneacuterateurs du groupe (ZnZ+) sont les k avec k isin Z et k and n =1

Groupe monogegravene ndash Groupe cyclique

ndash Un groupe G est dit monogegravene si et seulement srsquoil admet un geacuteneacutera-teur crsquoest-agrave-dire si et seulement srsquoil existe a isin G tel que G =lt a gtndash Un groupe G est dit cyclique si et seulement si G est monogegravene etfini

Anneau

Un ensemble A muni de deux lois internes noteacutees + et middot est un anneausi et seulement si ndash (A+) est un groupe commutatif drsquoeacuteleacutement neutre 0A ndash middot est associative et admet un eacuteleacutement neutre 1A ndash middot est distributive par rapport agrave + crsquoest-agrave-dire

forall(x y z) isin A3 x middot (y + z) = (x middot y) + (x middot z) (x + y) middot z = (x middot z) + (y middot z)

Si middot est commutative on dit que lrsquoanneau A est commutatifc copyDuno

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4 [1] Matheacutematiques

Anneau integravegre

On dit qursquoun anneau (A+ middot) est integravegre si et seulement si A est com-mutatif et

forall(x y) isin A2 (x middot y = 0A)rArr (x = 0A ou y = 0A)

Sous-anneau

Soit (A+ middot) un anneau B une partie de A est un sous-anneau si etseulement si ndash (B+) est un sous groupe de (A+) ndash B est stable par middot ndash 1A isin B

Ideacuteal drsquoun anneau commutatif

I est dit un ideacuteal de A anneau commutatif avec I sub A si et seulementsrsquoil veacuterifie les proprieacuteteacutes

I 6= emptyforall(x y) isin I2 x + y isin Iforalla isin A forallx isin I ax isin I

Corps

Un ensemble (K+middot)muni de deux lois internes est un corps si et seule-ment si ndash (K+ middot) est un anneau commutatif ndash Tout eacuteleacutement de K0K est inversible par la loi middot

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 5

1 Algegravebre 5

Espace vectorielUn ensemble E est dit un K-espace vectoriel si E est non vide et sion dispose de deux lois une loi interne noteacutee + et drsquoune loi externe(Ktimes Erarr E) veacuterifiant (E+) est un groupe abeacutelien1 forall(λmicro) isin K2 forallx isin E (λ + micro)x = λx + microx

2 forallλ isin K forall(x y) isin E2 λ(x + y) = λx + λy

3 forall(λmicro) isin K2 forallx isin E λ(microx) = (λmicro)x4 forallx isin E 1x = x

AlgegravebreOn appelle K-algegravebre tout ensemble A muni drsquoune loi interne noteacutee +drsquoune loi externe Ktimes Ararr A et drsquoune loi interne noteacutee lowast veacuterifiant 1 (A+ middot) est un K-espace vectoriel2 lowast est distributive par rapport agrave +3 forallλ isin K forall(x y) isin A2 λ(x lowast y) = (λx) lowast y = x lowast (λy)Cette algegravebre est associative si et seulement si lowast est associative com-mutiative si et seulement si lowast est commutative unitaire si et seulementsi A admet un eacutelement neutre pour lowast

13 Nombres entiers nombres rationnels

Factorielle ndash Deacutefinition

n =n

prodk=1

k n factorielle nPar convention 0 = 1

Permutations

cardS(n) = nn factorielle n nombre de per-mutations drsquoun ensemble agrave n eacuteleacute-ments

Arrangements

Apn =

n(nminus p)

(n p) isin N2 avec p 6 n

On note Apn le nombre drsquoarrange-

ments de p eacuteleacutements agrave partir drsquounensemble de n eacuteleacutements (crsquoest-agrave-dire le nombre de p-uplets com-poseacutes drsquoeacuteleacutements deux agrave deux dis-tincts)

c copyDuno

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toriseacuteeestu

ndeacutelit

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6 [1] Matheacutematiques

Combinaisons

Cpn =

np(nminus p)

(n p) isin N2 avec p 6 nOn appelle combinaison (noteacuteeCpn) toute partie de cardinal p drsquoun

ensemble agrave n eacuteleacutements

Combinaisons ndash Proprieacuteteacutes

Cpn = C

nminuspn forall(n p) isin NtimesN

Cpn + C

p+1n = C

p+1n+1 forall(n p) isin NtimesZ

Binocircme de Newton

(x + y)n =n

sumk=0

Cknx

kynminuskn isin N(x y) isin A2 et xy = yx avec A unanneau commutatif

Divisibiliteacute

Soit (a b) isin Z2 on dit que a divise b si et seulement si il existe c isin Ztel que b = ac

Division euclidienne

forall(a b) isin ZtimesNlowast exist(q r) isin Z2 tel que a = bq + r et 0 6 r lt b

Q est archimeacutedien

forallε isin Qlowast+ forallA isin Qlowast+ existN isin Nlowast Nε gt A

Q est dense

x lt y =rArr (existz isin Qx lt z lt y) forall(x y) isin Q2

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 7

1 Algegravebre 7

14 Arithmeacutetique dans Z

Plus Grand Commun Diviseur (PGCD)Soit (x1 xn) isin Zn une famille drsquoentiers relatifs non tous nuls la fa-mille des diviseurs communs agrave tous les (xi)iisin[1n] admet un plus grandeacuteleacutement appeleacute plus grand commun diviseur

Plus Petit Commun Multiple (PPCM)Soit (x1 xn) isin Nn la famille des multiples communs non nulsaux (xi)iisin[1n] admet un plus petit eacuteleacutement appeleacute plus petit communmultiple

Nombres premiers entre euxSoient (x1 xn) isin (Zlowast)n ces nombres sont premiers entre eux si etseulement si ils veacuterifient la proprieacuteteacute pgcd(x1 xn) = 1

Theacuteoregraveme de BezoutSoient (x1 xn) isin (Zlowast)n pour que tous ces entiers soient premiersentre eux il faut et il suffit qursquoil existe (u1 un) isin Zn tel quen

sumi=1

xiui = 1

Theacuteoregraveme de Gauss

a|bcpgcd(a b) = 1 =rArr a|c forall(a b c) isin (Zlowast)3

Produit du PGCD par le PPCM

pgcd(a b) middot ppcm(a b) = |a middot b| forall(a b) isin (Zlowast)2

Nombres premiersOn dit qursquoun entier p isin N est premier si et seulement si p gt 2 et srsquoilveacuterifie

foralla isin Nlowast (a|p =rArr (a = 1 ou a = p))

Deacutecomposition en nombres premiersTout entier n isin N 0 1 admet une deacutecomposition unique en un pro-duit de nombres premiers agrave lrsquoordre pregraves des facteurs

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8 [1] Matheacutematiques

15 Polynocircmes et fractions rationnelles

Support drsquoune suite ndash Deacutefinition drsquoun polynocircme

Pour toute suite (an)nisinN de KN on apelle support lrsquoensemble des n isinN tels que an 6= 0

On appelle polynocircme agrave une indeacutetermineacutee agrave coefficients constantstoute suite de KN agrave support fini

Polynocircme agrave une indeacutetermineacutee

On note K[X] le corps des polynocircmes agrave une indeacutetermineacutee X agrave valeursdans K Tout eacuteleacutement P de K[X] peut srsquoeacutecrire sur la base canonique(Xn)nisinN sous la forme P = sum

nanX

n

Degreacute drsquoun polynocircme ndash Deacutefinition

deg P = max n isin Nan 6= 0 deg P degreacute du polynocircme P

Degreacute drsquoun polynocircme ndash Proprieacuteteacutes

deg(P + Q) 6 max(deg P degQ)

(PQ) isin K[X]

Lorsque deg P 6= degQ alors deg(P+Q)=max(deg P+degQ)

deg(PQ) = deg P + degQ

Produit

PQ = sumncnX

n

cn =n

sump=0

apbnminusp

P = sumnanX

n isin K[X]

Q = sumnbnX

n isin K[X]

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 9

1 Algegravebre 9

Composition

P Q = P(Q) = sumnanQ

nP Q polynocircme composeacuteP = sum

nanX

n isin K[X]

Q isin K[X]

Deacuterivation

Pprime = sumngt1

nanXnminus1 P = sum

nanX

n isin K[X]

Pprime polynocircme deacuteriveacute de P

Division euclidienne

forall(A B) isin (K[X])2 exist(Q R) isin (K[X])2A = BQ + R avec deg R ltdeg BQ quotient de la division euclidienne de A par BR reste de la division euclidienne de A par B

Divisibiliteacute dans K[X]

On dit que A divise P deux polynocircmes de K[X] si et seulement srsquoilexiste Q isin K[X] tel que P = AQOn appelle plus grand commun diviseur de (Pk)kisin[1n] isin (K[X] 0)le polynocircme de plus haut degreacute parmi les diviseurs des PkSoient (PQ) isin (K[X])2 ils sont dits premiers entre eux si et seulementsi leur plus grand commun diviseur est 1

Proprieacuteteacute de Gauss Soient A B et C trois polynocircmes non nuls deK[X] si A divise BC et si A et B sont premiers entre eux alors A diviseCSi A est premier avec B et avec C alors A est premier avec BC

Eacutegaliteacute de Bezout pour deux polynocircmesSoient A et B deux polynocircmes non nuls de K[X] Ces deux polynocircmessont premiers entre eux si et seulement si il existe un unique couple(UV) de polynocircmes de K[X] tels que

AU + BV = 1

Polynocircme irreacuteductibleUn polynocircme P isin K[X] est dit irreacuteductible si et seulement si deg P gt 1et si P nrsquoadmet comme diviseurs que les eacuteleacutements non nuls du corps Ket les multiples de lui-mecircmec copyDuno

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10 [1] Matheacutematiques

Fonction polynomiale

Agrave tout polynocircme P = sumnanX

n on associe la fonction polynomiale

P ξ 7rarrsumnanξ

n

Racine drsquoun polynocircme

P(α) = 0α est appeleacutee racine du polynocircmeP isin K[X] si elle veacuterifie la proprieacuteteacuteci-contre

Soit (α)iisinI famille des racines deux agrave deux distinctes du polynocircme PCe polynocircme peut alors srsquoexprimer sous la forme P = Qprod

iisinI(xminus αi)

mi

ougrave mi est la multipliciteacute de la racine αi et Q un polynocircme nrsquoayant pasde zeacutero dans K

Multipliciteacute drsquoune racine drsquoun polynocircme

P(mminus1)(α) = 0

P(m)(α) 6= 0

α est une racine P de multipli-citeacute m si elle veacuterifie la proprieacuteteacute ci-contre

Polynocircme scindeacuteUn polynocircme P isin K[X] est dit scindeacute sur K si et seulement si il existeλ isin K 0 et une famille drsquoeacuteleacutements non neacutecessairement distincts(xi)iisin[1n] tels que

P = λn

prodi=1

(Xminus xi)

Theacuteoregraveme de drsquoAlembert amp ConseacutequenceLe corps C est algeacutebriquement clos tout polynocircme non constant deK[X] admet au moins un zeacutero dans CConseacutequence Tout polynocircme non constant est scindeacute sur C

Fraction rationnelle ndash Deacutefinition

R =sumnanX

n

sumnbnX

n

R isin K(X) fraction rationnelleK(X) corps des fractions ration-nelles(an bn) isin K2 coefficients

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 11

1 Algegravebre 11

Zeacuteros et pocircles drsquoune fraction rationnelle

Soit R =P

Qisin K(X) avec (PQ) isin K[X]2 une fraction rationnelle

Si P et Q sont deux polynocircmes premiers entre eux - on appelle zeacuteros de R les zeacuteros de P- on appelle pocircles de R les zeacuteros de Q

Deacutecomposition en eacuteleacutements simples

R =P

Sα11 times middot middot middot times Sαn

n

R = E +n

sumi=1

αi

sumj=1

Cαi j

Sji

R isin K(X) une fraction ration-nelleSαi

i isin K[X] polynocircme irreacuteduc-tibles premiers deux agrave deux entreeuxforalliαi isin NlowastE isin K[X] partie entiegravere de R

16 Geacuteneacuteraliteacutes sur les applications

Application injective

forall(x y) isin E2

( f (x) = f (y) =rArr x = y)

Une application f est dite injec-tive si et seulement si elle veacuterifiela proprieacuteteacute ci-contre

Application surjective

forally isin F existx isin E f (x) = y

Une application lineacuteaire f de Edans F est dite surjective si etseulement si elle veacuterifie la pro-prieacuteteacute ci-contre

Composition de fonctions injectives de fonctions surjectives

g f injective rArr f injectiveg f surjective rArr g surjective f et g deux applicationsc copy

Duno

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 12

12 [1] Matheacutematiques

17 Applications lineacuteaires ndash Espaces vectoriels

Espace vectoriel ndash DeacutefinitionSoit E un ensemble muni drsquoune loi interne noteacutee + drsquoune loi externeKtimes Erarr E noteacutee middot telles que (E+) est un groupe abeacutelienforallλ isin K forall(x y) isin E2 λ(x + y) = λx + λyforall(λmicro) isin K2 forallx isin E (λ + micro)x = λx + microxforall(λmicro) isin K2 forallx isin E λ(microx) = (λmicro)xforallx isin E 1x = xUn tel ensemble est appeleacute K-espace vectoriel

Sous-espace vectorielSoit E un K-espace vectoriel et F sub E F est dit sous-espace vectorielde E si et seulement si il veacuterifie les proprieacuteteacutes suivantes (1) F 6= empty(2) forall(x y) isin F2 x + y isin F(3) forallλ isin K forallx isin F λx isin F

Sous-espace engendreacute par une partie

Vect(A) =⋂

FsubEFsupA

F

E K-espace vectorielA sub EVect(A) sous-espace vectorielengendreacute par AAutrement dit Vect(A)est le pluspetit sous-espace vectoriel de Econtenant A ou si A 6= empty lrsquoen-semble des combinaisons lineacuteairesdes eacuteleacutements de E

Somme directe de sous-espaces vectoriels

E = sumiisinI

Ei

forall(i j) isin I2 Ei capsumj 6=i

E j = 0

(Ei)iisinI famille de sous-espacesvectoriels drsquoun espace vectoriel ESi la somme des Ei veacuterifie les deuxproprieacuteteacutes ci-contre elle est ditedirecteDans ce cas forallx isin E il existe uneunique deacutecomposition x = sum

iisinIxi

avec xi isin Ei

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 13

1 Algegravebre 13

Sous-espaces vectoriels suppleacutementaires

E =oplus

iisinIEi

(Ei)iisinI famille de sous-espacesvectoriels drsquoun espace vectoriel EIls sont dits suppleacutementaires si etseulement srsquoils sont en somme di-recte et que leur somme est eacutegale agraveE

Famille geacuteneacuteratriceSoit (xi)iisinI une famille de vecteurs drsquoun espace vectoriel de E sur KOn dit que cette famille est geacuteneacuteratrice si et seulement si tout eacuteleacutementx de E peut srsquoexprimer comme combinaison lineacuteaire des xi crsquoest-agrave-direqursquoil existe une famille (λi)iisinI telle que x = sum

iisinIλixi

Famille libre

sumiisinI

λixi = 0 =rArr foralli isin I λi = 0(xi)iisinI famille de vecteurs de E(λi)iisinI famille de scalaires de KUne famille est libre si elle veacuterifiela proprieacuteteacute ci-contre

Proprieacuteteacutes fondamentales des famillesndash Toute sur-famille drsquoune famille geacuteneacuteratrice drsquoune famille geacuteneacuteratriceest geacuteneacuteratricendash Toute sous famille drsquoune famille libre est une famille libre

ndash Si (x1 xn) libre et (x1 xn xn+1) lieacutee alors xn+1 =n

sumi=1

λixi

ndash Une famille comportant le vecteur nul est lieacutee

Base drsquoun espace vectoriel ndash DeacutefinitionUne base de E est une famille de vecteurs (xi)iisinI de E libre et geacuteneacutera-triceAutres formulations une base est une famille libre maximale ou en-core une famille geacuteneacuteratrice minimale

Theacuteorie de la dimensionUn K-espace vectoriel est dit de dimension finie si et seulement si Eadmet au moins une famille geacuteneacuteratrice de dimension finieSoit E un K-espace vectoriel de dimension finie alors 1 E admet au moins une base de dimension finie2 Toutes les bases de E sont finies et ont le mecircme cardinal appeleacute di-mension de E et noteacute dim E

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 14

14 [1] Matheacutematiques

Theacuteoregraveme de la base incomplegraveteSoit E un K-espace vectoriel de dimension n et F = (x1 xr)unefamille libre de E Il y a au moins une faccedilon de compleacuteter F par nminus rvecteurs drsquoune base de E pour obtenir une base de E

Base duale deacutefinition

elowasti (e j) = δi j =

1 si i = j0 si i 6= j

E K-espace-vectorielElowast dual de EB = (e1 en) une base de EBlowast = (elowast1 e

lowastn) base de Elowast

Blowast est appeleacute base duale de BProprieacuteteacutes des familles libres et des familles geacuteneacuteratrices

Soient E un K-espace vectoriel de dimension nndash Toute famille libre de E comporte au plus n eacuteleacutementsndash Toute famille geacuteneacuteratrice de E comporte au moins n eacuteleacutements

Droite vectorielle ndash HyperplanOn appelle droit vectorielle tout sous-espace vectoriel de dimension 1On appelle hyperplan tout sous-espace vectoriel de dimension nminus 1drsquoun espace vectoriel de dimension n

CodimensionSoit F un sous-espace vectoriel de E il est dit de codimension finiesi et seulement si F admet au moins un suppleacutementaire de dimensionfinie dans E

Application lineacuteaire ndash Deacutefinition

forall(x y) isin E2 forallλ isin K

f (x + λy) = f (x) + λ f (y)

On dit que f est une application li-neacuteaire de E dans F si et seulementsi elle veacuterifie la proprieacuteteacute ci-contre

Forme lineacuteaire ndash DeacutefinitionOn appelle forme lineacuteaire une application lineacuteaire qui va de E dans lecorps de reacutefeacuterence K

Applications lineacuteaires et famille de vecteursforall f isin L(E F) et pour toute famille finie F drsquoeacuteleacutements de E ndash f (Vect(F )) = Vect( f (F ))ndash si F est lieacutee alors f (F ) est lieacutee

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 15

1 Algegravebre 15

ndash si f (F ) est libre alors F est librendash si f est bijective pour toute base B de E f (B) est une base de F

Image et noyau drsquoune application lineacuteaire ndash Deacutefinition

Im f = y isin Fexistx isin E f (x) = yOn appelle image de f le sous-espace vectoriel de F noteacute Im f deacute-fini ci-contre

Ker f = x isin E f (x) = 0On appelle noyau de f le sous-espace vectoriel de E noteacute Ker fdeacutefini ci-contre

Noyau drsquoune forme lineacuteaire

Le noyau drsquoune forme lineacuteaire autre que la forme nulle est un hyper-plan

Rang drsquoune application lineacuteaire ndash Deacutefinition

Soient E et F deux espaces vectoriels sur K et f une application lineacuteairede E dans F Si Im f est de dimension finie dim Im f srsquoappelle rangde f et se note rg f

Formule du rang

dim E = rg f + dim(Ker f )

E espace vectoriel de dimensionfinief application lineacuteairerg f rang de fKer f noyau de f

Isomorphisme ndash Endomorphisme ndash Automorphisme

ndash Un isomorphisme drsquoespaces vectoriels est une application lineacuteairede E dans F bijective

ndash Un endomorphisme de E est une application lineacuteaire de E dans E

ndash Un automorphisme est un endomorphisme bijectif On note GL(E)lrsquoensemble des automorphismes de E

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 16

16 [1] Matheacutematiques

Endomorphisme nilpotentOn dit qursquoun endomorphisme f drsquoun K-espace-vectoriel E est nil-potent si et seulement si existp isin Nlowast tel que f p = 0 Lrsquoordre de nilpotenceest alors le plus petit p isin Nlowast tel que f p = 0

Applications lineacuteaires ndash Cas de la dimension finie

(1) f isomorphisme(2) f injective(3) f surjective(4) rg f = n

E et F deux espaces vectoriels demecircme dimension n sur Kf isin L(E F)Les propositions ci-contre sontdeux agrave deux eacutequivalentes

(1) f automorphisme(2) f injective(3) f surjective(4) rg f = n

E espace vectoriel de dimensionn sur Kf isin L(E)Les propositions ci-contre sontdeux agrave deux eacutequivalentes

Image et noyau drsquoune application lineacuteaire ndash Proprieacuteteacutes

f surjective lArrrArr Im f = Ff injective lArrrArr Ker f = 0 f application lineacuteaire de E dans F

Projecteur ndash Deacutefinition

p2 = p (1)

Un projecteur est une applicationlineacuteaire veacuterifiant la relation (1)p est alors le projecteur sur Im pparallegravelement agrave Ker p

Symeacutetrie ndash Deacutefinition

s2 = IdE

Une symeacutetrie est une applicationlineacuteaire veacuterifiant la relation ci-contre

p = 12 (s + IdE) est un projecteur

s est la symeacutetrie par rapportagrave Ker(s minus IdE) parallegravelement agraveKer(s + IdE)

Une symeacutetrie est une applicationlineacuteaire veacuterifiant les proprieacuteteacutes ci-contre

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 17

1 Algegravebre 17

Formule de Grassman

dim(A + B) = dim A + dim B minus dim(A cap B) ougrave A et B sont deuxsous-espaces vectoriels de E de dimensions finies

18 Matrices ndash Deacuteterminants ndash Systegravemes lineacuteaires

Ensemble des matrices

On noteMmn(K) lrsquoensemble des matrices agrave m lignes et n colonnes

Matrices et applications lineacuteaires

f (e j) =m

sumi=1

ai j fi

f application lineacuteaire de E dans Fdeux espaces vectoriels de dimen-sion finieM = (ai j)iisin[1m] jisin[1n] matrice as-socieacutee agrave lrsquoapplication lineacuteaire fB = (e j) jisin[1n] base de E

Bprime = ( fi)iisin[1m] base de F

Somme de deux matrices

γi j = αi j + βi j

M = (αi j) isin Mmn(K)

N = (βi j) isin Mmn(K)

M + N = (γi j) isin Mmn(K)

Produit drsquoune matrice par un scalaire

M = λN

(γi j) = (λ middot αi j)

λ isin KM = (αi j) isin Mmn(K)

N = (γi j) isin Mmn(K)

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 18

18 [1] Matheacutematiques

Produit de matrices

β1 jβ2 j

βk j

βp j

αi1αi2 middot middot middotαik middot middot middotαip

γi j

M = (αik) isin Mmp(K)N = (βk j) isin Mpn(K)

MN = (γi j) isin Mmn(K)

γi j =p

sumk=1

αik middot βk j

Proprieacuteteacutes des opeacuterations sur les matrices

(M + N)P = MP + NP (MN) isin (Mmp(K))2 P isinMpn(K)

(microM)(λN) = microλ(MN)

M isin Mmp(K)N isin Mpn(K)

(λmicro)2 isin K2

(MN)P = M(NP)

M isin Mmp(K)N isin Mpn(K)N isin Mnq(K)

Attention En geacuteneacuteral MN 6= NM

Transposeacutee drsquoune matrice

A = (ai j) iisin[1n]

jisin[1p]

tA = (a ji) jisin[1p]iisin[1n]

A isin Mnp(K)tA isin Mpn(K) matrice transpo-seacutee de A

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 19

1 Algegravebre 19

Changement de base

Aprime = Qminus1AP

Aprime matrice drsquoune application li-neacuteaire de E (dans la base base Bprime)vers F (dans la base base C prime)A matrice de la mecircme applicationlineacuteaire de E (dans la base base B)vers F (dans la base base C)P matrice de passage de B agrave BprimeQ matrice de passage de C agrave C primeDans le cas drsquoun endomorphismeQ = P (seulement deux bases sontneacutecessaires)

Exponentielle de matrice

exp(A) =+infin

sumk=0

1kAk

A isin Mn(K)exp(A) exponentielle de la ma-trice A

Deacuteterminant ndash DeacutefinitionUn deacuteterminant est une forme multilineacuteaire alterneacuteeMultilineacuteariteacute (det(α1V1 αnVn) = α1 middot middot middot middot αn det(V1 Vn))Alterneacutee Vi = Vj avec i 6= j =rArr det(V1 Vn) = 0Dans une base B = (e1 en) de E on note detB lrsquoapplication

detB(V1 Vn) = sumσisinSn

ε(σ)aσ(1)1 middot middot middot aσ(n)n

Avec Vj =n

sumi j=1

ai j jei j j

Deacuteterminant drsquoun produit de matrices

det(M middot N) = detM middot detN M isin Mn(K)N isin Mn(K)

Deacuteterminant et matrice inversible

M inversible lArrrArr detM 6= 0c copyDuno

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20 [1] Matheacutematiques

det(Mminus1) = (detM)minus1 M isin Mn(K) inversible

Deacuteterminant de Vandermonde∣∣∣∣∣∣∣

1 x1 x21 middot middot middot xnminus11

1 xn x2n xnminus1n

∣∣∣∣∣∣∣= prod

16 jlti6n

(xi minus x j) (x1 xn) isin Kn

Matrice inversible ndash DeacutefinitionUne matrice M isin Mn(K) est dite inversible srsquoil existe une matrice Ntelle que

M middot N = N middotM = InLa matrice N est alors appeleacutee inverse de M et se note Mminus1

Matrices inversiblesSoit A isin Mn(K) et f un endomorphisme repreacutesenteacute par A dans unebase Les proprieacuteteacutes ci-dessous sont deux agrave deux eacutequivalentes (1) f est bijective(2) A est inversible agrave gauche(3) A est inversible agrave droite(4) A est inversible(5) A est reacuteguliegravere agrave gauche(6) A est reacuteguliegravere agrave droite(7) A est reacuteguliegravere

Matrice des cofacteurs ndash Comatrice

comM = (detMi j)iisin[1n]jisin[1n]

comM comatrice de M (ou ma-trice des cofacteurs)Mi j matrice M laquo priveacutee raquo de sa ie

ligne et de sa je colonne

Matrice inverse

Mminus1 =1

detM

t

com(M)

M isin Mn(K) matrice inversiblecom(M) matrice des cofacteursde M

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1 Algegravebre 21

Systegraveme lineacuteaire ndash Deacutefinition

a11x1 + middot middot middot+ a1pxp = b1

an1x1 + middot middot middot+ anpxp = bn

On peut interpreacuteter ce systegravemecomme le produit de la matriceA = (ai j)iisin[1n] jisin[1p] par le vecteurX = (xi)iisin[1p] (vecteur inconnu)Ce produit est eacutegal au vecteur se-cond membre B = (bi)iisin[1n]

Systegraveme de Cramer

forall j isin [1 p] x j =det A j(b)

det A

Dans le cas drsquoun systegraveme de Cra-mer n = p = rg ALe systegraveme admet alors une so-lution unique donneacutee par les for-mules de Cramer ci-contreA j(b) est obtenue agrave partir de A enremplaccedilant le vecteur colonne c jpar b

Cas ougrave rg A = n lt p

Apregraves permutation des inconnues on peut supposer que la matriceAprime = (ai j)iisin[1n]

jisin[1n]

extraite de A est inversible On eacutetablit alors le systegraveme

suivant

a11x1 + middot middot middot+ a1nxn = b1 minus (a1n+1xn+1 + middot middot middot+ a1pxp)

an1x1 + middot middot middot+ annxn = bn minus (ann+1xn+1 + middot middot middot+ anpxp)

Ce systegraveme est de Cramer et admet donc une solution unique Cetensemble est un sous-espace affine de dimension pminus n

Cas ougrave rg A lt n

Soit on peut se ramener au cas preacuteceacutedent par combinaison lineacuteaire deseacutequations soit le systegraveme nrsquoadmet pas de solutionc copyDuno

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22 [1] Matheacutematiques

19 Espaces vectoriels euclidiens

Produit scalaire ndash Deacutefinition

Un produit scalaire euclidien surE est une application ϕ de E2 dansR veacuterifiant (1) ϕ est bilineacuteaire(2) ϕ est symeacutetrique(3) forallx isin E ϕ(x x) gt 0(4) forallx isin E ϕ(x x) = 0rArr x = 0

ϕ veacuterifiant (3) est dite positiveϕ veacuterifiant (4) est dite deacutefinieϕ veacuterifiant (3) et (4) est ditedeacutefinie-positiveOn note ce produit scalaire (middot|middot)

Forme quadratique

forallx isin E q(x) = ϕ(x x)ϕ une forme bilineacuteaire symeacutetriquesur Etimes Eq E rarr R forme quadratique as-socieacutee agrave ϕ

Matrice associeacutee

MatB(ϕ) = (ϕ(ei e j))iisin[1n]jisin[1n]

MatB(ϕ) matrice de ϕ dans BB base de Eϕ E times E rarr R forme bilineacuteairesymeacutetrique

Expression matricielle

ϕ(x y) =t XAY

ϕ E times E rarr R forme bilineacuteairesymeacutetrique(x y) isin E2

X = MatB(x)Y = MatB(y)

Norme euclidienne ndash Deacutefinition

x2 =radic

(x|x) middot 2 norme euclidienne sur Ex isin E

Ineacutegaliteacute de Cauchy-Schwarz

|(x|y)| 6 x middot y forall(x y) isin E2

Il y a eacutegaliteacute si et seulement si les vecteurs x et y sont lieacutes

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 23

1 Algegravebre 23

Ineacutegaliteacute triangulaire ou de Minkowski

x + y 6 x+ y forall(x y) isin E2

Il y a eacutegaliteacute si et seulement si les vecteurs x et y sont positivement lieacutesou si x = 0

Relations entre produit scalaire et norme

forall(x y) isin E2 1 x + y2 = x2 + 2(x|y) + y22 xminus y2 = x2 minus 2(x|y) + y2

3 (x|y) =12

(x + y2 minus x2 minus y2

)

4 (x|y) =14

(x + y2 minus xminus y2

)

Vecteurs orthogonaux

Soit (x y) isin E2 on dit que ces deux vecteurs sont orthogonaux si etseulement si (x|y) = 0

Parties orthogonales ndash Orthogonal drsquoune partie

forall(x y) isin Atimes B (x|y) = 0

Aperp = x isin Eforally isin A (x|y) = 0

x y deux vecteurs respective-ment de A et de BA B deux parties orthogonalesde EAperp orthogonal de la partie A

Ineacutegaliteacute de Bessel

n

sumj=1|(e j|x)|2 6 x2

E espace vectoriel preacutehilbertienx vecteur de E(e j) jisin[1n] famille orthonormalede E

Projecteur orthogonal

Ker p = (Im p)perp

Im p = (Ker p)perpp projecteur orthogonal sur Im pparallegravelement agrave Ker p

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 24

24 [1] Matheacutematiques

Attention un projecteur orthogonal nrsquoest pas une application ortho-gonale

Diagonalisation drsquoune matrice symeacutetrique

forallS isin Sn(R) exist(ΩD) isin On(R)timesDn(R) S = ΩDΩminus1

Sn(R) ensemble des matrices symeacutetriques de R

On(R) groupe orthogonal

Dn(R) ensemble des matrices diagonales de R

Valeurs propres de matrices symeacutetriques

Les valeurs propres drsquoune matrice S isin Sn(R) sont reacuteelles

Endomorphisme adjoint ndash Deacutefinition

forall f isin L(E) exist f lowast isin L(E) tel que

forall(x y) isin E2 ( f (x)|y) = (x| f lowast(y))

E espace vectoriel euclidienL(E) ensemble des endomor-phismes de Ef endomorphisme de Ef lowast lrsquoadjoint de fx y deux vecteurs de E

Automorphismes orthogonaux symeacutetriques antisymeacutetriques

(1) f lowast = fminus1(2) f lowast = f(3) f lowast = minus f

Un automorphisme f veacuterifiant ndash (1) est dit orthogonalndash (2) est dit symeacutetrique ou auto-adjointndash (3) est dit antisymeacutetrique

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 25

1 Algegravebre 25

Proprieacuteteacutes des adjoints

Ker f lowast = (Im f )perp Im f lowast = (Ker f )perp

(λ f + g)lowast = λ f lowast + glowast

(g f )lowast = f lowast glowast

(IdE)lowast = IdE

( f lowast)lowast = f

( fminus1)lowast = ( f lowast)minus1

Mat f lowast =t Mat f

( f g) isin L(E)2 endomorphismesde E admettant des adjointsf lowast endomorphisme adjoint de E

Aperp orthogonal de A A eacutetant unepartie de E

Deacutefinition et proprieacuteteacutes des automorphismes orthogonaux

(1) forall(x y) isin E2 ( f (x)| f (y)) = (x|y)(2) forallx isin E f (x) = x(3) f isin O(E)

Les proprieacuteteacutes (1) (2) et (3) sonteacutequivalentes(1) traduit la conservation du pro-duit scalaire(2) traduit la conservation de lanorme

O(E) ensemble des automor-phismes orthogonaux de Ef isin L(E)

Caracteacuterisation des automorphismes orthogonaux

tM middotM = In ou M middott M = In

f lowast f = f f lowast = IdE

M matrice orthogonale deMn(K)f automorphisme orthogonal deEIdE application identiteacute de EIn matrice identiteacute deMn(K)c copy

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 26

26 [1] Matheacutematiques

110 Reacuteduction des endomorphismes

Valeur propre ndash Deacutefinition

existx isin E x 6= 0 tel que

f (x) = λx

f isin L(E)λ isin K valeur propre de fAutre formulation f minus λ IdE estnon injectif

Spectre drsquoun endomorphismeSoit f isin L(E) on appelle spectre de f noteacute Sp( f ) lrsquoensemble

Sp( f ) = λ isin K existx isin E 0 f (x) = λxVecteur propre ndash Deacutefinition

x 6= 0 et existλ isin K

f (x) = λx

x isin E vecteur propre de ff isin L(E)(alors λ isinSp( f ))

Sous-espace propre ndash Deacutefinition

SEP( f λ) = Ker( f minus λ IdE)

SEP( f λ) sous-espace propre as-socieacute agrave λf isin L(E)λ isin Sp( f )

Polynocircme caracteacuteristique ndash Deacutefinition

χA(λ) = det(Aminus λIn)

χ f (λ) = det( f minus λIdE)

χA(λ) polynocircme caracteacuteristiquede Aχ f (λ) polynocircme caracteacuteristiquede ff isin L(E)A matrice drsquoordre n associeacutee agrave f

Polynocircme caracteacuteristique ndash Proprieacuteteacutes

ndash Le coefficient dominant est(minus1)nndash Le coefficient de λnminus1 est(minus1)nminus1 tr Andash Le terme constant est det A

A isin Mn(K)χA(λ) polynocircme caracteacuteristiquede Aλ indeacutetermineacutee du polynocircme

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 27

2 Analyse 27

Diagonalisabiliteacute

1 f est diagonalisable2 Il existe une base de E formeacutee devecteurs propres de f 3 La somme des sous-espacespropres pour f est eacutegale agrave E4 La somme des dimensions dessous-espaces propres pour f esteacutegale agrave dim E

Les proprieacuteteacutes ci-contre sont deuxagrave deux eacutequivalentesE espace vectoriel de dimensionfinief isin L(E)

TrigonalisationSoit f isin L(E) les deux proprieacuteteacutes suivantes sont eacutequivalentes 1 f est trigonalisable2 χ f est scindeacute sur K

Drapeau

foralli isin 1 n dim(Ei) = iforalli isin 1 nminus 1 Ei sub Ei+1

E un K-espace-vectoriel(E1 En) famille de sous-espaces vectoriels de En = dim E

Theacuteoregraveme de Cayley - Hamilton

Le polynocircme caracteacuteristique de f annule f crsquoest-agrave-dire forall f isinL(E) χ f = 0

2 Analyse

21 Espaces vectoriels normeacutes

Norme ndash Deacutefinition

On appelle norme sur un K-espace vectoriel E toute application N Erarr R veacuterifiant les trois points suivants 1 forallλ isin K forallx isin EN(λx) = |λ|N(x)2 forallx isin E N(x) = 0 =rArr x = 03 forall(x y) isin E2 N(x + y) 6 N(x) + N(y)

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28 [1] Matheacutematiques

Normes eacutequivalentesDeux normes N1 et N2 sont dites eacutequivalentes si et seulement si il existe(αβ) isin Rlowast+

2 tels que

αN1 6 N2 6 βN1

Distance ndash DeacutefinitionSoit (E middot ) un espace vectoriel normeacute on appelle distance associeacutee agravela norme middot lrsquoapplication d E2 rarr R deacutefinie par d(x y) = xminus yLa distance possegravede les proprieacuteteacutes suivantes 1 forall(x y) isin E2 d(x y) = d(y x)2 forall(x y) isin E2 d(x y) = 0 =rArr x = y3 forall(x y z) isin E3 d(x z) 6 d(x y) + d(y z)4 forall(x y) isin E2 forallλ isin K d(λx λy) = |λ|d(x y)5 forall(x y z) isin E3 d(x + z y + z) = d(x y)

Distance drsquoun point agrave une partieOn appelle distance de x isin E agrave A une partie non vide de E R espacevectoriel le reacuteel deacutefini par

d(x A) = infaisinA

d(x a)

Boule ouverte ndash Deacutefinition

B(a r) = x isin Eaminus x lt r

Boule fermeacutee ndash Deacutefinition

B(a r) = x isin Eaminus x 6 r

Partie ouverte de E

On appelle ouvert de E toute partie X de E veacuterifiant la proprieacuteteacute

forallx isin X existr isin Rlowast+ B(x r) sub X

Partie fermeacutee de E

On appelle fermeacute de E toute partie de E dont le compleacutementaire dansE est un ouvert de E

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 29

2 Analyse 29

Partie borneacutee ndash DeacutefinitionSoit (E middot ) un K-espace vectoriel une partie A de E est dite borneacuteesi et seulement si

existM isin R+ forall(x y) isin A2 d(x y) 6 M

VoisinageSoit a isin E un K-espace vectoriel on dit que V est un voisinage de a siet seulement srsquoil existe r gt 0 tel que B(a r) sub V

Inteacuterieur ndash Frontiegravere ndash AdheacuterenceOn appelle inteacuterieur drsquoune partie A sub E avec E unK-espace vectoriel A=

Ω ouvert de EΩsubA

Ω

On appelle adheacuterence de A (noteacutee A) la partie A =⋂

F fermeacute de EFsupA

F

On appelle frontiegravere de A la partie de A noteacutee partA la partie deacutefinie par

A AValeur drsquoadheacuterence

On dit que a est valeur drsquoadheacuterence de la suite de E (un)nisinN si et seule-ment srsquoil existe une suite extraite de (un)nisinN telle que uσ(n) minusminusminusminusrarrararr+infin

a

Caracteacuterisation de la continuiteacute pour une application lineacuteaireSoit f isin L(E F) ougrave E et F sont deux K-espaces vectoriels alors lesdeux propositions suivantes sont eacutequivalentes (1) f est continue(2) existM isin R+ forallx isin E f (x)F 6 MxE

Partie compacteOn dit que X sub E E eacutetant un K-espace vectoriel est une partie com-pacte de E si et seulement toute suite drsquoeacuteleacutements de X admet au moinsune valeur drsquoadheacuterence dans X

Partie compacte en dimension finieLes parties compactes drsquoun K-espace vectoriel de dimension finie sontles parties fermeacutees borneacutees

Normes en dimension finieToutes les normes sur un K-espace vectoriel de dimension finie sonteacutequivalentes

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30 [1] Matheacutematiques

Applications lineacuteaires en dimension finieSoient E et F deux K-espaces vectoriels normeacutes si E est de dimensionfinie alors toute application lineacuteaire Erarr F est continue

Suites de CauchyOn appelle suite de Cauchy dans un K-espace vectoriel normeacute toutesuite veacuterifiant

forallε gt 0 existN isin N forall(p q) isin NtimesNlowast p gt N =rArr up minus up+q 6 ε

Toute suite convergente dans un K-espace vectoriel normeacute est de Cau-chy

Partie complegravete ndash DeacutefinitionUne partie A drsquoun K-espace vectoriel normeacute est dite complegravete si etseulement si toute suite de Cauchy drsquoeacuteleacutements de A converge dans A

Partie complegravete ndash ProprieacuteteacutesToute partie X drsquoun K-espace vectoriel normeacute complet veacuterifie

X fermeacuteelArrrArr X complegraveteToute partie compacte drsquoun K-espace vectoriel normeacute est complegravete

Connexiteacute par arcsUne partie A drsquoun K-espace vectoriel normeacute de dimension finie est diteconnexe par arcs si et seulement si forall(x y) isin A2 existγ isin C0([a b] E) telque

γ(a) = x γ(b) = yforallt isin [a b]γ(t) isin A

Espace preacutehilbertien ndash Espace euclidienOn appelle espace preacutehilbertien tout couple (Eϕ) ougrave E est un K-espace vectoriel et ϕ un produit scalaire sur EOn appelle espace euclidien tout espace preacutehilbertien de dimensionfinie

Theacuteoregraveme de PythagorePour toute famille orthogonale finie (xi)iisinI drsquoun espace preacutehilbertien(E (middot|middot)) on a ∥∥∥∥∥sum

iisinIxi

∥∥∥∥∥

2

= sumiisinIxi2

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 31

2 Analyse 31

22 Nombres reacuteels

Preacutesentation

(R+ middot) est un corps commutatif

6 est une relation drsquoordre total dans R

forall(a b c) isin R3

a 6 b =rArr a + c 6 b + ca 6 b0 6 c

=rArr ac 6 bc

Toute partie non vide majoreacutee de R admet une borne supeacuterieure dansR

Distance usuelle dans R

d RtimesRrarr R(x y) 7rarr |xminus y|

Le nombre reacuteel d(x y) est la dis-tance usuelle dans R

R corps archimeacutedien

forallε isin Rlowast+ forallA isin Rlowast+ existn isin Nlowast nε gt A

Partie entiegravere ndash Deacutefinition

forallx isin R

E(x) 6 x 6 E(x) + 1

x isin RE(x) partie entiegravere de xE(x) est lrsquounique entier relatif veacute-rifiant la proprieacuteteacute ci-contre

Densiteacute

forall(x y) isin R2

(x lt y =rArr (existd isin D x lt d lt y))

D sub RCette partie D est dite dense dansR si et seulement si elle veacuterifie laproprieacuteteacute ci-contreTheacuteoregraveme Q est dense dans Rc copy

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32 [1] Matheacutematiques

23 Nombres complexes

Forme carteacutesienne Forme polaire drsquoun nombre complexe

z = a + ib

z = ρeiθ

z nombre complexe (z isin C)a partie reacuteelle de z (a isin R) on lanote aussi Re(z)b partie imaginaire de z (b isin R)on la note aussi Im(z)ρ module de z (ρ isin R+)θ argument de z (θ isin R)

Nombre complexe conjugueacute ndash Deacutefinition

z = a + ib

z = aminus ib

z isin C nombre complexez isin C nombre complexe conju-gueacute de za partie reacuteelle de z et de zb partie imaginaire de z

Nombre complexe conjugueacute ndash Proprieacuteteacutes

z + z = 2Re(z)

zminus z = 2i Im(z)

z nombre complexez nombre complexe conjugueacute dez

z = z si z est reacuteel

z = minusz si z est imaginaire pur

Module drsquoun nombre complexe

|z|2 = z middot z |z| module de z

Module drsquoun produit ndash Module drsquoun quotient

|zzprime| = |z| middot |zprime|

zprime 6= 0∣∣∣z

zprime∣∣∣ =|z||zprime|

z isin C nombre complexezprime isin C nombre complexe

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 33

2 Analyse 33

Ineacutegaliteacute triangulaire

|z + zprime| 6 |z|+ |zprime| z isin C nombre complexezprime isin C nombre complexe

Condition de cocycliciteacute ou drsquoalignement de quatre points

z4 minus z1z3 minus z1

z4 minus z2z3 minus z2

isin R

Mi point du plan drsquoaffixe zizi isin CLes points M1 M2 M3 et M4 sontcocyliques ou aligneacutes si et seule-ment si leurs affixes veacuterifient laproprieacuteteacute ci-contre

Formule de Moivre

(cos θ+ i sin θ)n = cos nθ+ i sin nθ θ isin Rn isin Z

Formule drsquoEuler

cos x =eix + eminusix

2

sin x =eix minus eminusix

2i

x isin R

Racines niegravemes drsquoun complexe

zk = nradicr(ei

ϕ+2kπn

)

Les zk sont les solutions de lrsquoeacutequa-tion zn = reiϕ(k n) isin N2 avec 0 6 k 6 nminus 1z isin Cr isin R+En particulier les racines niegravemes

de lrsquouniteacute zk = ei2kπn

Groupe des racines niegravemes de lrsquouniteacuteU = z isin C |z| = 1 est un groupe pour la multiplication

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34 [1] Matheacutematiques

24 Suites

Convergence ndash DeacutefinitionOn dit qursquoune suite numeacuterique (un)nisinN converge vers une limite l isin Ksi et seulement si

forallε gt 0 existN isin N foralln gt N isin N n =rArr |un minus l| 6 ε

On dit qursquoune suite numeacuterique (un)nisinN converge si et seulement si existl isin K forallε gt 0 existN isin N foralln isin N n gt N =rArr |un minus l| 6 ε

Suite borneacuteeUne suite complexe (un)nisinN est dite borneacutee si et seulement si

existM isin R+ foralln isin N |un| 6 M

Theacuteoregraveme drsquoencadrementSoient (un)nisinN (vn)nisinN (wn)nisinN trois suites reacuteelles telles que

existN isin N foralln isin N n gt N =rArr un 6 vn 6 wn

(un)n et (wn)n convergent vers une mecircme limite lAlors (vn)n converge aussi vers l

Suite arithmeacutetique

un = unminus1 + r

Sn =(u1 + un)n

2

un ne terme de la suiter raisonu1 premier terme de la suiteSn somme des n premiers termesde la suite un

Suite geacuteomeacutetrique

un = q middot unminus1

Sn =u1(q

n minus 1)qminus 1

q 6= 1

un ne terme de la suiteq raison de la suiteu1 premier terme de la suiteSn somme des n premiers termesde la suite un

Suites reacuteelles monotonesOn dit que (un)nisinN est croissante si et seulement si

foralln isin N un 6 un+1On dit que (un)nisinN est deacutecroissante si et seulement si

foralln isin N un gt un+1On dit que (un)nisinN est strictement croissante si et seulement si

foralln isin N un lt un+1On dit que (un)nisinN est strictement deacutecroissante si et seulement si

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 35

2 Analyse 35

foralln isin N un gt un+1On dit que (un)nisinN est (strictement) monotone si et seulement si(un)nisinN est (strictement) croissante ou (strictement) deacutecroissanteToute suite reacuteelle croissante (respectivement deacutecroissante) et majoreacutee(respectivement minoreacutee) est convergente

Suites adjacentes

(un)nisinN est croissante(vn)nisinN est deacutecroissante(vn minus un) minusminusminusminusrarr

nrarr+infin

0

Si deux suites reacuteelles veacuterifient lesproprieacuteteacutes ci-contre ces suites sontdites adjacentesSi deux suites sont adjacenteselles convergent vers la mecircme li-mite

Suites extraitesOn appelle suite extraite de (un)nisinN toute suite (uσ(n))nisinN ougrave σ NrarrN est une application strictement croissanteSi une suite (un)nisinN converge vers l isin K alors toute suite extraite de(un)nisinN converge aussi vers l

Valeur drsquoadheacuterenceOn dira que a est une valeur drsquoadheacuterence drsquoune suite (un)nisinN si etseulement srsquoil existe une suite extraite telle que uσ(n) minusminusminusminusrarrnrarr+infin

a

Theacuteoregraveme de Bolzano-WeiertrassDe toute suite borneacutee de R on peut extraire une suite convergente

25 Fonctions reacuteelles de la variable reacuteelle

PariteacuteSoit X sub R veacuterifiant x isin X =rArr minusx isin X

forallx isin X f (minusx) = f (x)Une fonction f est paire si et seule-ment si elle veacuterifie la relation ci-contre

forallx isin X f (minusx) = minus f (x)Une fonction f est impaire si etseulement si elle veacuterifie la relationci-contre

PeacuteriodiciteacuteSoit f X rarr K avec X sub R on dit que f est T-peacuteriodique si et seule-ment si elle veacuterifie

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 36

36 [1] Matheacutematiques

forallx isin X

x + T isin Xf (x + T) = f (x)

Application en escalierOn dit qursquoune fonction f [a b] rarr R est en escalier si et seulementsrsquoil existe une famille (ai)iisin[0n] telle que (a0 an) isin [a b]n+1 avecn isin Nlowast et une famille (λ0 λnminus1) isin Rn tels que

a = a0 lt a1 lt middot middot middot lt anminus1 lt an = bforalli isin 0 nminus 1 forallx isin]ai ai+1[ f (x) = λi

Application majoreacutee ndash minoreacutee ndash borneacuteeUne fonction f X rarr R est dite ndashmajoreacutee si et seulement srsquoil existe A isin R tel que forallx isin X f (x) 6 Andashminoreacutee si et seulement srsquoil existe B isin R tel que forallx isin X f (x) gt Bndash borneacutee si et seulement srsquoil existe (A B) isin R2 tel que forallx isin XB 6 f (x) 6 A

LimitesSoit f I rarr R une applicationOn dit que f admet une limite l en a isin I si et seulement si

forallε gt 0 existη gt 0 forallx isin I |xminus a| 6 η =rArr | f (x)minus l| 6 ε

On dit que f admet une limite l en +infin si et seulement si forallε gt 0 existA isin R forallx isin I x gt A =rArr | f (x)minus l| 6 ε

On dit que f admet comme limite +infin en a isin I si et seulement si forallA gt 0 existη gt 0 forallx isin I |xminus a| 6 η =rArr f (x) gt A

On dit que f admet comme limite +infin en +infin si et seulement si forallA gt 0 existB gt 0 forallx isin I x gt B =rArr f (x) gt A

On dit que f admet comme limite minusinfin en minusinfin si et seulement si forallA lt 0 existB lt 0 forallx isin I x 6 B =rArr f (x) 6 A

Continuiteacutesoit f I rarr K a isin I on dit que cette fonction est continue en a si etseulement si

forallε gt 0 existη gt 0 forallx isin I |xminus a| 6 η =rArr | f (x)minus f (a)| 6 ε

DiscontinuiteacuteSoit f I rarr K on dit que ndash f est discontinue en a si et seulement si elle nrsquoest pas continue en andash f admet une discontinuiteacute de premiegravere espegravece en a si et seulementsi f nrsquoest pas continue en a mais admet une limite finie agrave droite et unelimite finie agrave gauche en a

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 37

2 Analyse 37

Si f nrsquoest pas continue et ne preacutesente pas de continuiteacute de premiegravereespegravece en a on dit que f admet une discontinuiteacute de seconde espegraveceen a

Composition et continuiteacute

Soient f I rarr R et g J rarr K ougrave I et J sont deux intervalles de R telsque f (I) sub J si f et g sont respectivement continues en a et f (a) alorsg f est continue en a

Continuiteacute sur un segment

Soient (a b) isin R2 tel que a 6 b et une fonction f [a b] rarr R Si f estcontinue alors f est borneacutee et atteint ses bornes

Continuiteacute uniforme

Soit f I rarr K on dit que cette fonction est uniformeacutement continuesur I si et seulement si

forallε gt 0 existη gt 0 forall(x1 x2) isin I2 |x1 minus x2| 6 η =rArr | f (x1)minus f (x2)| 6 ε

Lrsquouniforme continuiteacute implique la continuiteacute

Theacuteoregraveme de Heine

Soient (a b) isin R2 tels que a 6 b et une fonction f [a b]rarr R Si f estcontinue sur [a b] alors f est uniformeacutement continue sur [a b]

Applications lipschitziennes

Soient f I rarr R et k isin Rlowast+ on dit que la fonction f est k-lipschitzienne si et seulement si

forall(x1 x2) isin I2 | f (x1)minus f (x2)| 6 k|x1 minus x2|Si k isin [0 1[ lrsquoapplication f est dite contractanteUne application lipschitzienne est uniformeacutement continue

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 38

38 [1] Matheacutematiques

Fonctions trigonomeacutetriques circulaires reacuteciproques

Arcsin [minus1 1]rarr[minusπ

2

]

forallx isin]minus 1 1[

Arcsinprime(x) =1radic

1minus x2

Arccos [minus1 1]rarr [0π]forallx isin]minus 1 1[

Arccosprime(x) =minus1radic1minus x2

Arctan Rrarr]minusπ

2

[

forallx isin R

Arctanprime(x) =1

1 + x2

-1 1

p

2p

2p

Arcsin

Arccos

Arctan

Fonctions hyperboliques

chprime x = sh x shprime x = ch x

thprime x =1

ch2 x= 1minus th2 x

26 Deacuterivation

Deacuteriveacutee en un pointSoient un point a isin I ougrave I est un intervalle et une fonction f I rarr K

On dit que f est deacuterivable en a si et seulement si limhrarr0

f (a + h)minus f (a)

hexiste et est finie Dans ce cas cette limite est appeleacutee deacuteriveacutee de f en aet est noteacutee f prime(a)

Deacuterivation et continuiteacuteSoient un point a isin I et une fonction f I rarr K si f est deacuterivable en aalors f est continue en a

Proprieacuteteacutes des deacuteriveacuteesSoient f et g deux fonctions de I dans K deacuterivables en a alors ( f + g)prime(a) = f prime(a) + gprime(a)

(λ f )prime(a) = λ f prime(a)

( f g)prime(a) = f prime(a)g(a) + f (a)gprime(a)

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 39

2 Analyse 39

g(a) 6= 0(1g

)prime(a) = minus gprime(a)

g2(a)

g(a) 6= 0(

f

g

)prime(a) =

f prime(a)g(a)minus f (a)gprime(a)g2(a)

(g f )prime(a) = gprime( f (a)) f prime(a)

Deacuterivabiliteacute drsquoune fonction sur un intervalle

f I rarr K ougrave I est un intervalle est dite deacuterivable sur un intervalleJ sub I si et seulement si foralla isin J f est deacuterivable en a

Formule de Leibniz

f I rarr K et g I rarr E on suppose que λ et f sont deacuterivables sur I

Alors f middot g est n fois deacuterivable sur I et ( f middot g)(n) =n

sumk=0

Ckn f

(k) middot g(nminusk)

Classe drsquoune fonction

Soient f I rarr K et k isin N on dit que f est de classe Ck sur I si etseulement si f est k fois deacuterivable sur I et f (k) est continue sur ISoient f [a b] rarr K avec a 6 b et k isin N on dit que f est de classe Ckpar morceaux sur [a b] si et seulement si ndash il existe une famille (a0 ap) isin Rp+1 telle que a = a0 lt a1 lt middot middot middot lt apminus1 lt ap = b

ndash Chaque restriction de f sur ]ai ai+1[ admet un prolongement declasse Ck sur [ai ai+1] foralli isin [0 pminus 1]

Theacuteoregraveme de Rollef [a b] rarr R continue sur [a b] et deacuterivable sur ]a b[ f (a) = f (b) alors il existe c isin]a b[ tel que

f prime(c) = 0

Theacuteoregraveme des accroissements finis

f [a b] rarr R avec (a b) isin R2 et a lt b continue sur [a b] et deacuterivablesur ]a b[ Il existe c isin]a b[

f (b)minus f (a) = (bminus a) f prime(c)c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 40

40 [1] Matheacutematiques

Ineacutegaliteacute de Taylor-Lagrangef [a b]rarr (E ) et f de classe Cn sur [a b] (n+ 1) fois deacuterivable sur]a b[ et telle que forallt isin]a b[ f (n+1)(t) 6 M alors

∥∥∥∥∥ f (b)minusn

sumk=0

f (k)(a)

k(bminus a)k

∥∥∥∥∥ 6 M(bminus a)n+1

(n + 1)

Reste inteacutegral

f [a b]rarr (E ) de classe Cn+1 sur [a b] alors

f (b) =n

sumk=0

f (k)(a)

k(bminus a)k +

1n

int b

a(bminus t)n f (n+1)(t) dt

︸ ︷︷ ︸Reste de Laplace

Formule de Taylor-Young

f I rarr E I un intervalle de R ougrave f (n)(a) existe

f (x) =n

sumk=0

f (k)(a)

k(xminus a)k + o

xrarra((xminus a)n)

Diffeacuteomorphisme ndash DeacutefinitionSoient f I rarr J avec I J deux intervalles de R n isin Nlowast cup +infin on ditque f est un Ck-diffeacuteomorphisme de I sur J si et seulement si ndash f est de classe Ck sur Indash f est bijectivendash fminus1 est de classe Ck sur J

Convexiteacute ndash DeacutefinitionsSoit f I rarr K on dit que cette fonction est convexe si et seulement si forallθ isin [0 1] forall(x y) isin I2 f (θx + (1minus θ)y) 6 α f (x) + (1minus θ) f (y)

Ineacutegaliteacute de convexiteacute

Si f est convexe soit λ j gt 0 tel quen

sumj=1

λ j = 1 alors

f

(n

sumj=1

λ ja j

)6

n

sumj=1

λ j f (a j)

Fonction convexe ndash Fonction concaveUne fonction f est concave si et seulement si minus f est convexe

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 41

2 Analyse 41

27 Inteacutegration

Lineacuteariteacute de lrsquointeacutegrale

int b

a(λ f + g) = λ

int b

af +

int b

ag

f et g deux fonctions continuespar morceaux

Ineacutegaliteacute de la moyenne

∣∣∣∣int

[ab]f g

∣∣∣∣ 6 Sup[ab] | f |int

[ab]|g|

∣∣∣∣int

[ab]f

∣∣∣∣ 6 (bminus a) Sup[ab] | f |

f g deux fonctions continues parmorceaux sur [a b][a b] intervalle de R

Ineacutegaliteacute de Cauchy-Schwarz

(int b

af g

)2

6

(int b

af 2)(int b

ag2)

f g deux applications continuespar morceaux [a b]rarr R on a lrsquoin-eacutegaliteacute ci-contreSi exist(λmicro) isin R2(0 0) tel que λ f + microg = 0 il y a eacutegaliteacute

Sommes de Riemann

Sn =bminus a

n

nminus1sumk=0

f

(a + k

bminus a

n

)

limnrarr+infin

Sn =int b

af

f [a b] rarr E une fonction conti-nue

Inteacutegration par parties

int b

auvprime = [uv]ba minus

int b

auprimev

u v [a b] rarr E fonctions conti-nues C1 par morceaux sur [a b]c copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 42

42 [1] Matheacutematiques

Inteacutegrabiliteacute ndash Deacutefinition

int

Jf 6 M

f [a b] rarr R fonction positivecontinue par morceauxf est dite inteacutegrable sur [a b] si etseulement srsquoil existe un M isin R+pour tout segment J inclus dans[a b] veacuterifiant lrsquoineacutegaliteacute ci-contre

Inteacutegrabiliteacute sur un segmentSoit f une fonction positive continue par morceaux de I dans R Lesproprieacuteteacutes suivantes sont deux agrave deux eacutequivalentes (i) f est inteacutegrable sur I(ii) Il existe M isin R+ tel que pour toute suite croissante de segments

(Jn)nisinNlowast dont la reacuteunion est eacutegale agrave I foralln isin Nlowastint

Jnf 6 M

Theacuteoregraveme de domination

0 6 f 6 g (1)

0 6

int

If 6

int

Ig (2)

Soient f et g deux fonctions conti-nues par morceaux de I dans R veacute-rifiant (1) et si g inteacutegrable alors fest inteacutegrable sur I et on a lrsquoineacutega-liteacute (2)

Exemple de Riemann

Fonctions de Riemann

f (x) =1xα

Une fonction de Riemann est inteacute-grable sur [1+infin[ si et seulementsi α gt 1Une fonction de Riemann est inteacute-grable sur ]0 1] si et seulement siα lt 1

Theacuteoregraveme drsquoeacutequivalence

Soient (a b) isin Rtimes R tels que a lt b f et g deux fonctions positivescontinues par morceaux de [a b[ dans R veacuterifiant en b f sim

bg alors f

est inteacutegrable sur [a b[ si et seulement si g lrsquoest

Regravegle xα f (x)

Inteacutegrabiliteacute en +infin ndash Srsquoil existe α isin]1+infin[ veacuterifiant lim

xrarr+infin

xα f (x) = 0 alors f est inteacute-

grable sur [a+infin[ avec a gt 0

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 43

2 Analyse 43

ndash Srsquoil existe α isin] minusinfin 1] veacuterifiant limxrarr+infin

xα f (x) = +infin alors f nrsquoest

pas inteacutegrable sur [a+infin[ avec a gt 0Inteacutegrabiliteacute en 0 ndash Srsquoil existe α isin]minusinfin 1[ veacuterifiant lim

xrarr0xα f (x) = 0 alors f est inteacutegrable

sur ]0 a] avec a gt 0ndash Srsquoil existe α isin [1+infin[ veacuterifiant lim

xrarr0xα f (x) = +infin alors f nrsquoest pas

inteacutegrable sur ]0 a] avec a gt 0

Relation de Chasles

int c

af =

int b

af +

int c

bf

f une fonction continue par mor-ceaux inteacutegrable sur un intervalleI contennant les intervalles ou-verts ]a b[ ]b c[ et ]a c[

(a b c) isin R3

Croissance de lrsquointeacutegration

f 6 g =rArrint

If 6

int

Ig

f g deux fonctions continues etinteacutegrables sur I

Fonctions continues agrave valeurs complexesSoit f I rarr C une fonction continue On dira que f est inteacutegrable surI si et seulement si | f | lrsquoest

Inteacutegrale impropre

(a b) isin Rtimes (Rcup +infin)

int X

af

f fonction continue par morceauxsur [a b[On dit que cette inteacutegrale im-propre converge si et seulement sielle admet une limite finie lorsqueX tend vers b On note alors cette

inteacutegraleint b

af

Inteacutegrale deacutependant drsquoun paramegravetre ndash Deacutefinition

f (x) =int

IF(x t) dt

x paramegravetret variable drsquointeacutegrationI intervalle de R

c copyDuno

dL

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 44

44 [1] Matheacutematiques

Continuiteacute drsquoune inteacutegrale agrave paramegravetre

forallx isin A F(x middot) inteacutegrable sur I

f Ararr K est continue sur A

x 7rarrint

IF(x t) dt

F fonction continue sur Atimes I veacute-rifiant lrsquohypothegravese de domination Soient f g I rarr R continues

Si0 6 f 6 gg est inteacutegrable sur I alors

f est inteacutegrable sur I etint

If 6

int

Ig

Sous ces hypothegraveses F veacuterifie lesrelations ci-contre

Deacuterivation drsquoune inteacutegrale agrave paramegravetre

forallx isin A

F(x middot) et partFpartx

(x middot)inteacutegrables sur If

Ararr K est de classe C1 sur Ax 7rarr

int

IF(x t) dt

forallx isin A f prime(x) =intI

partFpartx (x t) dt

F fonction continue sur Atimes I veacute-rifiant une hypothegravese de domina-tion sur Atimes I Soient F g I rarr R continues

Si0 6 F 6 gg est inteacutegrable sur I alors

F est inteacutegrable sur I etint

IF 6

int

Ig

partFpartx

existe et est continue sur Atimes I

partFpartx

veacuterifie une hypothegravese de domi-

nation sur Atimes ISous ces hypothegraveses on a les rela-tions ci-contre

28 Eacutequations diffeacuterentielles

Eacutequations diffeacuterentielles lineacuteaires du premier ordre

αyprime + βy = γ (E)

αβγ I rarr K des applicationscontinuesy est une solution de cette eacutequa-tion sur J sub I si et seulement si yest deacuterivable sur J et si forallx isin J yveacuterifie (E)

Eacutequation reacutesolueUne eacutequation diffeacuterentielle lineacuteaire du premier ordre est dite normali-seacutee ou reacutesolue en yprime si et seulement si α = 1

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 45

2 Analyse 45

Solution drsquoune eacutequation diffeacuterentielle lineacuteaire du premier ordre

S = λeminusA + BeminusA λ isin K

La solution ci-contre est la solutionde lrsquoeacutequation reacutesolue avec α = 1A primitive de β

B primitive de γeA

La solution de (E) est la somme dela solution geacuteneacuterale de lrsquoeacutequationhomogegravene associeacutee agrave (E) et drsquounesolution particuliegravere de (E)

Meacutethode de reacutesolution de E

1 Reacutesolution de lrsquoeacutequation homogegravene associeacutee solution de la formeλy0(x)2 Reacuteinjecter la solution trouveacutee dans lrsquoeacutequation complegravete avec la meacute-thode de variation de la constante qui permet de trouver la fonctionqui veacuterifie lrsquoeacutequation complegravete

Nature de la solutionLrsquoensemble des solutions drsquoune eacutequation diffeacuterentielle lineacuteaire du pre-mier ordre est une droite affine dont la direction est donneacutee par lrsquoen-semble des solutions de lrsquoeacutequation homogegravene

Theacuteoregraveme de Cauchy-LipschitzSoient U un ouvert de Rtimes R f U rarr E une application localementlipschitzienne par rapport agrave sa seconde variable et continue un couple(t0 y0) isin USous ces conditions il existe une unique solution maximale au pro-blegraveme de Cauchy crsquoest-agrave-dire veacuterifiant

yprime = f (t y)y(t0) = y0

(problegraveme de Cauchy)

Et posseacutedant en plus les proprieacuteteacutes suivantes (solution maximale) ndash lrsquointervalle de deacutefinition est un ouvertndash toute solution du problegraveme de Cauchy est une restriction de cettesolution

Eacutequation diffeacuterentielle du second ordre homogegravene

αyprimeprime + βyprime + γy = 0αβγ fonctions continues I rarr Ky fonction de J sub I dans K solu-tion de cette eacutequation

c copyDuno

dL

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nonau

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ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 46

46 [1] Matheacutematiques

Eacutequation diffeacuterentielle du second ordre agrave coefficients constants

yprimeprime + βyprime + γy = 0

(Ec) r2 + βr + γ

(βγ) isin R2 coefficients delrsquoeacutequation diffeacuterentielle

Soit (Ec) lrsquoeacutequation caracteacuteristiqueassocieacutee agrave lrsquoeacutequation diffeacuterentielleSi cette eacutequation caracteacuteristiqueadmet ndash deux racines distinctes r1 et r2les solutions de lrsquoeacutequation sont dela forme λ1er1x + λ2er2xndash une racine double r les solutionssont de la forme (λx + micro)erxndash deux racines complexes conju-gueacutees r = aplusmn ib les solutions sontde la forme(λ cos bx + micro sin bx)eax

Eacutequation du second ordre avec second membre eγxR(x)

yprimeprime + βyprime + γy = emxP(x)

(βγm) isin K3 coefficientsconstants de lrsquoeacutequation diffeacuteren-tielleP isin K[X]Lrsquoeacutequation diffeacuterentielle admetune solution de la forme emxS(x)avec S isin K[X] ndash deg S = deg P si m nrsquoest pas ra-cine de (Ec)ndash deg S = 1+ deg P si m est racinesimple de (Ec)ndash deg S = 2+ deg P si m est racinedouble de (Ec)

Reacutesolution gracircce aux seacuteries entiegraveresLorsque les coefficients et le second membre de lrsquoeacutequation diffeacuteren-tielle sont constitueacutes par des polynocircmes on peut chercher les solutionssous la forme de seacuteries entiegraveres on obtient ainsi une relation de reacutecur-rence sur les coefficients Une fois ces coefficients calculeacutes le rayon deconvergence deacutetermineacutes et si possible la somme calculeacutee on a unesolution de lrsquoeacutequation diffeacuterentielle

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 47

2 Analyse 47

Systegraveme drsquoeacutequations diffeacuterentielles du premier ordreSoit I un intervalle de R B = (bi)iisin[1n] un vecteur de E etA = (ai j)iisin[1n]

jisin[1n]

I rarr E une application continue On appelle systegraveme

drsquoeacutequations diffeacuterentielles du premier ordre le systegraveme

yprime1(t)

yprimen(t)

=

a11(t) middot middot middot a1n(t)

an1(t) middot middot middot ann(t)

y1(t)

yn(t)

+

b1(t)

bn(t)

Reacutesolution dans le cas ougrave A est diagonalisableDans le cas ougrave A isin Mn(K) si A est diagonalisable le systegraveme homo-gegravene admet une solution du type

Y =n

sumi=1

cieλitVi

λi valeur propre de Aci constante lieacutee aux conditions initialesVi colonne de la matrice de passage de A agrave la matrice diagonale asso-cieacutee

29 Seacuteries

Deacutefinition

SN =N

sumn=0

un

On appelle seacuterie le couple((un) (Sn))SN somme partielle drsquoordre Nun terme geacuteneacuteral de la seacuterie

Condition neacutecessaire de convergenceUne condition neacutecessaire mais non suffisante de convergence drsquouneseacuterie est que lim

nrarr+infin

un = 0 Si le terme geacuteneacuteral de la seacuterie ne tend pas

vers zeacutero la seacuterie est dite grossiegraverement divergente

Changement drsquoindice de deacutepart

Soit sumngt0

un une seacuterie de E et n0 isin N les seacuteries sumngt0

un et sumngtn0

un sont de

mecircme nature

c copyDuno

dL

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 48

48 [1] Matheacutematiques

Seacuterie geacuteomeacutetrique

S =+infin

sumn=0

un =1

1minus u0(1)

u0 terme geacuteneacuteral de la suite derang 0un terme geacuteneacuteral de la suiteun = (u0)

n

Une condition neacutecessaire et suf-fisante de convergence drsquoune telleseacuterie est |u0| lt 1 Dans ce cas laseacuterie veacuterifie (1)

Seacuterie agrave termes positifsUne seacuterie agrave termes positifs converge si et seulement sila suite dessommes partielles est majoreacutee

Seacuterie de Riemann

sumngt1

1nα

(1)

Une seacuterie veacuterifiant (1) est dite deRiemann Une telle seacuterie convergesi et seulement si

α gt 1

Valeur remarquable +infin

sumn=1

1n2

=π2

6

Seacuterie de Bertrand

+infin

sumn=2

1nα(ln n)β

On appelle seacuterie de Bertrand la seacute-rie deacutefinie ci-contreCette seacuterie converge si et seule-ment si α gt 1α = 1 et β gt 1

Comparaison de deux seacuteries agrave termes positifs

foralln isin N

0 6 un 6 vn (1)

un terme geacuteneacuteral de la seacuterie Svn terme geacuteneacuteral de la seacuterie SprimeSi (1) est veacuterifieacutee et si Sprime convergealors S convergeRemarque Si S diverge et (1) estveacuterifieacutee la seacuterie Sprime diverge

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 49

2 Analyse 49

Regravegle de drsquoAlembert

Soit une seacuterie de terme geacuteneacuteral un telle que∣∣∣∣un+1

un

∣∣∣∣ minusminusminusminusrarrnrarr+infin

β

ndash Si β lt 1 la seacuterie de terme geacuteneacuteral un converge ndash Si β gt 1 la seacuterie de terme geacuteneacuteral un diverge grossiegraverement ndash Si β = 1 on ne peut rien dire de la nature de la seacuterie

Regravegle de CauchySoit une seacuterie de terme geacuteneacuteral un reacuteel positif telle que n

radicun minusminusminusminusrarr

nrarr+infin

β

ndash Si β lt 1 la seacuterie de terme geacuteneacuteral un converge ndash Si β gt 1 la seacuterie de terme geacuteneacuteral un diverge grossiegraverement ndash Si β = 1 on ne peut rien dire de la nature de la seacuterie

Seacuteries de mecircme natureSoit sum un et sum vn deux seacuteries reacuteelles agrave termes positifs telles que au voi-sinage de +infin vn gt 0 et un sim vn Alors on a eacutegalement un gt 0 au voi-sinage de +infin et les deux seacuteries sont de mecircme nature (elles convergentou divergent en mecircme temps)

Seacuterie alterneacutee

∣∣∣∣∣+infin

sumn=p+1

un

∣∣∣∣∣ 6 |up+1|

Une seacuterie de terme geacuteneacuteral unest dite alterneacutee si et seulementsi la suite (minus1)nun est de signeconstantUne telle seacuterie converge si 1 lim

nrarr+infin

un = 0

2 la suite (|un|)nisinN est deacutecrois-santeSous ces hypothegraveses la seacuterie veacuteri-fie la relation ci-contre

Critegravere de Cauchy

forallε gt 0 existN isin N forall(p q) isin N2

N 6 p lt q =rArr∥∥∥∥∥

q

sumn=p+1

un

∥∥∥∥∥ 6 ε

Le critegravere ci-contre est une condi-tion neacutecessaire et suffisante deconvergence pour une seacuterie dansun espace de Banach (K-espacevectoriel normeacute complet)

c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 50

50 [1] Matheacutematiques

Formule de Stirling

n sim(ne

)nradic2πn

n isin NLa formule de Stirling fournit uneacutequivalent simple de n en +infin

Convergence absolue ndash Semi convergenceUne seacuterie est dite absolument convergente si et seulement si la seacuteriede terme geacuteneacuteral |un| convergeUne seacuterie alterneacutee est dite semi-convergente si et seulement la seacuteriede terme geacuteneacuteral un converge alors que celle de terme geacuteneacuteral |un| di-verge

Seacuteries doubles ndash Interversion des sommationsSoit une suite double drsquoeacuteleacutements de K (upq)(pq)isinN2 que lrsquoon supposesommable (crsquoest-agrave-dire existM isin R+forallJ sub N sum

pisinJqisinJ

upq 6 M) alors

1 forallq isin N sumpgt0

upq est convergente et la seacuterie sumqgt0

(+infin

sump=0

upq

)est conver-

gente

2 forallp isin N sumqgt0

upq est convergente et la seacuterie sumpgt0

(+infin

sumq=0

upq

)est

convergente

3 sum(pq)isinN2

upq =+infin

sump=0

(+infin

sumq=0

upq

)=

+infin

sumq=0

(+infin

sump=0

upq

)

Produit de Cauchy

wn =n

sumk=0

uk middot vnminusk (1)

+infin

sumn=0

wn =

(+infin

sumn=0

un

)(+infin

sumn=0

vn

)(2)

On appelle produit de Cauchy desdeux seacuteries de terme geacuteneacuteral un etvn la seacuterie dont le terme geacuteneacuteralveacuterifie (1)Si les deux seacuteries de terme geacuteneacuteralun et vn sont absolument conver-gentes alors la seacuterie wn est elleaussi absolument convergente etveacuterifie (2)

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 51

2 Analyse 51

210 Seacuteries entiegraveres

Seacuterie entiegravere

S(z) =+infin

sumn=0

anzn

S(z) somme de la seacuterie entiegraverean coefficient de la seacuterie entiegraverez variable de la seacuterie entiegravere

Rayon de convergence ndash Deacutefinition

I = r isin R++infin

sumn=0|an|rn converge

La borne supeacuterieure de lrsquointervalleI dans R est appeleacutee rayon deconvergence de la seacuterie sum anz

n onle note R = Sup I

Seacuterie entiegravere somme

Soient deux seacuteries entiegraveres sumngt0

anzn et sum

ngt0bnz

n on appelle seacuterie entiegravere

somme la seacuterie sumngt0

(an + bn)zn

Soit Ra et Rb les deux rayons de convergence respectifs de ces deuxseacuteries on a Ra+b gt min(Ra Rb) (avec eacutegaliteacute si Ra 6= Rb)

Lemme drsquoAbel

Soit r0 gt 0 si la suite (|an|rn0)nisinN est majoreacutee alors forallr isin [0 r0[ la seacuteriesum |an|rn est convergente

Deacuterivation drsquoune seacuterie entiegravere

Sprime(x) =+infin

sumn=0

(n + 1)an+1xn

S seacuterie de terme geacuteneacuteral anxn

Sprime deacuteriveacutee de la seacuterie SLa seacuterie deacuteriveacutee a le mecircme rayonde convergence que la seacuterie agrave deacuteri-ver

Inteacutegration drsquoune seacuterie entiegravere

int x

0

(+infin

sumn=0

anzn

)dz =

+infin

sumn=0

ann + 1

xn+1La seacuterie des inteacutegrales a le mecircmerayon de convergence que la seacuterieinteacutegreacuteec copy

Duno

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 52

52 [1] Matheacutematiques

Deacuteveloppement en seacuterie entiegravere drsquoune fonctionUne fonction f Rrarr R est dite deacuteveloppable en seacuterie entiegravere autourdrsquoun point x0 isin R si et srsquoil existe une seacuterie entiegravere sum

ngt0anx

n de rayon de

convergence R gt 0 telle que

forallx isin]x0 minus R x0 + R[ f (x) =+infin

sumn=0

an(xminus x0)n

Le deacuteveloppement en seacuterie entiegravere est unique

Deacuteveloppement en seacuterie entiegravere drsquoune fraction rationnelleUne fraction rationnelle R est deacuteveloppable en seacuterie entiegravere autour de0 si et seulement si 0 nrsquoest pas un pocircle de cette fraction rationnelle Lerayon de convergence du deacuteveloppement en seacuterie entiegravere est alors eacutegalau plus petit module des pocircles complexes de la fraction rationnelle

211 Suites et seacuteries drsquoapplications

Convergence simple ndash Deacutefinition

forallε gt 0 forallx isin D existn0 isin N foralln gt n0

| fn(x)minus f (x)| 6 ε

( fn X rarr E)nisinN suite drsquoapplica-tionsE un K-espace vectoriel normeacutef limite de la suite drsquoapplicationsdans D (domaine de convergence)D domaine de convergence

Convergence uniforme ndash Deacutefinition

forallε gt 0 existn0 isin N forallx isin D foralln gt n0

| fn(x)minus f (x)| 6 ε

( fn X rarr E)nisinN suite drsquoapplica-tionsE un K-espace vectoriel normeacutef limite de la suite drsquoapplicationsdans D (domaine de convergence)

Convergence uniforme et convergence simpleSi ( fn)nisinN converge uniformeacutement vers f sur X il y a eacutegalementconvergence simple de ( fn)nisinN vers f dans ce mecircme domaine

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 53

2 Analyse 53

Proprieacuteteacute de la convergence uniforme

Si les fonctions fn sont continues (respectivement admettent une li-mite en a) alors la limite uniforme (si elle existe) de ces fonctions f estcontinue (respectivement admet une limite en a)

Convergence uniforme et inteacutegration sur un segment

f est continue sur [a b]

(int b

afn

)

nisinN

converge dans E

int b

af = lim

nrarr+infin

int b

afn

( fn X rarr E)nisinN suite drsquoapplica-tions continues convergeant uni-formeacutement vers f sur XE un K-espace vectoriel normeacutef limite de la suite drsquoapplicationsSous ces hypothegraveses f veacuterifie lesproprieacuteteacutes eacutenonceacutees ci-contre

Convergence uniforme et deacuterivation

( fn)nisinN converge uniformeacutementsur tout segment de I vers f

f est de classe C1 sur If prime = g

( fn X rarr E)nisinN suite drsquoapplica-tions C1 convergeant simplementvers f sur X( f primen)nisinN converge uniformeacutementvers une application noteacutee gSous ces hypothegraveses f veacuterifie lesproprieacuteteacutes eacutenonceacutees ci-contre

Soit ( fn X rarr E)nisinN une suite drsquoapplications C1 surX convergeantsimplement vers f sur X

Soit ( f primen)nisinN une suite de fonctions qui converge uniformeacutement surtout segment de X vers une application g

Soit f la limite de la suite drsquoapplications veacuterifiant les hypothegraveses preacute-ceacutedentes Sous ces hypothegraveses on a f de classe C1 sur X et f prime = g

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 54

54 [1] Matheacutematiques

Theacuteoregraveme de convergence monotone

int

If = SupnisinN

int

Ifn = lim

nrarr+infin

int

Ifn

foralln isin N fn est continue par mor-ceaux et inteacutegrable sur I( fn)nisinN veacuterifie une hypothegravese demonotonie foralln isin N fn 6 fn+1( fn)nisinN converge simplement surI vers une application noteacutee fcontinue par morceaux sur ISous ces hypothegraveses f est inteacute-grable si et seulement si la suite(int

Ifn

)

nisinN

et veacuterifie alors les pro-

prieacuteteacutes ci-contre

Theacuteoregraveme de convergence domineacutee

int

If = lim

nrarr+infin

int

Ifn

foralln isin N fn est continue par mor-ceaux sur I( fn)nisinN converge simplement surI vers une application noteacutee fcontinue par morceaux sur I( fn)nisinN veacuterifie une hypothegravese dedomination foralln isin N | fn| 6

ϕ ougrave ϕ est une fonction conti-nue par morceaux positive et inteacute-grable sur ISous ces hypothegraveses f veacuterifie laproprieacuteteacute ci-contre

Premier theacuteoregraveme de WeierstrassPour toute application continue f [a b] rarr K il existe une suite (Pn [a b] rarr K)nisinN de polynocircmes convergeant uniformeacutement vers f sur[a b]

Deuxiegraveme theacuteoregraveme de WeierstrassPour toute application continue f R rarr K et T-peacuteriodique il existeune suite (Tn [a b]rarr K)nisinN de polynocircmes trigonomeacutetriques conver-geant uniformeacutement vers f sur R

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 55

2 Analyse 55

Seacuteries drsquoapplications convergence simple ndash Deacutefinition

On dit qursquoune seacuterie drsquoapplications converge simplement si etseulement si la suite des sommes partielles (Sn(x))nisinN avec

Sn(x) =n

sumk=0

fk(x) converge simplement

Seacuteries drsquoapplications convergence absolue ndash Deacutefinition

On dit qursquoune seacuterie drsquoapplications converge absolument si etseulement si la suite des sommes partielles (Sn(x))nisinN avec

Sn(x) =n

sumk=0 fk(x) converge absolument

Seacuteries drsquoapplications convergence uniforme ndash Deacutefinition

On dit qursquoune seacuterie drsquoapplications converge uniformeacutement si et seule-ment si la suite des sommes partielles (Sn(x))nisinN avec Sn(x) =n

sumk=0

fk(x) converge uniformeacutement

Seacuteries drsquoapplications convergence normale ndash Deacutefinition

existn0 isin N

sumngtn0

fninfin converge

On dit que sumn

fn converge norma-

lement et seulement si elle veacuterifiela proprieacuteteacute ci-contre

Convergences normale uniforme et simple

La convergence normale entraicircne la convergence uniforme qui elle-mecircme entraicircne la convergence simple

Convergence uniforme ndash Limite et continuiteacute

Si sumngt0

fn converge uniformeacutement sur X et si foralln isin N fn est continue en

a (respectivement admet une limite en a) alors sumngt0

fn est continue en

a (respectivement admet une limite en a)c copyDuno

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 56

56 [1] Matheacutematiques

Convergence uniforme et inteacutegration sur un segment

+infin

sumn=0

fn est continue sur [a b]

sumngt0

(int b

afn(x) dx

)converge dans E

int b

a

(+infin

sumn=0

fn(x)

)dx =

+infin

sumn=0

int b

afn(x) dx

( fn)nisinN seacuterie drsquoapplications avecfn continue sur [a b]+infin

sumn=0

fn converge uniformeacutement sur

[a b]Sous ces hypothegraveses la seacuterie defonctions veacuterifie les proprieacuteteacutes ci-contre

Convergence uniforme et deacuterivation

sumngt0

fn converge uniformeacutement

sur tout segment I

+infin

sumn=0

fn est de classe C1 sur I

(+infin

sumn=0

fn

)prime=

+infin

sumn=0

f primen

sumngt0

fn seacuterie drsquoapplications

convergeant simplement sur Ifn I rarr E de classe C1sumngt0

f primen converge uniformeacutement sur

tout segment de ISous ces hypothegraveses fn et f primen veacuteri-fient les proprieacuteteacutes ci-contre

Inteacutegration sur un intervalle quelconque des fonctions

+infin

sumn=0

fn est inteacutegrable sur I

int

I

∣∣∣∣∣+infin

sumn=0

fn

∣∣∣∣∣ 6+infin

sumn=

int

I| fn|

int

I

+infin

sumn=0

fn =+infin

sumn=0

int

Ifn

sumngt0

( fn) seacuterie drsquoapplications

convergeant simplement sur Ifn I rarr E fonction continue parmorceaux sur I

sumngt0

int

I| fn| converge

Sous ces hypothegraveses fn veacuterifie lesproprieacuteteacutes ci-contre

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 57

2 Analyse 57

212 Seacuteries de Fourier

Coefficients de Fourier exponentiels

cn( f ) =12π

int 2π

0f (x)eminusinx dx

cn coefficient de Fourier exponen-tielf fonction 2π-peacuteriodique conti-nue par morceaux agrave valeurs com-plexesn isin Z

Coefficients de Fourier trigonomeacutetriques

an( f ) =1π

int 2π

0f (x) cos(nx) dx

bn( f ) =1π

int 2π

0f (x) sin(nx) dx

an coefficient de Fourier trigono-meacutetrique en cosinusbn coefficient de Fourier trigono-meacutetrique en sinusf fonction dont on souhaite obte-nir les coefficients de FourierLorsque la fonction f est paire(respectivement impaire) les co-efficients bn (respectivements an)sont nuls

Theacuteoregraveme de Dirichlet

Si f est de classe C1 par morceaux et 2π-peacuteriodique pour tout reacuteel xon a lrsquoeacutegaliteacute suivante

S(x) =+infin

sumn=minusinfin

cneinx =a02

++infin

sumn=1

an cos nx ++infin

sumn=1

bn sin nx

S(x) =12

(f (xminus) + f (x+)

)

Dans ce cas il y a convergence simple de la seacuterie vers S(x)

Eacutegaliteacute de ParsevalSi f est continue par morceaux on a lrsquoeacutegaliteacute suivante

12π

int 2π

0| f (x)|2 dx =

|a0|24

++infin

sumn=1

|an|2 + |bn|22

=+infin

sumn=minusinfin

|cn|2

Convergence normale

Si f est continue et de classe C1 par morceaux sur R la seacuterie de Fourierde f est normalement convergente sur R et a pour somme f

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 58

58 [1] Matheacutematiques

213 Fonctions de plusieurs variables

Deacuteriveacutee partielle

D j f (a) =part fpartx j

(a) = limtrarr0t 6=0

f (a1 a j + t an)minus f (a1 an)

t

f une fonction de plusieurs variablesOn deacutefinit ci-dessus la deacuteriveacutee partielle par rapport agrave la variable x j (saje variable) de la fonction f en un point a = (a1 an)

Deacuteriveacutee selon un vecteurOn dit que f admet une deacuteriveacutee en a selon un vecteur v que lrsquoon notedv f (a) si et seulement si la limite suivante existe

limtrarr0

1t

( f (a + tv)minus f (a))

Si elle existe cette limite est dv f (a)

Theacuteoregraveme fondamental

Soit U un ouvert de Rp si f U rarr Rn est de classe C1 sur Rp alorsf admet en tout point a de Rp une deacuteriveacutee selon tout vecteur h et

Dh f (a) =p

sumj=1

h jD j f (a)

Gradient

grad f =

(part fpartx

(x y)part fparty

(x y))

f U rarr R fonction de classe C1sur UU ouvert de R2

grad f gradient de fAlors Dv f (a) = (grad f (a)) middot v

Diffeacuterentielle drsquoune fonction de deux variables

d f =part fpartx

dx +part fparty

dyf U rarr R fonction de classe C1sur UU ouvert de R2

Applications de classe CkOn dit que f est de classe Ck avec k isin Nlowast sur U si et seulement si fadmet des deacuteriveacutees partielles successives sur U jusqursquoagrave lrsquoordre k et cequel que soit lrsquoordre de deacuterivation et chacune de ces deacuteriveacutees partiellesest continue sur U

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 59

3 Geacuteomeacutetrie 59

Theacuteoregraveme de Schwarz

part2 fpartx jpartxi

=part2 f

partxipartx jf fonction C2 sur Rp

Point critique

Soit U un ouvert de R2 a isin U et f U rarr R une fonction de classe CnOn dira que a est un point critique pour f si et seulement si toutes lesdeacuteriveacutees partielles de f existent et srsquoannulent en a

Extremum local

On dira que f U rarr R2 admet un extremum local sur X sub U en unpoint a isin X si et seulement si forallx isin X f (x) 6 f (a) ( f admettant alorsun maximum en a) ou forallx isin X f (x) gt f (a) ( f admettant alors unminimum en a)

Theacuteoregraveme des fonctions implicites

Soient x = (x1 x2) isin U ougrave U est un ouvert de R2 f U rarr R une

fonction de classe Ck sur U telle que f (x) = 0 etpart fpartx2

(x) 6= 0 alors il

existe deux intervalles ouverts J et K respectivement centreacutes en x1 et x2tels qursquoil existe une unique fonction de classe C1 ϕ J rarr K telle que

forall(x y) isin J times K ( f (x y) = 0lArrrArr y = ϕ(x))

3 Geacuteomeacutetrie

31 Courbes du plan

Point reacutegulier ndash Point bireacutegulier

Un point M(t) est dit reacutegulier si et seulement srsquoil veacuterifie f prime(t) 6= 0 ilest dit bireacutegulier si et seulement si la famille ( f prime(t) f primeprime(t)) est libre

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 60

60 [1] Matheacutematiques

Tangente ndash Deacutefinition

M0PM0PM0P = λfffprime(t0)

Si fprimefprimefprime(t0) 6= 0 la tangente en unpoint M de coordonneacutees t0 estlrsquoensemble des points P veacuterifiant laproprieacuteteacute ci-contre avec λ isin RSi cette limite nrsquoexiste qursquoent+0 (respectivement en tminus0 ) ondira que la courbe admet unedemi-tangente en M(t+0 ) (res-pectivement en M(tminus0 )) Si leslimites en t+0 ) et en tminus0 sont dif-feacuterentes la courbe admet deuxdemi-tangentes en M

Position drsquoun arc par rapport agrave la tangente

Dans les figures ci-dessous f (p)(t0) et f (q)(t0) repreacutesentent les deuxpremiers vecteurs deacuteriveacutes non nuls

f (t)(p)

f (t)(q)

M(t) f (t)(p)

f (t)(q)

M(t)

p impair q pair allure geacuteneacuterale p impair q impair point drsquoin-flexion

f (t)(p)

f (t)(q)

M(t)

f (t)(p)

f (t)(q)

M(t)

p pair q pair point de rebrousse-ment de seconde espegravece

p pair q impair point de rebrous-sement de premiegravere espegravece

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 61

3 Geacuteomeacutetrie 61

Branche infinie ndash DeacutefinitionOn dit que la courbe Γ admet une branche infinie en t0 si et seulementsi lim

trarrt0 f (t) = +infin

Direction asymtotique ndash AsymptoteSi la branche infinie forme un angle θ0 par rapport agrave lrsquoaxe des abscissespour savoir srsquoil srsquoagit drsquoune asymptote ou drsquoune direction asympto-tique on eacutetudie la limite

Y = limθrarrθ0

ρ sin(θminus θ0)

Si cette limite vaut +infin il srsquoagit drsquoune direction asymptotique si lalimite vaut 0 il srsquoagit drsquoune asymptote si la limite vaut b avec b isin Rla droite drsquoeacutequation y = θ0x + b est asymptote agrave la courbe

x

O

y

Branche paraboliqueO dira que la courbe Γ admet une branche parabolique quand t tendvers t0 si cette mecircme courbe admet une direction asymptotique quandt tend vers t0 mais pas drsquoasymptote

SymeacutetriesSoit ϕ t 7rarr ϕ(t) une fonction de changement de parameacutetrage Ondonne ci-dessous les symeacutetries classiques qui permettent de limiterlrsquointervalle drsquoeacutetude de la courbe

x(ϕ(t) = x(t)y(ϕ(t) = y(t)

Identiteacute

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 62

62 [1] Matheacutematiques

x(ϕ(t) = minusx(t)y(ϕ(t) = minusy(t) Symeacutetrie par rapport agrave lrsquoorigine

x(ϕ(t) = y(t)y(ϕ(t) = x(t)

Symeacutetrie par rapport agrave la premiegraverebissectrice

x(ϕ(t) = minusx(t)y(ϕ(t) = y(t)

Symeacutetrie par rapport agrave lrsquoaxe desordonneacutees

x(ϕ(t) = x(t)y(ϕ(t) = minusy(t)

Symeacutetrie par raport agrave lrsquoaxe desabscisses

Coordonneacutees polaires

ρ =radic

x2 + y2

x = ρ cos θ

y = ρ sin θ

Mr

ur

uq

q

xxM

yM

y

O

Eacutequations en coordonneacutees polairesLa droite

ρ =1

λ cos θ + micro sin θ

(λmicro) isin R2

Cette eacutequation repreacutesente ladroite drsquoeacutequation carteacutesienneλx + microyminus 1 = 0

Le cercle

ρ = λ cos θ + micro sin θ

(λmicro) isin R2

Cette eacutequation repreacutesente le cerclecentreacute enO drsquoeacutequation carteacutesiennex2 + y2 minus λxminus microy = 0

Conique dont le foyer est agrave lrsquoori-gine

ρ =p

1 + e cos(θminusϕ)

p paramegravetre de la coniquee excentriciteacute de la coniqueθ angle polaireϕ phase

Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 63

3 Geacuteomeacutetrie 63

Branches infinies ndash DeacutefinitionsSi lim

θrarrplusmninfin

ρ = 0 on dit que O est un point-asymptote de la courbe

Si limθrarrplusmninfin

ρ = a on dit que le cercle de centre O et de rayon |a| est uncercle-asymptote agrave la courbeSi lim

θrarrplusmninfin

ρ = plusmninfin on dit que la courbe admet une branche-spirale

Si la branche infinie forme un angle θ0 par rapport agrave lrsquoaxe des abscissespour savoir srsquoil srsquoagit drsquoune asymptote ou drsquoune direction asympto-tique on eacutetudie la limite

Y = limθrarrθ0

ρ sin(θminus θ0)

Si cette limite vaut +infin il srsquoagit drsquoune direction asymptotique si lalimite vaut 0 il srsquoagit drsquoune asymptote si la limite vaut b avec b isin Rla droite drsquoeacutequation y = θ0x + b est asymptote agrave la courbe

Symeacutetries

Soit T la peacuteriode de ρ (crsquoest-agrave-dire ρ(θ + T) = ρ(θ)) Srsquoil existe Tprime telque ρ(θ + Tprime) = minusρ(θ) Tprime est appeleacute antipeacuteriode de ρ

ρ(minusθ) = ρ(θ)

Symeacutetrie par rapport agrave lrsquoaxe desabscisses On fait varier θ dans[0+infin[ avant drsquoeffectuer la symeacute-trie

ρ(αminus θ) = ρ(α)

On fait varier θ dans[α

2+infin

[

puis on effectue la symeacutetrie parrapport agrave la droite passant par Oet drsquoangle polaire α2

ρ(minusθ) = minusρ(θ)

Symeacutetrie par rapport agrave lrsquoaxe desordonneacutees On fait varier θ dans[0+infin[ avant drsquoeffectuer la symeacute-trie

ρ(αminus θ) = minusρ(α)

On fait varier θ dans[α

2+infin

[

puis on effectue la symeacutetrie parrapport agrave la droite passant par O

et drsquoangle polaireα

2+

π

2

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Chapitre 1 mformulairetex 2772008 2251Page 64

64 [1] Matheacutematiques

32 Proprieacuteteacutes meacutetriques des courbes

Abscisse curviligne

forallt isin I s(t) =int t

t0 f prime(u) du

f t 7rarr M(t)s t 7rarr s(t)

Longueur drsquoun arc

l(AB) =int b

a f prime(t) dt l(AB) longueur de lrsquoarc AB

Rayon de courbure ndash Courbure

R =dsdα

γ =1R

R rayon de courbures abscisse curviligneα = (iii TTT) ougrave TTT est le vecteur tan-gentγ courbure au point M(t)

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 65

Chapitre 2Physique

0 Eacuteleacutements de matheacutematiques

01 Diffeacuterentielles

Deacuteveloppements limiteacutes

Soit f x 7rarr f (x) alors f (x + δx) = f (x) + δx f prime(x) +(δx)2

2f primeprime(x) +

middot middot middotDiffeacuterentielle drsquoune fonction de plusieurs variables

Soit f une fonction des variables x et y alors

d f =

(part fpartx

)

y

dx +

(part fparty

)

x

dy

On peut eacutetendre cette deacutefinition de d f pour une fonction de n va-riablesOn a par deacutefinition du gradient

d f = (grad f ) middot dMMMc copyDuno

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 66

66 [2] Physique

Theacuteoregraveme de Schwarz

part2 f (x y)partxparty

=part2 f (x y)

partypartx

(les deacuteriveacutees croiseacutees drsquoune fonction C2 sont eacutegales)

02 Eacutequations diffeacuterentielles

Eacutequation de relaxation

yprime(t) +y(t)

τ= γ (ougrave γ est

une constante) Sa solution esty(t) = γτ + (y(0)minus γτeminustτ

y t( )

t

Eacutequation de lrsquooscillateur harmonique

yprimeprime(t) + ω20y(t) = 0 Sa solution est

y(t) = λ cos(ω0t) + micro sin(ω0t) ouy(t) = δ cos(ω0t + ϕ)

y t( )

t

Eacutequation drsquoun systegraveme explosif

yprimeprime(t) minus ω20y(t) = 0 Sa solution est

y(t) = λ ch(ω0t) + micro sh(ω0t)

y t( )

t

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 67

0 Eacuteleacutements de matheacutematiques 67

Eacutequation de diffusionpartypartt

= D∆y Les solutions deacutependent des conditions aux limites et des

conditions initiales On la reacutesoud geacuteneacuteralement en reacutegime permanentougrave la solution est sinusoiumldale

Eacutequation de preacutecession

partuuupartt

= ωωω and uuu uuu est en rotation autour duvecteurωωω

wu

Eacutequation du second ordre

ayprimeprime(t) + byprime(t) + cy(t) = g(t)

Le discriminant de son eacutequation caracteacuteristique ((Ec) ar2 + br + c = 0)est ∆ = b2 minus 4ac Soient r1 et r2 les deux racines de cette eacutequation ca-racteacuteristiqueDans un premier temps inteacuteressons nous au cas ougrave g(t) = γ uneconstante

Si ∆ gt 0 les deux racines r1 et r2 sontreacuteelles la solution est du type apeacuteriodique

y(t) = λer1t + microer2 t +γ

c

y t( )

tSi ∆ lt 0 les deux racines de lrsquoeacutequationcaracteacuteristique sont complexes conjugueacuteesla solution est alors pseudo-peacuteriodique

y(t) = (λ cos(βt) + micro sin(βt))eαt +γ

cavec α et β respectivement partie reacuteelle etpartie imaginaire de r1

y t( )

t

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 68

68 [2] Physique

Si ∆ = 0 le reacutegime est critique lrsquoeacutequationcaracteacuteristique admet une racine double

La solution est y(t) = (λt + micro)er1t +γ

c

y t( )

tSi g(t) est une excitation sinusoiumldale on reacutesout en complexes en posanty(t) = Ye jωt pour obtenir une solution particuliegravere

03 Coniques

Eacutequation polaire drsquoune conique avec origine au foyer

r(θ) =p

1 + e cos θ

r distance du point courant agravelrsquoorigineθ angle polairep paramegravetree excentriciteacute

Nature de la conique

ndash une ellipse si 0 lt e =a

blt 1 ab

O

ndash une parabole si e = 1

ndash une hyperbole si e gt 1

Aire drsquoune ellipse

S = πabS surface de la coniquea demi grand axeb demi petit axe

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 69

1 Eacutelectronique 69

1 Eacutelectronique

11 Lois geacuteneacuterales

Loi de Pouillet

i =E

sumk

Rk

i intensiteacute du courant dans lecircuitE tension deacutelivreacutee par le geacuteneacute-rateurRk reacutesistance k du circuit

Loi des nœuds

La loi des nœuds en N srsquoeacutecrit n

sumk=1

ik = 0

Ni1

in

ik

i4

i2i3

Loi des mailles

La loi des mailles sur la maille ci-

contre srsquoeacutecrit n

sumk=1

uk = 0 u1

u2

u3

u4

unuk

Theacuteoregraveme de Millman

Le theacuteoregraveme de Millman appliqueacuteen N donne

u =

n

sumk=1

Gk middot uk +p

sumj=1

i j

n

sumk=1

Gk u1 unu2 uk

uG1 GnG2 Gk

Ni1

i2 ijip

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 70

70 [2] Physique

Theacuteoregraveme de superposition (Helmholtz)Dans un reacuteseau de dipocircles lineacuteaires comportant n sources la tensionaux bornes de chaque dipocircle est la somme algeacutebrique des tensions qursquoily aurait aux bornes de ce dipocircle si une seule source autonome fonction-nait De mecircme lrsquointensiteacute dans une branche drsquoun circuit est la sommedes intensiteacutes qui regravegneraient dans la branche si une seule source au-tonome fonctionnait

12 Reacutegime variable

Puissance reccedilue par un dipocircle

p(t) = u(t)i(t)

lt pgt=1T

int T

0p(t) dt

lt pgtsinusoiumldal= Ueff Ieff cosϕ

On se place en convention reacutecep-teurp(t) puissance instantaneacutee reccediluepar le dipocirclelt p gt puissance moyenne reccediluepar le dipocircleu(t) tension aux bornes de ce di-pocirclei(t) intensiteacute traversant le dipocircleUeff tension efficace aux bornesdu dipocircleIeff intensiteacute efficace traversant ledipocircleϕ deacutephasage entre la tension etlrsquointensiteacute ϕ = arg Z ougrave Z est lrsquoim-peacutedance complexe

Impeacutedance complexe et phase des composants usuels

Reacutesistance

Z = R

ϕ = 0

Bobine

Z = jLω

ϕ = +π

2

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 71

1 Eacutelectronique 71

Condensateur

Z =1

jCω

ϕ = minusπ

2

Z impeacutedanceR valeur de la reacutesistanceC capaciteacute du condensateurL inductance de la bobineω pulsationϕ deacutephasage de u par rapport agrave i

Fonction de transfert

H( jω) =s

e

H( jω) fonction de transferts signal de sortiee signal drsquoentreacutee

Gain en deacutecibels ndash Phase

H(ω) = |H( jω)|

GdB = 20 log |H( jω)|

ϕ = argH

H(ω) gainGdB gain en deacutecibelsH( jω) fonction de transfertϕ phase (avance de la sortie surlrsquoentreacutee)

Diagramme de BodeLe diagramme de Bode en gain (respectivement en phase) consiste agraverepreacutesenter le gain en deacutecibel (respectivement la phase) en fonction de

logω

ω0ou de logω

Filtre passe-bas du premier ordre

log(w)log(w )0

G (dB)

log(w )0 log(w)

jp2

2

4-p

-p

H(ω) =H0

1 + jω

ω0

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 72

72 [2] Physique

Filtre passe-haut du premier ordre

log(w )0

log(w)

G (dB)

log(w )0

log(w)

jp

p2

4

2-p

H(ω) =H0 j

ω

ω0

1 + jω

ω0

Filtre passe-bas du deuxiegraveme ordre

log(w )0

log(w)

Q gt Q1 2 Q gt Q2 3

Q3

G (dB) log(w )0 log(w)Q gt Q1 2

Q3

j

0

2-p

-p

Q =1 gt Q2 3Ouml2

H(ω) =H0

1 +

(jω

ω0

)2+ j

ω

Qω0

Filtre passe-haut du deuxiegraveme ordre

log(w)

Q gt Q1 2

Q gt Q2 3

Q3

G (dB)

log(w )0

log(w )0 log(w)

Q gt Q1 2

Q3

j

0

2p

p

Q =1 gt Q2 3Ouml2

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 73

1 Eacutelectronique 73

H(ω) =

H0

(jω

ω0

)

1 +

(jω

ω0

)2+ j

ω

Qω0

Filtre passe bande du deuxiegraveme ordre

log(w)

Q gt Q1 2

Q gt Q2 3

Q3

G (dB)

log(w )0

log(w )0

log(w)

Q gt Q1 2

Q3

jp

0

2

2-p

Q =1 gt Q2 3Ouml2

H(ω) =H0

1 + jQ

ω0minus ω0

ω

)

13 Montages avec amplificateur opeacuterationnel

GeacuteneacuteraliteacutesPour un amplificateur opeacuterationnel ideacuteal en reacutegime lineacuteaire ndash ε = V+ minusVminus = 0lArrrArr |uS| 6 Vsatndash Si ε lt 0 uS = minusVsat si ε gt 0 uS = Vsat on est en reacutegime satureacutendash Lrsquointensiteacute entrant par les bornes + et minus est nulle

Suiveur de tension

+yen-e

uSuE

iS

uS = uE

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 74

74 [2] Physique

Amplificateur inverseur

+yen

-

R2

uSuE

iER1 e

uS = minusR2

R1uE

Amplificateur non inverseur

+yen-

R2

uSuE

iEiS

R1 e

uS =

(1 +

R2

R1

)uE

Convertisseur courant-tension

+yen-

R

uSuE

iE iSe

uS = minusR middot iE

Comparateur simple

+yen-

uSu2 u1

e

Si u1 gt u2 uS = +VsatSi u1 lt u2 uS = minusVsat

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 75

1 Eacutelectronique 75

Inteacutegrateur theacuteorique

+yen-R

C

uSuE

e uS =

minus 1RC

int t

t0uE(t) dt + us(t0)

Deacuterivateur theacuteorique

+yen-

R

uSuE

C e

uS = minusRCduEdt

Comparateur agrave hysteacutereacutesis

ε =R1

R1 + R2uS minus uE

ndash Si uS = +Vsat rArr ε gt 0rArr uE ltR1

R1 + R2Vsat

ndash Si uS = minusVsat rArr ε lt 0rArr uE gt minus R1

R1 + R2Vsat

ndash Si uE isin]minus R1

R1 + R2Vsat

R1

R1 + R2Vsat

[alors le montage est bistable

(uS = plusmnVsat)

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 76

76 [2] Physique

Sommateur inverseur

+yen-

R2

uS

uE1 uE2 uE3

uE1

i1

i2

i3

R11

R1 2

R1 3

e

ik =uEk

R1kuS = minusR2 sum

k

uEk

R1k

2 Thermodynamique

21 Gaz parfait

Eacutequation drsquoeacutetat

pV = nRT

p pression du gazV volume du gazR = N middot k constante des gaz par-faitsT tempeacuteraturen quantiteacute de matiegravere

Vitesse quadratique moyenne

12mu2 =

32kT

m masse atomique du gazu vitesse quadratique moyennek constante de BoltzmannT tempeacuterature

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 77

2 Thermodynamique 77

Coefficients thermoeacutelastiques

α =1V

(partVpartT

)

p

β =1p

(partppartT

)

V

χT = minus 1V

(partVpartp

)

T

α coefficient de dilatation isobareβ coefficient drsquoaugmentation depression agrave volume constantχT coefficient de compressibiliteacuteisothermep pressionT tempeacuteratureV volume

Relation entre les coefficients thermoeacutelastiquesα = pβχT

Modegravele de Van der Waals

(p +

n2a

V2

)(V minus nb) = nRT

a b constantes positivesn quantiteacute de matiegraverep pressionT tempeacuteratureV volumenb covolumeR constante des gaz parfaits

22 Premier et second principes de la thermodynamique

Premier principe

∆U = W + Q

∆U variation drsquoeacutenergie interneW transfert meacutecaniques reccedilus parle systegravemeQ transferts thermiques vers lesystegravemec copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 78

78 [2] Physique

Travail reacuteversible des forces de pression

W = minusint V f

Vi

p dV

W travail des forces de pressionVi volume initialV f volume finalp pressionSi la transformation est isobarealors W = minusp∆V

Enthalpie

H = U + pV

H enthalpieU eacutenergie internep pressionV volume du systegravemeLrsquoenthalpie est une fonction drsquoeacutetat

Premiegravere loi de Joule pour un gaz parfait

dU = CV dT

dU variation drsquoeacutenergie interneCV capaciteacute thermique agrave volumeconstantdT variation de tempeacuterature

CV =

(partUpartT

)

V

Autre formulation U ne deacutependque de T

Seconde loi de Joule pour un gaz parfait

dH = Cp dT

dH variation drsquoenthalpieCp capaciteacute thermique agrave pressionconstantedT variation de tempeacuterature

Cp =

(partHpartT

)

p

Autre formulation H ne deacutependque de T

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 79

2 Thermodynamique 79

Gaz parfait monoatomique

U =32nRT

H =52nRT

U eacutenergie interneH enthalpien quantiteacute de matiegravereR constante des gaz parfaitsT tempeacuterature

Bilan sur les eacutecoulements permanents

(h2 + ek2+ ρgz2)minus (h1 + ek1

+ ρgz1) = wm + qm

wm

qm

Cette relation est aussi appeleacuteerelation de ZeunerOn indexe par 1 et 2 les grandeursrelatives au fluide respectivementen amont et en aval de la machine

hi enthalpie massiqueeki

eacutenergie cineacutetique massiqueρgzi eacutenergie potentielle de pesan-teur massiquewm travail reccedilu par lrsquouniteacute demasse de fluide qui traverse la ma-chineqm transfert thermique reccedilu parlrsquouniteacute de masse de fluide qui tra-verse la machine

Deacutetente de Joule Gay-Lussac

eacutetat initial

eacutetat final

∆U = 0

U eacutenergie interne

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 80

80 [2] Physique

Deacutetente de JoulendashKelvin

h1 + ek1= h2 + ek2

En eacutecoulemement lent (eki≪ hi)

la deacutetente est isenthalpique (h2 =h1)

Rapport des capaciteacutes thermiques

γ =Cp

CVgt 1

Cp =γR

γminus 1

CV =R

γminus 1R constante des gaz parfaitsγ rapport des capaciteacutes ther-miques

Second principe ndash Entropie

dS =δQ

+ δSirrev

S entropieQ transferts thermiques vers lesystegravemeTΣ tempeacuterature de surface dusystegravemeδSirrev gt 0 creacuteation drsquoentropieLrsquoentropie est une mesure statis-tique du deacutesordre

Identiteacutes thermodynamiques

dU = T dSminus p dV

dH = T dS +V dp

dU variation drsquoeacutenergie internedH variation drsquoenthalpiedS variation drsquoentropiep pression du gazV volume du systegravemeT tempeacuterature

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 81

2 Thermodynamique 81

Lois de Laplace

p Vγ = cste1

T Vγminus1 = cste2

Tγp1minusγ = cste3

Ces lois deacutecrivent lrsquoeacutevolution desparamegravetres thermodynamiquespour une transformation isentro-pique (adiabatique reacuteversible) degaz parfaitp pression du gazV volume du systegravemeT tempeacuteratureγ rapport isentropique

23 Changements de phase drsquoun corps pur

Diagramme drsquoeacutetat

vapeur

C

T

T

p

liquidesolide

Le point C est le point critique au delagraveduquel on ne fait plus la diffeacuterence entrela phase liquide et la phase vapeur (eacutetatfluide)Le point T est le point triple ougrave toutes lesphases coexistentp pressionT tempeacuterature

Nomenclature des changements de phase

vapeurliquidesolidefusion

sublimation

condensation

solidification liqueacutefaction

vaporisation

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 82

82 [2] Physique

Diagramme drsquoeacutequilibre liquidendashvapeur

vapeur

T T= C

T gt TC

T lt TC

liquide+

vapeur

C

vvl

vv

VLM

p

V

liquide

courbe drsquoeacutebullition

courbe de roseacutee

vapeur

p = pC

p gt pC

p lt pC

liquide+

vapeur

C

ssl s

v

VL

M

T

S

liquide

courbe drsquoeacutebullition

courbe de roseacutee

Titre de vapeur ndash Titre de liquide

xv =mv

m=

LM

LV

xl =mlm

=MV

LV

xl titre massique de liquidexv titre massique de vapeurml mv masse de liquide et de vapeurLM LVMV distance LM LVMVmesureacutees sur un des deux diagrammesdrsquoeacutetat preacuteceacutedent

On a eacutegalement la relation xl + xv = 1

Expression des fonctions drsquoeacutetat

u = x1u1 + x2u2

h = x1h1 + x2h2

s = x1s1 + x2s2

xi le titre massique du corps pur dansla phase iui hi si lrsquoeacutenergie interne massiquelrsquoenthalpie massique et lrsquoentropie mas-sique du corps dans la phase iu h s lrsquoeacutenergie interne massique lrsquoen-thalpie massique et lrsquoentropie massiquedu corps

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 83

2 Thermodynamique 83

Chaleur latente

l1rarr2 = h2 minus h1 = T(s2 minus s1)

l1rarr2 chaleur latente massique de pas-sage de la phase 1 agrave la phase 2hi enthalpie massique du corps dans laphase isi entropie massique du corps dans laphase iT tempeacuterature de cœxistance desphases

Relation de Clapeyron

l1rarr2 = T(v2 minus v1)partppartT

l1rarr2 chaleur latente massique de pas-sage de la phase 1 agrave la phase 2vi volume massique du corps dans laphase ip pressionT tempeacuterature de changement drsquoeacutetat

24 Machines thermiques

Machines dithermes

machine

QC

W

QF

TC TF

TC tempeacuterature de la source chaudeQC transfert thermique algeacutebrique dela source chaude vers la machineTF tempeacuterature de la source froideQF transfert thermique algeacutebrique de lasource froide vers la machineW transfert meacutecanique reccedilu par la ma-chine

Premier et second principes appliqueacutes sur un cycle

∆U = 0

∆S = 0

Sur un cycle la variation drsquoeacutenergie in-terne (U) et drsquoentropie (S) est nulle(fonctions drsquoeacutetat)c copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 84

84 [2] Physique

Ineacutegaliteacute de Clausius

QC

TC+

QF

TF6 0

(Second principe appliqueacute agrave la machine)TC tempeacuterature de la source chaudeQC transfert thermique algeacutebrique dela source chaude vers la machineTF tempeacuterature de la source froideQF transfert thermique algeacutebrique de lasource froide vers la machine

Efficaciteacute de Carnot du moteur ditherme

eC = 1minus TFTC

e 6 eC

eC efficaciteacute de Carnot (machine reacutever-sible)TC tempeacuterature de la source chaudeTF tempeacuterature de la source froidee efficaciteacute reacuteelle

Efficaciteacute de Carnot du reacutefrigeacuterateur ditherme

eC =TF

TC minus TFe 6 eC

eC efficaciteacute de Carnot (machine reacutever-sible)TC tempeacuterature de la source chaudeTF tempeacuterature de la source froidee efficaciteacute reacuteelle

Efficaciteacute de Carnot de la pompe agrave chaleur

eC =TC

TC minus TFe 6 eC

eC efficaciteacute de Carnot (machine reacutever-sible)TC tempeacuterature de la source chaudeTF tempeacuterature de la source froidee efficaciteacute reacuteelle

Repreacutesentation du cycle

p

V

Le transfert meacutecanique reccedilu par la ma-chine correspond agrave lrsquoaire inteacuterieure de lacourbe dans le diagramme de Clapey-ron (pV) Cette aire doit donc ecirctre neacute-gative (parcourue dans le sens horaire)pour obtenir un moteur (w lt 0)

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 85

2 Thermodynamique 85

T

S

Le transfert thermique reccedilu correspondagrave lrsquoaire inteacuterieure agrave la courbe dans le dia-gramme (S T)

25 Diffusion thermique

Flux thermique

Φth =intint

Sjjjth middotnnn dS

Φth flux thermiquejjjth vecteur courant de diffusionthermiquennn normale agrave la surface dS

Loi de Fourier

jjjth = minusλgradT

jjjth vecteur courant de diffusionthermiqueT tempeacuteratureλ conductiviteacute thermique

Eacutequation de la chaleur

partTpartt

= κ∆T

κ =λ

ρC

κ diffusiviteacute thermiqueT tempeacuterature∆ laplacien scalaireλ conductiviteacute thermiqueρ masse volumiqueC capaciteacute thermique

Convection

jc = minush(Tint minus Text)

jc courant de convection algeacutebriqueh coefficient de convectionTint tempeacuterature inteacuterieureText tempeacuterature exteacuterieure

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 86

86 [2] Physique

Conductance thermique

Φ = G(Tint minus Text)

G = heqS

heq =

(

sumi

1hi

+ sumj

e j

λ j

)minus1

En reacutegime permanent on deacutefinitainsi la conductance thermiqueΦ flux thermique totalG conductance thermiqueTint tempeacuterature inteacuterieureText tempeacuterature exteacuterieureh coefficient de convectionλ conductiviteacute thermiquee j epaisseur de la paroi de conduc-tiviteacute λ j

26 Rayonnement thermique

Flux thermique

ϕi︸︷︷︸incident

= ϕr︸︷︷︸reacutefleacutechi

+ ϕa︸︷︷︸absorbeacute

ϕp︸︷︷︸partant

= ϕe︸︷︷︸eacutemis

+ ϕr︸︷︷︸reacutefleacutechi

+ ϕt︸︷︷︸transmis

Fi

Fr Fd

Ft

Fa

Loi de Planck

Fλ(λ T) =2πhc2

λ51

ehc

kλTminus1

Fλ(λ T) eacutemittanceλ longueur drsquoondeT tempeacuteratureh constante de Planckc vitesse de la lumiegravere dans levidek constante de Boltzmann

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 87

2 Thermodynamique 87

Repreacutesentation graphique de la loi de Planck

F ( T)l l

lieu des maximums

T T1 2gt

T T2 3gt

T T3 4gt

T4

l

Loi du deacuteplacement de Wien

λmT = 2 897 8 microm middotKλm longueur drsquoonde ougrave lrsquoeacutemis-sion est maximaleT tempeacuterature

Loi de StefanCette loi est valable pour tout corps agrave lrsquoeacutequilibre thermodynamique etagrave lrsquoeacutequilibre thermique pour ϕp

ϕe =int +infin

0Fλ(λ T) dλ

ϕe = σT4

ϕe flux eacutemisFλ(λ T) luminance (deacutecrite parla loi de Planck)σ constante de Stefanλ longueur drsquoondeT tempeacuterature

Corps noir

Un corps noir absorbe le flux incident pour toute longueur drsquoonde etquelque soit son incidence Il est en eacutequilibre radiatif (ϕp = ϕi etϕe = ϕa ougrave ϕp est le flux partant ϕi le flux incident ϕe le flux eacutemiset ϕa le flux absorbeacute) et thermique

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 88

88 [2] Physique

3 Meacutecanique du point

31 Cineacutematique

Coordonneacutees carteacutesiennes

OMOMOM = xiii + yjjj + zkkk

x abscissey ordonneacuteez cote

vvv =dOMOMOMdt

=

xyz

aaa =d2OMOMOMdt2

=

xyz

M

i

kj

z

x

zM

xM

yMy

O

Coordonneacutees cylindriques

OMOMOM = ruuur + zuuuz

r rayon polaireθ angle polairez cote

vvv =dOMOMOMdt

=

rrθz

uuur

uuuθ

uuuz

aaa =d2OMOMOMdt2

=

rminus rθ2

2rθ + rθz

uuur

uuuθ

uuuz

M

i

ur

uz

uq

kj

q

z

x

zM

xM

yM y

r

O

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 89

3 Meacutecanique du point 89

Coordonneacutees spheacuteriques

OMOMOM = ruuur

r rayonθ colatitude variant dans [0π]ϕ longitude variant dans [0 2π]

vvv =dOMOMOMdt

=

rrθ

r sin θϕ

uuur

uuuθ

uuuϕ

M

ur

uj

uq

i

k

j

j

q

x

z

r

zM

xM

yM yO

Mouvement circulaire uniforme

OMOMOM = ruuur

r rayon polaireθ angle polaireωωω vitesse angulaire uniforme(ωωω = ωuuuz)

M

v(M)

a(M)ur

uq q x

z

y

O

vvv = ωuuuz andOMOMOM = ωruuuθ aaa = minusω2ruuur = minus v2

ruuur

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 90

90 [2] Physique

32 Changement de reacutefeacuterentiel

x

xrsquo

z zrsquo

y

yrsquo

O Orsquo

Composition des vitesses

vvv(M)R = vvv(M)Rprime︸ ︷︷ ︸vitesse relative

+vvv(Oprime)R + ΩΩΩ andOprimeMOprimeMOprimeM︸ ︷︷ ︸vitesse drsquoentraicircnement

ΩΩΩ vecteur de rotation instantanneacutee de Rprime par rapport agrave R

Composition drsquoacceacuteleacuteration

aaa(M)R = aaa(M)Rprime+ 2ΩΩΩ and vvv(M)Rprime︸ ︷︷ ︸acceacuteleacuteration de Coriolis (ac)

+aaa(Oprime)R + ΩΩΩ and(ΩΩΩ andOprimeMOprimeMOprimeM

)+

dΩΩΩ

dtandOprimeMOprimeMOprimeM

︸ ︷︷ ︸acceacuteleacuteration drsquoentraicircnement (ae)

Forces associeacutees

fffe = minusmaaae

fffc = minusmaaac

fffe force drsquoentraicircnementfffc force de Coriolisaaae acceacuteleacuteration drsquoentraicircnementaaac acceacuteleacuteration de Coriolis

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 91

3 Meacutecanique du point 91

Reacutefeacuterentiel en rotation uniforme autour drsquoun axe fixe

fffe = mΩ2ruuur

(force centrifuge)

fffc = minus2mΩΩΩ and vvv(M)Rprime

W t

W

z = zrsquo

x

yrsquo

xrsquo

yO

Reacutefeacuterentiel galileacuteenDans un reacutefeacuterentiel galileacuteen un point mateacuteriel isoleacute est soit au repossoit animeacute drsquoun mouvement rectiligne uniforme

33 Lois geacuteneacuterales de la meacutecanique

Principe des actions reacuteciproques

FFF1rarr2 = minusFFF2rarr1

M1M2M1M2M1M2 and FFF1rarr2 = 000

FFFirarr j force de i sur jMi point drsquoapplication de la forceFirarr j

Principe fondamental de la dynamique

dpppdt

= sumi

fffi

ppp = mvvv quantiteacute de mouvementdu systegravemefffi force appliqueacutee au systegravemesumi

fffi reacutesultante des forces

Quantiteacute de mouvement drsquoun systegraveme fermeacute

ppp = sumi

mivvv(Pi) = Mvvv(G)

ppp quantiteacute de mouvement du sys-tegravememi masse associeacutee au point mateacute-riel PiM masse du systegravemeG centre de masse du systegraveme

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 92

92 [2] Physique

Theacuteoregraveme du moment cineacutetique en un point fixe

dLLLO

dt=MMMO

(

sumi

fffi

)LLLO moment cineacutetique au point dereacuteduction O

MMMO

(

sumi

fffi

) moment de la reacutesul-

tante des forces en O

Moment cineacutetique ndash Moment cineacutetique barycentrique

LLLB = LLLA +BABABA andmvvv(M)

LLLlowastsystegraveme = LLLG

LLLP moment cineacutetique en Pm masse du systegravemevvv(M) vitesse du point MLLLlowastsystegraveme moment cineacutetique bary-centrique du systegraveme

Theacuteoregraveme de Kœnig du moment cineacutetique

LLLA = LLLlowast +AGAGAG andMvvv(G)

LLL(P) moment cineacutetique en PLLLlowast moment cineacutetique barycen-triqueM masse du systegravemevvv(G) vitesse du centre de graviteacutedu systegraveme

Moment de forces

MMMB(fff) =MMMA(fff) +BABABA and fff MMMP moment de force en Pfff force appliqueacutee au systegraveme

Theacuteoregraveme du moment cineacutetique en un point mobile

dLLLAdt = MMMA (sumi fffi)

minusvvv(A) andmvvv(P)

LLL moment cineacutetique

MMM(

sumi

fffi

) moment de la reacutesul-

tante des forcesm masse du systegravemevvv(P) vitesse de P

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 93

3 Meacutecanique du point 93

Puissance drsquoune force

P = fff middot vvvP puissance de la force ffffff forcevvv(G) vitesse du point mateacuteriel

Eacutenergie cineacutetique drsquoun point et drsquoun systegraveme de points

Ek =12mv2

Ek = sumi

mi

2v2i

Ek eacutenergie cineacutetiquem masse du systegravememi masse du point mateacuteriel Piv vitesse du systegravemevi vitesse du point mateacuteriel Pi

Theacuteoregraveme de lrsquoeacutenergie cineacutetique

dEkdt

= PEk eacutenergie cineacutetiqueP puissance des forces appli-queacutees au systegraveme

Theacuteoregraveme de Kœnig de lrsquoeacutenergie cineacutetique

Ek = Elowastk +12mv2(G)

Ek eacutenergie cineacutetiqueElowastk eacutenergie cineacutetique barycen-triquem masse du systegravemev(G) vitesse du centre de graviteacutedu systegraveme

Eacutenergie meacutecanique

Em = Ek + Ep

Em eacutenergie meacutecaniqueEk eacutenergie cineacutetiqueEp eacutenergie potentiellec copy

Duno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 94

94 [2] Physique

Eacutenergies potentielles

ndash eacutenergie potentielle de pesanteur

Eppes = MgzG

Eppes eacutenergie potentielle de pe-santeurm masse du systegravemeg acceacuteleacuteration de la pesanteurzG cote du centre de graviteacute dusystegraveme

ndash eacutenergie potentielle eacutelastique

Epelas=

12k(∆l)2

Epelas eacutenergie potentielle eacutelastique

k constante de raideur du ressort∆l allongement du ressort

ndash eacutenergie potentielle de gravitation

Epgrav = minusGm1m2

r

Epgrav eacutenergie potentielle de gra-vitationG constante universelle de gravi-tationm1 m2 masses en interactionr distance seacuteparant les deuxmasses

ndash eacutenergie potentielle eacutelectrique

Epel= qV

Epel eacutenergie potentielle eacutelectrique

q charge ponctuelleV potentiel au point ougrave se trouvela charge

Eacutequilibre

dEp

dx(x0) = 0

x0 position drsquoeacutequilibreEp eacutenergie potentielle

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 95

3 Meacutecanique du point 95

Eacutequilibre stable ndash Eacutequilibre instable

d2 Ep

dx2(x0) gt 0

x0

Ep

xO

Minimum drsquoeacutenergie potentielle eacutequilibre stable

d2 Ep

dx2(x0) 6 0

x0

Ep

xO

Maximum drsquoeacutenergie potentielle eacutequilibre instable

Forces conservatives

FFFcons = minusgradEp Les forces conservatives deacuteriventdrsquoune eacutenergie potentielle

Theacuteoregraveme de lrsquoeacutenergie meacutecanique

dEm

dt= Pext non cons +Pint non cons

Em eacutenergie meacutecaniquePext non cons puissance des forcesexteacuterieures au systegraveme nonconservativesPint non cons puissance des forcesinteacuterieures au systegraveme (dans lecas drsquoun systegraveme de points) nonconservatives

34 OscillateursOn se reportera eacutegalement aux oscillateurs eacutelectriques dans la partie eacutelec-tronique de cet ouvrage

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 96

96 [2] Physique

Oscillateur harmonique

d2 Adt2

+ ω20A = 0

A = α cosω0t + β sinω0t

A = γ cos(ω0t + ϕ)

Un oscillateur harmonique est reacute-git par lrsquoeacutequation ci-contre ougrave A grandeur physiqueω0 pulsation de lrsquooscillateurαβγϕ constantes deacutetermineacuteespar les conditions initiales

Portrait de phase drsquoun oscillateur harmonique

A

Aw0

0

Le portrait de phase drsquoun oscilla-teur harmonique est constitueacute decercles concentriques

Oscillateur harmonique amorti

d2 Adt2

+ω0

Q

dAdt

+ ω20A = 0

A grandeur physiqueω0 pulsation de lrsquooscillateur har-moniqueQ facteur de qualiteacute de lrsquooscilla-teur

Reacuteponses drsquoun oscillateur harmonique amorti

Q gt 12 les deux racines delrsquoeacutequation caracteacuteristique r1 et r2sont reacuteelles la solution est du typeapeacuteriodique A(t) = λer1t + microer2t

A( )t

t

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 97

3 Meacutecanique du point 97

Q = 12 on est en reacutegimecritique lrsquoeacutequation caracteacuteristiqueadmet une racine double r La so-lution est A(t) = (λt + micro)ert

A( )t

t

Q lt 12 les deux racinesde lrsquoeacutequation caracteacuteristiques sontcomplexes conjugueacutees la solu-tion est alors pseudo-peacuteriodique A(t) = (λ cos(βt) + micro sin(βt))eαt

avec α et β respectivement partiesreacuteelle et imaginaire de la solution

A( )t

t

Portrait de phase drsquoun oscillateur amorti

Qgt1

2

Q=12

Q

lt12

A

Aw0

Oscillations forceacutees

d2 Adt2

+ω0

Q

dAdt

+ ω20A = E(t)

A grandeur physiqueω0 pulsation de lrsquooscillateur har-moniqueQ facteur de qualiteacute de lrsquooscilla-teurE(t) excitationSi lrsquoexcitation est sinusoiumldale onreacutesout une telle eacutequation en utili-sant la notation complexe et en po-sant A(t) = A0e

jωtIl ne peut y avoir reacutesonance que siQ gt 1

radic2

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 98

98 [2] Physique

35 Mouvement drsquoune particule chargeacutee

Force de Lorentz

FFF = q(EEE + vvv andBBB)

FFF force de Lorentzq charge de la particulevvv vitesse de la particuleBBB champ magneacutetiqueEEE champ eacutelectrique

Mouvement dans un champ magneacutetique stationnaire uniforme

R =

∣∣∣∣mv0qB

∣∣∣∣

ω =

∣∣∣∣qB

m

∣∣∣∣

Ces lois deacutecrivent la trajectoire cir-culaire drsquoune particule de masse met de charge q abandonneacutee dansun champ magneacutetique avec unevitesse vvv0 orthogonale au champmagneacutetique BBBR rayon de la trajectoireω vitesse angulaire de la parti-cule

Un champ magneacutetique ne fait que deacutevier une particule il ne lrsquoacceacutelegraverepas

Effet Hall

EEEHall = minusvvv andBBB

UHall =BI

nqℓ

EEEHall champ eacutelectrique creacuteeacute pareffet HallUHall diffeacuterence de potentiel quiapparaicirct aux bornes de la sondevvv vitesse des particulesBBB champ magneacutetiqueI intensiteacute du courant traversantla sonden densiteacute particulaireq charge de la particuleℓ largeur de la sonde

B

EHall

I l

+++++++

ndashndashndashndashndashndashndash

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 99

3 Meacutecanique du point 99

36 Systegravemes de deux points mateacuteriels

Systegraveme isoleacute de deux points mateacuterielsPour eacutetudier un systegraveme isoleacute de deux points mateacuteriels de masse m1 etm2 on eacutetudie le mouvement drsquoune particule eacutequivalente dans le reacutefeacute-

rentiel barycentrique et de masse micro =m1m2

m1 + m2situeacutee en un point M

tel que GMGMGM = M1M2M1M2M1M2 = rrr

GM1GM1GM1 =minusm2

m1 + m2M1M2M1M2M1M2

GM2GM2GM2 =m1

m1 + m2M1M2M1M2M1M2

(m1 + m2)vvv(G) = cstecstecste

mi masse de la particule se trou-vant en Mimicro masse reacuteduiteG centre de graviteacute du systegravemevvv(G) vitesse de ce centre de gra-viteacutevvvi vitesse de la particule se trou-vant en Mi

Conservation du moment cineacutetique

LLLO = mCCC

ppp = CsteCsteCste

Dans le cas drsquoun systegraveme isoleacute dedeux particules il y a conserva-tion du moment cineacutetique et de laquantiteacute de mouvementLLL moment cineacutetiqueP point fictif (repreacutesentant le mo-bile eacutequivalent)vvv(P) vitesse de ce pointm masse du systegravemeCCC constante des aires

Planeacuteiteacute de la trajectoire ndash Loi des aires

La trajectoire est plane et la vitesseareacuteolaire est constante

dAdt

=C

2laquo Pour des temps eacutegaux les airesbalayeacutees sont eacutegales raquo

v( )M

d aire balayeacuteependant dA

t

O

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 100

100 [2] Physique

Eacutenergie potentielle efficace

Elowastm =12micror2 + Epe f f = E0

Epe f f =microC2

2r2+ Epint (r)

Pour un systegraveme isoleacute de deuxpoint mateacuteriels il y a conserva-tion de lrsquoeacutenergie meacutecanique bary-centriqueElowastm eacutenergie meacutecanique barycen-triqueEpe f f eacutenergie potentielle efficaceEpint (r) eacutenergie potentielle inteacute-rieure

micro masse reacuteduite(

micro =m1m2

m1 + m2

)

r = M1M2C constante des aires

Formules de Binet

vvv = minusCdudθ

uuur + Cuuuuθ

aaa = minusC2u2

(d2 udθ2 + u

)uuur

u =1r

vvv vitesseaaa acceacuteleacuterationC constante des airesθ angle polaireuuur vecteur radialuuuθ vecteur orthoradial

Trajectoires newtonniennes en coordonneacutees polaires

r(θ) =p

1 + e cos(θminus θ0)

p paramegravetre de la coniquee excentriciteacute de la coniquee et θ0 sont deacutetermineacutes par lesconditions initiales

Lois de KeplerCes lois deacutecrivent les trajectoires des planegravetes en supposant le reacutefeacuteren-tiel de Kepler centreacute sur le soleil galileacuteen et les trajectoires des diffeacute-rentes planegravetes indeacutependantes1 Les orbites des planegravetes sont des ellipses ayant le soleil pour foyer2 La vitesse areacuteolaire est constante pour des temps eacutegaux les airesbalayeacutees sont eacutegales

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 101

4 Meacutecanique du solide 101

3 Le carreacute de la peacuteriode est proportionnelle au cube du grand axe

T2 =4π2a3

GMsoleil

4 Meacutecanique du solide

41 Cineacutematique du solide

Champ de vitesse du solide

vvv(A t) = vvv(B t) +ABABAB andΩΩΩ(t)

vvv vitesse du point du solideconsideacutereacuteΩΩΩ vecteur instantaneacute de rotationdu solide

Roulement sans glissement

vvvg S1S2= vvv(IS1 )minus vvv(IS2 ) = 000

vvv(ISk) vitesse du point appar-

tenant au solide Sk et coiumlncidentavec le point I de contact entre lesdeux solidesvvvg S1S2

vitesse de glissement deS1 par rapport agrave S2

Eacutenergie cineacutetique du solide

Ek =12mv2(G)︸ ︷︷ ︸translation

+12J∆Ω2

︸ ︷︷ ︸rotation propre

Ek eacutenergie cineacutetiquem masse du solidev(G) vitesse du centre drsquoinertieJ∆ moment drsquoinertie par rapportagrave lrsquoaxe de rotation instantaneacute dusolide dans le reacutefeacuterentiel barycen-triqueΩΩΩ vecteur vitesse de rotation ins-tantaneacute

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dL

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toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 102

102 [2] Physique

Moment drsquoinertie

Moment drsquoinertie par rapport agravelrsquoaxe ∆

J∆ =intintint

solider2 dm

Eacuteleacutements cineacutetiques L∆ = J∆Ω (Moment cineacutetique)Ek = 1

2 J∆Ω2 (Eacutenergie cineacutetique)D

W

r

Theacuteoregraveme drsquoHuygens

J∆ = JG + ma2

J∆ moment drsquoinertie par rapportagrave lrsquoaxe de rotationJG moment drsquoinertie par rapportagrave lrsquoaxe passant par G et parallegravele agrave∆

D

Wa

G

Quelques moments drsquoinertie classiques

D

R

D

R

h

D

l 2 l 2

sphegravere pleinehomogegravene de masse

m

cylindre pleinhomogegravene de masse

m

tige mincehomogegravene de masse

m

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 103

4 Meacutecanique du solide 103

J∆ =25mR2 J∆ =

12mR2 J∆ =

112

mℓ2

42 Theacuteoregravemes geacuteneacuteraux de la dynamique

Theacuteoregraveme du centre drsquoinertie

mdvvvGdt

= sumi

fffivvvG vitesse du centre drsquoinertie dusolidefffi force exteacuterieure appliqueacutee ausolide

Theacuteoregraveme du moment cineacutetique

dLLLO

dt= sum

i

OMOMOMi and fffi

LLLO moment cineacutetique du solideen O point immobilefffi force exteacuterieure appliqueacutee ausolideMi point drsquoapplication de la forcefi

Moment cineacutetique ndash Moment cineacutetique barycentrique

LLLB = LLLA +BABABA andmvvv(P)

LLLlowastsystegraveme = LLLG

LLL moment cineacutetiquem masse du solidevvv(P) vitesse du point PLLLlowastsystegraveme moment cineacutetique bary-centrique du solide

Theacuteoregraveme de Kœnig du moment cineacutetique

LLLA = LLLlowast +AGAGAG andmvvv(G)

LLL moment cineacutetiqueLLLlowast moment cineacutetique barycen-triquem masse du systegravemevvv(G) vitesse du centre de graviteacutedu solide

Theacuteoregraveme de lrsquoeacutenergie cineacutetique

dEkdt

= PextEk eacutenergie cineacutetiquePext puissance des forces exteacute-rieures appliqueacutees au solide

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 104

104 [2] Physique

Puissance des forces appliqueacutees agrave un solide

P = FFF middot vvv(G) +MMMG middotΩΩΩ

P puissance des forces appli-queacutees au solideFFF force reacutesultantevvv(G) vitesse du centre drsquoinertiedu solideMMM moment des forces exteacuterieuresen GΩΩΩ vecteur de rotation instantaneacuteedu solide

Theacuteoregraveme de Kœnig de lrsquoeacutenergie cineacutetique

Ek = Elowastk +12mv2(G)

Ek eacutenergie cineacutetiqueElowastk eacutenergie cineacutetique barycen-triquem masse du solidevvv(G) vitesse du centre drsquoinertiedu solide

Theacuteoregraveme de lrsquoeacutenergie meacutecanique

dEm

dt= Pext non cons

Em eacutenergie meacutecaniquePext non cons puissance des forcesexteacuterieures non conservatives

Liaison pivotPour une liaison pivot parfaiteM∆ = 0 ougraveM∆ est le moment desactions de contact

43 Contacts entre les solides

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 105

5 Optique 105

Roulement sans glissement

vvvg de S1S2= vvv(IS1 )minus vvv(IS2 ) = 000

vvv(ISk) vitesse du point appar-

tenant au solide Sk et coiumlncidentavec le point I de contact entre lesdeux solidesvvvg de S1S2

vitesse de glissementdu solide S1 par rapport au solideS2

N

T I

S1

S2

Lois de Coulomb1 La reacuteaction normale NNN est dirigeacutee vers lrsquoexteacuterieur du support2 Condition de roulement sans glissement

TTT lt fsNNNougrave TTT est la reacuteaction tangentielle ou force de frottement NNN la reacuteactionnormale et fs le coefficient de frottements statiques3 Srsquoil y a glissement TTT est dans la mecircme direction que la vitesse deglissement et de sens opposeacute Alors

TTT = fdNNNougrave fd est le coefficient de frottement dynamique souvent confonduavec fs

5 Optique

51 Geacuteneacuteraliteacutes

Propagation dans le vide drsquoune onde lumineuse

λ = cT =c

ν

λ longueur drsquoonde du signalc vitesse de la lumiegravere dans levideν freacutequence du signalT peacuteriode du signal

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 106

106 [2] Physique

Propagation dans un milieu transparent isotrope homogegravene

v =c

n

λ = vT =v

ν

v vitesse de la lumiegravere dans le mi-lieun indice du milieuT peacuteriode du signalν freacutequence du signal

Spectre

l (nm)

l (m)

f (Hz)

infrarougemicro ondes

ondes hertziennes

ultraviolet

rayons X

violet indigo bleu vert jaune orange rouge

vis

ible

10ndash9

400

1017

1016

1015

1014

1013

1012

1011

1010

10ndash8

450

10ndash7

480

10ndash6

530

10ndash5

590

10ndash4

620

10ndash3

700

10ndash2

52 Optique geacuteomeacutetrique

Loi de SnellndashDescartes

i2

i1 rn1

n2

n1 sin i1 = n2 sin i2

r = i1

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 107

5 Optique 107

Prisme

sin i1 = n sin r1

sin i2 = n sin r2

r1 + r2 = Ai1

A

D

r1

i2

n

r2

Deacuteviation du prisme

D = i1 + i2 minus A

Dm = 2 arcsin(n sin

A

2

)minus A

D deacuteviationA angle au sommet du prismeDm minimum de deacuteviationi angle drsquoincidence au minimumde deacuteviation

Approximation de GaussPour se placer dans lrsquoapproximation de Gauss il faut des faisceaux peuouverts et des angles drsquoincidence petits

Dioptre spheacuteriquen1pprimeminus n2

p=

n1 minus n2r

p abscisse du point objetpprime abscisse du point imageR = SC rayon algeacutebrique dudioptre

CS

n1 n2

I

r

Miroirs spheacuteriques

C S

I

r

CS

I

r

Miroir concave (R = SC lt 0) Miroir convexe (R = SC gt 0)

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dL

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 108

108 [2] Physique

Relation de conjugaison des miroirs spheacuteriques

1pprime

+1p

=2R

R rayon algeacutebrique du miroir(R lt 0 pour un miroir concave etR gt 0 pour un miroir divergent)pprime distance algeacutebrique de S aupoint imagep distance algeacutebrique de S aupoint objet

Miroir plan

pprime = minusp

pprime distance algeacutebrique de S aupoint imagep distance algeacutebrique de S aupoint objet

Lentilles minces

B

Brsquo

ArsquoA O FFrsquo

B

Brsquo

Arsquo

A OF

Frsquo

Lentille divergente Lentille convergente

Relation de conjugaison des lentilles minces

1pprimeminus 1

p=

1f prime

f prime distance focale de la lentille( f prime lt 0 pour une lentille diver-gente et f prime gt 0 pour une lentilleconvergente)pprime distance algeacutebrique du foyerau point imagep distance algeacutebrique du foyer aupoint objet

Relation de Descartes ndash Relation de Newton

f prime

pprime+

f

p= 1 f f prime = (pprime minus f prime)(pminus f )

(relation de Descartes) (relation de Newton)

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 109

5 Optique 109

Grandissement

γ =pprime

p

γ grandissementpprime distance algeacutebrique de O aupoint imagep distance algeacutebrique de O aupoint objet

53 Interfeacuterences lumineuses

Obtention drsquointerfeacuterencesOn ne peut obtenir drsquointerfeacuterences qursquoavec des rayons lumineux is-sus de deux sources coheacuterentes secondaires obtenues avec une seulesource par division ou du front drsquoonde ou de lrsquoamplitude

Chemin optique dans un milieu homogegravene isotrope

[SM] = c middot τSM

[SM] chemin optique de S agrave Mc vitesse de la lumiegravere dans levideτSM temps mis par le signal pourparcourir la distance SM

Diffeacuterence de marche

δ = [SP1M]minus [SP2M]δ diffeacuterence de marche[SPjM] chemin optique du rayonpassant par Pj

Vibration lumineuse

s(M) = s0 cos(ωtminusϕS minus 2π

λ [SM])

s(M) vibration lumineuse en MS0 amplitude de la vibrationω pulsation de la vibration lumi-neuseϕS phase de la vibration agrave lasourceλ longueur drsquoonde[SM] chemin optique de S agrave M

c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 110

110 [2] Physique

Vibration complexe

s(M) = S0ei(ωtminusϕs)eminus

2iπλ

[SM]

s(M) vibration lumineuse com-plexe en MS0 amplitude de la vibrationω pulsation de la vibration lumi-neuseϕS phase de la vibration agrave lasourceλ longueur drsquoonde[SM] chemin optique de S agrave M

Plan drsquoondeOn appelle plan drsquoonde un plan ougrave tous les points sont dans le mecircmeeacutetat vibratoire

Theacuteoregraveme de MalusLes rayons lumineux sont perpendiculaires en tout point aux surfacesdrsquoondes

Eacuteclairement

E(M) = αs2(M)

E(M) =12αs(M)slowast(M)

E(M) eacuteclairement au point Mα = cε0 une constante positive(E est en fait le vecteur de Poytingvoir cours drsquoeacutelectromagneacutetisme)s(M) vibration lumineuse en Ms(M) vibration lumineuse com-plexe en M

Interfeacuterences

E(M) = 2E0(1 + cos∆ϕ(M))

E(M) eacuteclairementE0 eacuteclairement de la source∆ϕ(M) deacutephasage en MLrsquoeacutecran est brillant si ∆ϕ = 2kπk isin ZLrsquoeacutecran est noir si ∆ϕ = (2k + 1)

π

2 k isin Z

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 111

5 Optique 111

Ordre drsquointerfeacuterence

p =∆ϕ

2π=

δ

λ

p ordre drsquointerfeacuterence∆ϕ deacutephasage en Mδ diffeacuterence de marcheλ longueur drsquoondeLrsquoeacutecran est brillant si p isin Z

Lrsquoeacutecran est sombre si p isin Z +12

Contraste

C =Emax minus Emin

Emax + Emin

C contrasteEmax eacuteclairement maximumEmin eacuteclairement minimum

Trous drsquoYoung

M x( )

x

a

D

S

δ(x) =ax

D(diffeacuterence de marche)

E(x) = 2E0

(1 + cos

2πλ

ax

D

)

i =λD

a(interfrange)

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 112

112 [2] Physique

54 Interfeacuteromegravetre de Michelson

Scheacutema

miroir M2

miroir M1seacuteparatrice SP

source S

Scheacutemas eacutequivalents avec une source ponctuelleCoin drsquoair Lame drsquoair

M2

M1

M1rsquo

SP

M x y( )

S1

S2

S

y

x

eM2

M1

M1rsquo

SP

S

y

x

M x y( )

a

S1 S2

Source ponctuelle ndash Source eacutetendueDans la suite nous consideacutererons que lrsquointerfeacuteromegravetre est eacuteclaireacute avecune source eacutetendue les interfeacuterences sont localiseacutees agrave lrsquoinfini (ob-servables dans le plan focal image drsquoune lentille convergente) alorsqursquoelles sont deacutelocaliseacutees avec une source ponctuelle

Lame drsquoair

δ = 2e cos iδ diffeacuterence de marchei angle drsquoincidencee laquo eacutepaisseur raquo entre les miroirs

e

i

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 113

5 Optique 113

Figure drsquointerfeacuterence

rn

rn =

radicλ f prime

e

radicn

Par symeacutetrie des anneauxrn rayon du ne anneauλ longueur drsquoondee laquo eacutepaisseur raquo entre les miroirsf prime distance focale de la lentille uti-liseacutee pour lrsquoobservation(valable si le centre de la figuredrsquointerfeacuterence est brillant)

Coin drsquoair

δ = 2αxδ diffeacuterence de marcheα angle entre les deux miroirs(quelques dixiegravemes de degreacutes)x abscisse du point du miroirconsideacutereacute

x

O

a

Figure drsquointerfeacuterence

i

i =λγ

Par symeacutetrie des frangesi interfrangeλ longueur drsquoondeα angle entre les deux miroirsγ grandissement de la lentille uti-liseacutee pour lrsquoobservation

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 114

114 [2] Physique

Source eacutemettant un doublet

E(e) = 4E0

(1 +V(e) cos

(4πeλ0

))

V(e) = cos

(2π

δλ

λ20e

)

On observe des battements

E

e

Luminance

Entre les freacutequences ν et ν + dν lasource eacutemet

dE = L(ν) dν

L( )n

n

dn

n2n1

Source agrave raie spectrale

E(e) = 4E0

(1 +V(e) cos

(4πeλ0

))

V(e) = sinc

(2π

δλ

λ20e

)

E

e

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 115

5 Optique 115

55 Autres dispositifs drsquointerfeacuterences

Le FabrymdashPeacuterotS

e

i

Le FabryndashPeacuterot permet de reacutealiser des interfeacuterences entre une infiniteacutedrsquoondes il est donc drsquoune tregraves grande preacutecision

Expression de lrsquoeacuteclairement drsquoun FabryndashPeacuterot

E(Φ) =E0

1 + 4r2(1minus r2)2

sin2(

Φ2

)

Φ =4πeλ0

cos i

F =4r2

(1minus r2)2 finesse

E

F2p 4p

Miroirs de Fresnel

miroir M2

miroir M1

sourceS

zonedrsquointerfeacuterence

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 116

116 [2] Physique

Expression de lrsquoeacuteclairement des miroirs de Fresnel

E(x) =E0

2

(1 + cos

(2πδ

λ

))

δ =2dαd + D

α angle entre les miroirsx abscisse drsquoun point de lrsquoeacutecrand distance entre la source et lrsquoar-recircte des miroirsD distance entre lrsquoarrecircte des mi-roirs et lrsquoeacutecranλ longueur drsquoonde

56 Diffraction des ondes lumineuses

Principe drsquoHuygensndashFresnelQuand une onde lumineuse traverse une ouverture (Σ) qui la limite pour deacutecrire lrsquoonde diffracteacutee au delagrave de (Σ) on suppose que chaquesurface eacuteleacutementaire (dΣ) autour du point courant P de (Σ) reacuteemet verslrsquoavant une ondelette spheacuterique ndash de mecircme freacutequence que lrsquoonde incidente ndash en phase en P avec lrsquoonde incidente ndash drsquoamplitude proportionnelle agrave celle de lrsquoonde incidente et agrave (dΣ)Crsquoest la superposition de ces ondelettes qui deacutecrit lrsquoonde diffracteacutee

Conditions de FraunhoferOn observe la diffraction agrave lrsquoinfini (crsquoest-agrave-dire agrave une distance tregravesgrande devant les dimensions de lrsquoobjet diffractant ou mieux au foyerobjet drsquoune lentille convergente)

Montage de la diffraction agrave lrsquoinfini

sourcedans le

plan focalobjet de ( )

S

L0

M

u

u0

lentille( )L0

lentille( )L

objetdiffractant

eacutecran( ) dans le planfocal image de ( )E

L

S

P

O

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 117

5 Optique 117

Formulation pratique du principe drsquoHuygensndashFresnel

s(M t) = kS0ei(ωtminus 2π

λ[SOM])

intint

PisinΣt(P)ei

π

λnOPOPOP(uuuminusuuu0) dΣ

k constante de FraunhoherS0 amplitude de la vibration lumineuset(P) transparence de lrsquoobjet diffractantn indice du milieu (supposeacute homogegravene)λ longueur drsquoonde de la lumiegravere utiliseacutee

Diffraction par une ouverture rectangulaire

S

M XY( )

f

X

Y

ua

b

( )L0 ( )L

S

O

E(XY) = k2S20a2b2 sinc2

(πaX

λ f

)sinc2

(πbY

λ f

)

k constante de Fraunhofera longueur de la fenteb largeur de la fentef distance focale de la lentille utiliseacutee pour lrsquoobservationλ longueur drsquoonde de la lumiegravere utiliseacuteeOn suppose ici que t(P) = 1 en tout point de lrsquoouverture et que cettemecircme ouverture est plongeacutee dans un milieu drsquoindice uniforme 1

tache centrale

1 zeacuteroer

2 zeacuteroe

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 118

118 [2] Physique

Diffraction par un motif circulaire

La majoriteacute de la lumiegravere est dans un disque de rayon angulaire

θ = 0 61λ

r(tache drsquoAiry) ougrave θ est le rayon angulaire du premier an-

neau sombreCritegravere de seacuteparation de Rayleigh deux taches lumineuses sont seacutepa-reacutees si leur centres sont distincts de plus du rayon de la tache drsquoAiry

Diffraction par un objet opaque

On obtient la mecircme figure agrave lrsquoeacutecran que pour une ouverture de lamecircme forme si ce nrsquoest que le centre est tregraves brillant

6 Eacutelectromagneacutetisme

61 Eacutelectrostatique

Symeacutetries du champ eacutelectriqueLe champ EEE est symeacutetrique par rapport aux plans de symeacutetrie descharges et antisymeacutetrique par rapport aux plans drsquoantisymeacutetrie descharges

Champ et potentiel creacuteeacutes par une charge fixe

q

M

u

r

E(M)

V(M) =q

4πε0r

EEE(M) =q

4πε0r2uuu

EEE = minusgradV

q charge ponctuelle fixeε0 permeacuteabiliteacute du vider distance entre le point M et lachargeEEE(M) champ eacutelectrique en MV(M) potentiel eacutelectrique en M

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 119

6 Eacutelectromagneacutetisme 119

Distribution discregravete ndash Distribution continueDistribution discregravete Distribution continue

EEE(M) = sumi

14πε0

qir2iuuui EEE(M) =

intintint 14πε0

ρ

r2uuu dτ

qi charge ponctuelle situeacutee en riε0 permittiviteacute du vide

ρ densiteacute de chargeε0 permittiviteacute du vide

Eacutequation de Poisson

∆V +ρ

ε0= 0

Eacutequation veacuterifieacutee par le potentieleacutelectrique en reacutegime permanentV potentiel eacutelectriqueρ densiteacute de chargeε0 permittiviteacute du vide

Theacuteoregraveme de Gauss

intcopyint

EEE(M)nnn dS =Qint

ε0

EEE(M) champ eacutelectrique au pointMnnn normale en M agrave la surfaceQint charges inteacuterieures agrave la sur-face fermeacuteeε0 permittiviteacute du vide

Theacuteoregraveme de Gauss pour la gravitation

intcopyint

GGG(M)nnn dS = minus4πGMint

GGG(M) champ de gravitation aupoint Mnnn normale en M agrave la surfaceMint masse inteacuterieure agrave la surfacefermeacuteeG constante universelle de gravi-tation

Champ eacutelectrique creacuteeacutes par un plan infini

EEE(M) = plusmn σ

2ε0uuuz

+ si z gt 0minus si z lt 0

EEE(M) champ eacutelectrique creacuteeacute en Mpar le planσ charge surfaciqueε0 permittiviteacute du videuuuz vecteur normal agrave la surface

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 120

120 [2] Physique

Condensateur plan

EEE = 0 agrave lrsquoexteacuterieur

EEE =σ

ε0uuuz agrave lrsquointeacuterieur

EEE champ eacutelectriqueσ charge surfaciqueε0 permittiviteacute du videOn deacutefinit la capaciteacute C ducondensateur

C =ε0S

e

S surface des armaturese distance entre les armatures

Dipocircle eacutelectrostatique

ppp = qNPNPNP

V(M) =p cos θ

4πε0r2=

ppp middotOMOMOM

4πε0OM3

EEE = minusgradV

q charge positiveN barycentre des charges neacutega-tivesP barycentre des charges posi-tivesppp moment dipolaireV(M) potentiel eacutelectrique du di-pocircleEEE champ eacutelectrique

q

N O P

u

r

E(M)

lignes de champeacutequipotentielles

Eacutenergie potentielle ndash Moment subi dans un champ exteacuterieur

Ep = minusppp middotEEEext(M)

M = ppp andEEEext(M)

Ep Eacutenergie potentielleM moment reacutesultant des forceseacutelectriquesppp moment dipolaireEEEext champ eacutelectrique auquel estsoumis le dipocircle

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 121

6 Eacutelectromagneacutetisme 121

62 Magneacutetostatique

Symeacutetries du champ magneacutetiqueLe champs BBB est symeacutetrique par rapport aux plans drsquoantisymeacutetrie descourants et symeacutetrique par rapport aux plans drsquoantisymeacutetrie des cou-rants

Loi de Biot et Savart

dBdBdB(M) =micro0dCdCdC(P)

4πr2anduuuPM

dC

M

P

uPM

r

dCdCdC =

I dl pour un circuit filiformeqvvv pour une charge ponctuellejjj dτ pour un courant volumiquejjjS dS pour un courant surfacique

dBdBdB champ magneacutetique creacuteeacute parlrsquoeacuteleacutement de courant dCdCdCdCdCdC eacuteleacutement de courantmicro0 permeacuteabiliteacute du vider distance du point courant aupoint M

q charge ponctuellejjjS vecteur courant surfaciquejjj vecteur courant

Theacuteoregraveme drsquoAmpegravere

∮BBB(M) middotdldldl = micro0 Ienlaceacutee

BBB(M) champ magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du videIenlaceacutee intensiteacute enlaceacutee par lacourbe fermeacutee drsquoAmpegraveredldldl choisi en accord avec lrsquoorienta-tion de lrsquointensiteacute

Champ magneacutetique creacuteeacute par une spire circulaire

BBB(M) =micro0 I

2Rsin3 αeeez

z

P

RM

B(M)

I

a

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 122

122 [2] Physique

Champ magneacutetique agrave lrsquointeacuterieur un soleacutenoiumlde infini

BBB = micro0nIeeez

BBB = micro0 jSeeez

BBB champ agrave lrsquointeacuterieur du soleacute-noiumlden nombre de spires par uniteacute delongueurI intensiteacute du courantjS courant surfaciqueeeez vecteur directeur sur lrsquoaxe dusoleacutenoiumlde orienteacute par le sens ducourantmicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Moment magneacutetique drsquoune spire

mmm = ISnnn

mmm moment magneacutetique de laspireS surface de la spireI intensiteacute parcourant la spirennn normale agrave la spire dirigeacutee par lesens du courant

Eacutenergie potentielle ndash Moment magneacutetique

Ep = minusmmm middotBBB

M = mmm andBBB

Ep eacutenergie potentielle magneacute-tiquemmm moment de force exerceacute sur laspireBBB champ magneacutetique auquel estsoumis la spiremmm moment magneacutetique de laspire

Force de Laplace

dfdfdf = dCdCdC andBBBdfdfdf force eacuteleacutementairedCdCdC eacuteleacutement de courantBBB champ magneacutetique

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 123

6 Eacutelectromagneacutetisme 123

63 Eacutequations de Maxwell dans le vide

Vecteur courant

jjj = npqvvv = ρvvv

jjjS = σ vvv

jjj vecteur courantjjjS vecteur de courant surfaciquevvv vitesse des porteurs de chargenp densiteacute particulaire de porteursq charge drsquoun porteurρ densiteacute volumique de chargeσ densiteacute surfacique de charge

Eacutequation de conservation de la charge

div j +partρ

partt= 0

jjj vecteur courantρ charge volumique

Eacutequations de Maxwell

div E =ρ

ε0

rot E = minus partBBBpartt

div B = 000

rot B = micro0jjj + micro0ε0partEEEpartt

Ces eacutequations portent les noms res-pectifs de ndash MaxwellndashGaussndash MaxwellndashFaradayndash sans nomndash MaxwellndashAmpegravere

Le terme ε0partEEEpartt

est appeleacute courant

de deacuteplacementEEEBBB champs eacutelectrique et magneacute-tiquejjj vecteur densiteacute de courantρ charge volumiqueε0 micro0 permittiviteacute et permeacuteabiliteacutedu vide

SuperpositionLes eacutequations de Maxwell sont lineacuteaires toute combinaison lineacuteairede solutions est encore une solution

Puissance des forces eacutelectromagneacutetiques

dP = jjjEEE dτ

dP puissance eacuteleacutementaire par uniteacutede volume dτjjj vecteur courantEEE champ eacutelectrique

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 124

124 [2] Physique

Densiteacute drsquoeacutenergie eacutelectromagneacutetique

Wem =ε0E

2

2+

B2

2micro0

Wem eacutenergie eacutelectromagneacutetiqueE champ eacutelectriqueB champ magneacutetiqueε0 permittiviteacute du videmicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Vecteur de Poynting

ΠΠΠ =EEE andBBB

micro0

ΠΠΠ vecteur de PoyntingEEE champ eacutelectriqueBBB champ magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Theacuteoregraveme de Poynting forme locale

minus partpartt

(ε0E

2

2+

B2

2micro0

)= jjjEEE + div

(EEE andBBB

micro0

)

La perte drsquoeacutenergie eacutelectromagneacutetique est due agrave lrsquoeffet Joule et au rayon-nement du vecteur de Poynting

Potentiel vecteur

BBB = rot A

AAA(M) =micro0

int

circuit

i middotdldldlr

AAA potentiel vecteurBBB champ magneacutetiquei intensiteacute dans le circuit filiformer distance du point M au point cou-rant du circuitmicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Expression geacuteneacuterale du champ eacutelectrique

EEE = minusgradV minus partAAApartt

EEE champ eacutelectriqueV potentiel eacutelectriqueAAA potentiel vecteur

Jauge de Lorentz

div A + micro0ε0partVpartt

= 0

AAA potentiel vecteurV potentiel eacutelectriqueε0 permittiviteacute du videmicro0 permeacuteabiliteacute du videCette jauge permet de fixer le poten-tiel V

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 125

6 Eacutelectromagneacutetisme 125

Relations de passage

E2t = E1t

EEE2n minusEEE1n =σ

ε0nnn1rarr2

BBB2t minusBBB1t = micro0jjjS andnnn1rarr2

B2n = B1n

EEEin composante normale duchamp EEEiBBBit composante tangentielle duchamp BBBiσ charge surfaciquejjjS vecteur densiteacute de courant surfa-ciquennn1rarr2 normale agrave la surfaceε0 permittiviteacute du videmicro0 permeacuteabiliteacute du vide

64 Conduction meacutetallique

Loi drsquoOhm locale

jjj = γEEEjjj vecteur courantEEE champ eacutelectriqueγ conductiviteacute

Loi drsquoOhm globale

int B

AEEE middotdldldl = RAB middot I

EEE champ eacutelectriqueI intensiteacute circulant dans le circuit

R =ℓ

γS reacutesistance drsquoun circuit de

longueur ℓ et de section S

Proprieacuteteacutes locales des champs dans les meacutetaux1 ρ = 0 les charges sont surfaciques

2 f ≪ 1017Hz =rArr∥∥∥∥ε0

partEEEpartt

∥∥∥∥≪ jjjconduction3 En haute freacutequence les courants sont surfaciques (sur une eacutepaisseur

dite eacutepaisseur de peau δ =

radic2

micro0γω)c copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 126

126 [2] Physique

65 Induction dans un circuit fixe avec BBB variable

Force eacutelectromotrice

eAB =int B

A

(minus partAAA

parttmiddotdldldl)

eAB forceacute eacutelectromotriceAAA potentiel vecteur

Diffeacuterence de potentiel

V(B)minusV(A) = eAB minus RABi

eAB force eacutelectromotriceV(B) minus V(A) diffeacuterence de po-tentiel entre les points A et BRAB reacutesistance du circuit ABi intensiteacute du courant circulantdans le circuit

Flux de BBB agrave travers le circuit

Φ =intint

circuitBBB middotnnn dS

Φ flux de BBB agrave travers le circuitBBB champ magneacutetiquennn normale nnn au circuit compatibleavec le sens du courant

Loi de Faraday

ecircuit = minus partΦ

partt

Φ le flux de BBB agrave travers le circuitecircuit la force eacutelectromotrice ducircuit

Loi de LenzLes conseacutequences des pheacutenomegravenes drsquoinduction srsquoopposent toujoursaux causes qui leur ont donneacute naissance En terme de flux cela signifieque si le flux du champ magneacutetique varie lrsquoinduction va produire unchamp magneacutetique qui tendra agrave compenser cette variation de flux

Auto inductance drsquoun circuit

Φ = LiΦ flux de BBB agrave travers le circuitL coefficient drsquoauto inductancedu circuiti intensiteacute dans le circuit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 127

6 Eacutelectromagneacutetisme 127

Mutuelle inductance drsquoun circuit

Φ1rarr2 = Mi1

Φ2rarr1 = Mi2

Φirarr j flux du champ BBB induit parle circuit i agrave travers le circuit jik courant dans le circuit kM coefficient de mutuelle induc-tance

Flux total

Φ1 = Li1 + Mi2

Φ1 flux de BBB agrave travers le circuit 1L coefficient drsquoauto inductanceM coefficient de mutuelle induc-tanceik intensiteacute dans le circuit k

Eacutenergie magneacutetique

Wem =Li212

+ Mi1i2

Wem eacutenergie eacutelectromagneacutetiquestockeacutee dans le circuitL coefficient drsquoauto inductanceM coefficient de mutuelle induc-tanceik intensiteacute dans le circuit k

Proprieacuteteacutes du transformateur ideacuteal

1u2(t)

u1(t)=

N2

N1

2 Si le secondaire est en court-circuit alors∣∣∣∣i2i1

∣∣∣∣ =N1

N2

3 Le rapport de puissance du primaire au secondaire est de 100

4 On a Rvue du primaire =

(N1

N2

)2Rchargec copy

Duno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 128

128 [2] Physique

66 Induction dans un circuit mobile soumis agrave BBB stationnaire

Changement de reacutefeacuterentiel

BBBprime = BBB

EEEprime = EEE︸︷︷︸minusgradV

+vvv andBBB

jjjsol = jjjcond

BBBprime champ magneacutetique dans le reacutefeacute-rentiel du conducteurBBB champ magneacutetique dans le reacutefeacute-rentiel du solEEEprime champ eacutelectrique dans le reacutefeacute-rentiel du conducteurEEE champ eacutelectrique dans le reacutefeacuteren-tiel du solvvv vitesse du conducteur par rap-port au soljjjsol vecteur densiteacute de courant dansle reacutefeacuterentiel lieacute au soljjjcond vecteur densiteacute de courantdans le reacutefeacuterentiel du conducteur

Champ eacutelectromoteur

EEEm = vvv andBBBEEEm champ eacutelectromoteurvvv vitesse du conducteurBBB champ magneacutetique

Force eacutelectromotrice

eAB =int B

A(vvv andBBB) middotdldldl

V(B)minusV(A) = eAB minus RABi

eAB force eacutelectromotrice du circuitRAB reacutesistance du circuiti intensiteacute du circuitvvv vitesse du conducteurBBB champ magneacutetiqueV(M) potentiel au point M

Loi de Faraday

e = minusdΦ

dte force eacutelectromotriceΦ flux de BBB agrave travers le circuit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 129

6 Eacutelectromagneacutetisme 129

67 Mateacuteriaux magneacutetiques

Aimantation

dmmm = MMMdτMMM aimantationmmm moment magneacutetique

Courants drsquoaimantation

jjjaimantation = rot M

jjjS aimantation = MMM andnnn

jjjaimantation vecteur courant drsquoai-mantationjjjS aimantation vecteur courant surfa-cique drsquoaimantationMMM aimantationnnn normale agrave la surface

Excitation magneacutetique

HHH =BBBmicro0minusMMM

BBB = micro0 (HHH +MMM)

HHH excitation magneacutetiqueBBB champ magneacutetiqueMMM aimantationmicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Eacutequation de Maxwell ndash Ampegravere en ARQS

rot H = jjjconductionHHH excitation magneacutetiquejjjconduction vecteur courant deconduction

Aimantation des mateacuteriaux lineacuteaires

MMM = χmHHHMMM aimantationHHH excitation magneacutetiqueχm susceptibiliteacute magneacutetique

Diffeacuterentes cateacutegories de mateacuteriaux magneacutetiques

ndash diamagneacutetiques χm sim minus10minus5 lt 0ndash paramagneacutetiques χm sim 10minus4 gt 0ndash ceux pour lesquels χm ≪ 1 qui ne sont pas lineacuteaires

c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 130

130 [2] Physique

Champ magneacutetique dans les mateacuteriaux lineacuteaires

BBB = micro0microrHHH

micror = 1 + χm

BBB champ magneacutetiqueHHH excitation magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du videmicror permeacuteabiliteacute relativeχm susceptibiliteacute magneacutetique

Diamagneacutetiques

χm = minusnmicro0Ze2

6melt r2 gt

χm susceptibiliteacute magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du viden densiteacute particulaireZ charge du noyaue charge eacuteleacutementaireme masse de lrsquoeacutelectronlt r2 gt distance moyenne de lrsquoeacutelec-tron au noyau

Paramagneacutetiques

χm =nmicro0m

2

3kT

χm susceptibiliteacute magneacutetiquen densiteacute particulairemicro0 permittiviteacute du videm moment magneacutetiquek constante de BoltzmannT tempeacuterature

Aimantation cycle drsquohysteacuteresis

M aimantationH excitation magneacutetiqueMr aimantation reacutemanenteHc champ coercitif

Dispositif de mesure de HHH et de BBB

RRC

e t( ) u2

u1

~

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 131

7 Ondes 131

H(t) =N1

ℓRu1(t)

B(t) =RC

N2Su2(t)

H valeur de lrsquoexcitation magneacute-tiqueB valeur du champ magneacutetiqueN1 nombre de spires du primaireN2 nombre de spires du secondaireℓ longueur du toreS section du tore

7 Ondes

71 Oscillateurs coupleacutes

Couplage par un ressort

K km m

x1 x2

K mx1 = minusk(x1 minus x2)minus Kx1 (1)

mx2 = minusk(x2 minus x1)minus Kx2 (2)

ReacutesolutionDans ces cas simples on combine lineacuteairement les eacutequations (1) et (2)

s = (1) + (2)

d = (1)minus (2)

s + ω2s s = 0

d + ω2dd = 0

Modes propres

ωs =

radicK

mωd =

radic2k + K

m

Le systegraveme drsquooscillateurs coupleacutes vibre uniquement agraveωs si d = 0 crsquoest-agrave-dire si les oscillateurs sont lanceacutes en phaseLe systegraveme drsquooscillateurs coupleacutes vibre uniquement agraveωd si s = 0 crsquoest-agrave-dire si les oscillateurs sont lanceacutes en opposition de phase

c copyDuno

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 132

132 [2] Physique

BattementsSi le couplage est fort et que lrsquoon eacutecarte un seul oscillateur de lrsquoeacutequi-libre on observe un pheacutenomegravene de battements

x

t

ReacutesonanceSi on force lrsquooscillateur agrave osciller on observera aux pulsations ωs et ωddes reacutesonances

x

wws wd

72 Eacutequation de drsquoAlembert - Ondes stationnaires

Eacutequation de drsquoAlembert

∆F =1c2

part2Fpartt2

F(rrr t) une grandeur physique quiveacuterifie lrsquoeacutequation de drsquoAlembertc vitesse de propagation de lrsquoonde∆ laplacien

Solutions de lrsquoeacutequation de drsquoAlembert agrave une dimension

F(x t) = f(tminus x

c

)+ g

(t +

x

c

) f partie onde progressive de la so-lutiong partie onde reacutegressive de la solu-tion

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 133

7 Ondes 133

Onde stationnaire

F(rrr t) = f (r)g(t)Dans le cas drsquoune onde stationnaireil y a deacutecouplage entre le temps et lerepeacuterage spatial

Onde plane progressive harmonique (OPPH)

F = F0 cos (ωtminus kkk middotOMOMOM)

F = F0ei(ωtminuskkkmiddotOMOMOM)

kkk =ω

cuuu

Ces notations sont intrinsegraveques agravelrsquoOPPHF la grandeur physique qui deacutecritlrsquoondekkk vecteur drsquoonde donnant la direc-tion de propagationOMOMOM vecteur positionuuu vecteur unitaire selon la direc-tion de propagationω pulsation de lrsquoondec vitesse de propagation de lrsquoonde

Onde plane progressive harmonique notation complexe

partmiddotpartt

= iωmiddot

nablamiddot = minusikmiddot

Lorsqursquoon utilise la notationcomplexe les opeacuterateurs usuelsprennent des formes tregraves simples

Onde sur une file drsquoatomes ndash Onde sur une corde

part2ξn

partx2=

1c2

part2ξn

partt2

c =

radicka2

m

part2ypartx2

=1c2

part2ypartt2

c =

radicT0ρl

ξn le deacuteplacement du ne atomek constante de raideur des res-sortsa distance au repos entre deuxatomesm masse drsquoun atome

y ordonneacutee du pointT0 tension au repos de la cordeρl masse lineacuteique de la cordec copy

Duno

dL

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nonau

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 134

134 [2] Physique

73 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans le vide

Eacutequations de propagation des champs

∆EEE =1c2

part2EEEpartt2

∆BBB =1c2

part2BBBpartt2

c =1radic

ε0micro0

EEE champ eacutelectriqueBBB champ magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du videε0 permittiviteacute du vide

Vecteur drsquoonde drsquoune OPPH

kkk = kuuu

k =ω

c=

2πλ

kkk vecteur drsquoondeuuu vecteur unitaire directeurω pulsation de lrsquoondeλ longueur drsquoonde de lrsquoondec vitesse de propagation delrsquoonde

Champs transverses

div E = 0 = minusikkkEEE

div B = 0 = minusikkkBBB

kkk vecteur drsquoondeEEE champ eacutelectriqueBBB champ magneacutetiqueEEE et BBB sont orthogonaux agrave la di-rection de propagation

Relation de dispersion ndash Relation de structure

k =ω

cBBB =

kkkωandEEE

Repreacutesentation du champ eacutelectromagneacutetique dans le vide

z

E

B

x

y

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 135

7 Ondes 135

Polarisation

ndash elliptique

EEE(z = 0 t) =

(E0x cosωtE0y cos(ωt + ϕ)

)x

y

EOy

Eox

Egauch

e

droi te

ndash circulaire

EEE(z = 0 t) =

(E0 cosωtE0 sinωt

)

ndash rectiligne

EEE(z = 0 t) =

(E0x cosωtE0y cosωt

)x

EOy

Eox

E

y

Lames agrave retard

Une lame 14 drsquoonde deacutephase deπ2ndash une onde polariseacutee rectilignementressort de ce type de lame polariseacuteeelliptiquementndash une onde polariseacutee elliptiquementressort de ce type de lame polariseacuteerectilignement

Une lame 12 drsquoonde deacutephase deπndash une onde polariseacutee ellipti-quement droite ressort elliptiquegauche de ce type de lamendash une onde polariseacutee rectiligne-ment ressort symeacutetrique par rap-port agrave son axe lent de ce type delamec copy

Duno

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Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 136

136 [2] Physique

Vecteur de Poynting

ΠΠΠ = EEE and BBBmicro0

=E2

micro0cuuu =

εB2

cuuu

ΠΠΠ = EEE and BBBlowast

micro0

ΠΠΠ vecteur de PoyntingEEE champ eacutelectriqueBBB champ magneacutetiquemicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Rayonnement dipolaire

M

uq

ur

p

uj

q

jx

z

y

r

O

BBB =micro0 sin θ

4πrcp(tminus r

c

)uuuϕ

EEE =micro0 sin θ

4πrp(tminus r

c

)uuuθ

BBB champ magneacutetiqueEEE champ eacutelectriquep moment dipolairemicro0 permeacuteabiliteacute du videc vitesse de la lumiegravere dans levide

Puissance rayonneacutee en reacutegime sinusoiumldal

ltPgt=micro0p

20ω

4

12πc

p = p0 cos(ω0t + ϕ)

lt P gt puissance moyennerayonneacuteep moment dipolairec vitesse de la lumiegravere dans levidemicro0 permeacuteabiliteacute du vide

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 137

7 Ondes 137

74 Dispersion ndash Absorption

Relation de dispersion

k(ω) = kprime(ω) + ikprimeprime(ω)

k(ω) vecteur drsquoondekprime(ω) partie reacuteelle du vecteurdrsquoondekprimeprime(ω) partie imaginaire du vecteurdrsquoondeω pulsation de lrsquoonde

Vitesse de phase ndash Vitesse de groupe

vϕ =ω

kprime

vg =partω

partkprime

vϕ vitesse de phasevg vitesse de groupeω pulsation de lrsquoondekprime partie reacuteelle du vecteur drsquoondevϕ est la vitesse de propagation delrsquoamplitude et vg est en geacuteneacuteral lavitesse de propagation de lrsquoeacutener-gie

Absorption

δ =1|kprimeprime|

δ profondeur caracteacuteristique delrsquoabsorptionkprimeprime partie imaginaire du vecteurdrsquoonde

Repreacutesentation du champ eacutelectromagneacutetique dans les meacutetaux

z

E

B

x

y

c copyDuno

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ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 138

138 [2] Physique

75 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans les milieux mateacuteriels

Polarisation

PPP =dpppdτ

ρp = minusdiv P

jjjp =partPPPpartt

ppp moment dipolairePPP polarisationρp charges dues agrave la polarisationjjjp vecteur courant de polarisation

Aimantation

MMM =dmmmdτ

jjja = rot M

mmm moment magneacutetiqueMMM aimantationjjja vecteur courant drsquoaimantation

Vecteurs HHH et DDD

HHH =BBBmicro0minusMMM

DDD = ε0EEE +PPP

HHH vecteur excitation magneacutetiqueBBB champ magneacutetiqueDDD vecteur DEEE champ eacutelectriqueMMM aimantationPPP polarisationmicro0 permeacuteabiliteacute du videε0 permittiviteacute du vide

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 139

7 Ondes 139

Milieux lineacuteaires

PPP = χeEEE

DDD = εrε0EEE

εr = 1 + χe

MMM = χmHHH

BBB = micrormicro0HHH

micror = 1 + χm

HHH vecteur excitation magneacutetiqueBBB champ magneacutetiqueDDD vecteur DMMM aimantationPPP polarisationEEE champ eacutelectriquemicro0 permeacuteabiliteacute du videmicror permeacuteabiliteacute relativeε0 permittiviteacute du videεr permittiviteacute relativeχe susceptibiliteacute eacutelectrique du mi-lieuχm susceptibiliteacute magneacutetique dumilieu

Eacutequations de Maxwell dans les milieux

div D = ρlibre

rot E = minus partBBBpartt

div B = 0

rot H = jjj +partDDDpartt

DDD vecteur DEEE champ eacutelectriqueBBB champ magneacutetiquejjj vecteur courant vraiρlibre densiteacute de charges libres

Relation de dispersion ndash Indice

k2 = εrω2

c2

n =radic

εr

vϕ =c

n

k vecteur drsquoondeεr permittiviteacute relativeω pulsation de lrsquoondec vitesse de la lumiegravere dans le viden indice du milieu(En utilisant ici comme dans les cascourants lrsquoapproximation micror sim 1)c copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 2 mformulairetex 2772008 2251Page 140

140 [2] Physique

Reacuteflexion ndash Transmission

r =n1 minus n2n1 + n2

t =2n1

n1 + n2

R = r2 =

(n1 minus n2n1 + n2

)2

T = t2 =

(2n1

n1 + n2

)2

R + T = 1

r coefficient de reacuteflexion en ampli-tudet coefficient de transmission en am-plitudeR coefficient de reacuteflexion eacutenergeacute-tiqueT coefficient de transmission eacutener-geacutetiquen1 indice du milieu de lrsquoonde inci-denten2 indice du milieu de lrsquoondetransmiseR + T = 1 traduit la conservationeacutenergeacutetique

Un changement de milieu donne naissance agrave ndash une onde progressive (onde transmise)ndash une onde reacutegressive (onde reacutefleacutechie)

Relation de continuiteacute sur la seacuteparation de deux dieacutelectriques

B2B2B2 = B1B1B1

EEE2 t = EEE1 t

εr 2EEE2 n = εr 1EEE1 n

(loi de SnellndashDescartes)

On indice par 1 les grandeurs dumilieu de lrsquoonde incidente et par 2les grandeurs du milieu de lrsquoondetransmiseLe champ magneacutetique comme lacomposante tangentielle du champeacutelectrique est continue agrave la surfacedrsquoun dieacutelectriqueLe comportement de la composantenormale du champ eacutelectrique estdeacutecrite par la loi de SnellndashDescartes

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 141

Chapitre 3Chimie

1 Atomistique

11 Spectroscopie

Spectroscopie

Lors drsquoune transition eacutelectroniqueune particule eacutemet un rayonne-ment deacutecrit par

∆E = hν

Relation de De Broglie

λ =hmv

h constante de Planckν freacutequence du rayonnementeacutemis par la particuleλ longueur drsquoonde du rayonne-ment eacutemis par la particulem masse de la particulev vitesse de la particule

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 142

142 [3] Chimie

La relation de Ritz eacutetablit que

ν = RH middot c(

1n2minus 1

m2

)(nm) isin N2

ν freacutequence de rayonnementRH constante de Rydbergn nombre quantique principal duniveau eacutenergeacutetique final de la par-ticulem nombre quantique principaldu niveau eacutenergeacutetique initial de laparticulec vitesse de propagation de la lu-miegravere dans le videndash n = 1 correspond agrave la seacuterie deLyman (ultraviolet) ndash n = 2 corres-pond agrave la seacuterie de Balmer (visible)ndash n = 3 correspond agrave la seacuterie dePaschen (infrarouge)

E (eV)

0

-136

-339

Lyman

Balmer

Paschen-151

-085

n = yenn = 4

n = 3

n = 2

n = 1

12 Modegravele ondulatoire

Principe drsquoincertitude de Heisenberg

∆x middot∆px gth

∆x incertitude sur la position∆px incertitude sur la quantiteacute demouvement selon lrsquoaxe des xm masse de lrsquoatome

En meacutecanique quantique on ne peut pas connaicirctre preacuteciseacutement agrave lafois la position et la vitesse

Eacutequation de Schroumldinger en reacutegime stationnaire

H Ψ = E Ψ

intintint

espaceΨ2 dτ = 1

Ψ(rrr) fonction drsquoonderrr vecteur positionE eacutenergie totale de lrsquoeacutelectronH opeacuterateur hamiltonien appli-queacute agrave Ψ

|Ψ2| dτ repreacutesente la probabiliteacutede preacutesence de lrsquoeacutelectron dansun volume dτ autour drsquoun pointM(rrr)

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 143

1 Atomistique 143

Eacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegravene

En =minus13 6n2

Lrsquoeacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegraveneest quantifieacutee (n nombre quan-tique principal)

En = minus13 6Z2

n2

Deacutecrit lrsquoeacutenergie de lrsquoatome hydro-geacutenoiumlde (qui ne comporte qursquounseul eacutelectron)

Nombres quantiques

Principal n isin Nlowast

Deacutecrit le niveau eacutenergeacutetique delrsquoatome

En = minus13 6Z2

n2

Secondaire 0 6 l 6 nminus 1l isin N

Quantifie le module du momentcineacutetique LLL de lrsquoatome

|σσσ| =radic

l(l + 1)h

(h = h2π hconstante de Planck)

Magneacutetique minusl 6 m 6 lm isin Z

Quantifie la projection dumomentcineacutetique LOz = mh

Spin ms = plusmn 12

13 Atome polyeacutelectronique

Charge nucleacuteaire effective

Zlowasti = Zminus σi

Zlowasti charge nucleacuteaire effectiveZ numeacutero atomiqueσ constante drsquoeacutecran de Slaterc copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 144

144 [3] Chimie

Position de lrsquoeacutelectronσi

s et pσid

mecircme couche 0 035couche gt n 0 0couche nminus 1 085 1couches lt nminus 1 1 1

Eacutenergie

Ei = minus13 6Zlowast2i

n2

Zlowasti charge nucleacuteaire effectiveEi eacutenergie de lrsquoeacutelectronn nombre quantique principal

E = sumi

Ei Eacutenergie totale de la moleacutecule

Diagramme eacutenergeacutetique

E

K

L

M

N

1s2s

2p

3s

3p

3d4s

4p

niveauxeacutenergeacutetiques

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 145

1 Atomistique 145

Regravegles de remplissage des niveaux eacutelectroniques

Principe de stabiliteacute on remplitles orbitales atomiques par ordredrsquoeacutenergie croissante (regravegle de Kle-chkowsky)Principe de Pauli sur une mecircmeorbitale atomique les deux eacutelec-trons sont de spin opposeacutesPrincipe de Hund lorsque plu-sieurs orbitales atomiques sontde mecircme niveau eacutenergeacutetique leseacutelectrons occupent le maximumdrsquoorbitales atomiques

Regravegle de Klechkowsky

1 s2 s p3 s p d4 s p d f

Eacutenergie drsquoionisation

Crsquoest lrsquoeacutenergie de la reacuteaction drsquoar-rachement drsquoun eacutelectron drsquounemoleacutecule sous forme gazeuse

X(g) = X+(g) + eminus

Affiniteacute eacutelectronique

Crsquoest lrsquoeacutenergie libeacutereacutee par la reacuteac-tion de capture drsquoun eacutelectron parune moleacutecule sous forme gazeuse

X(g) + eminus = Xminus(g)

14 Architecture moleacuteculaire

Regravegle de lrsquooctetLes eacuteleacutements de la deuxiegraveme peacuteriode du tableau peacuteriodique peuventsrsquoentourer au maximum de huit eacutelectrons

Charge formelle

n = ni minus nen charge formelle de lrsquoatomeni nombre drsquoeacutelectrons de valence dans lrsquoatome isoleacutene nombre drsquoeacutelectrons de valence dans lrsquoatome lieacute

MeacutesomeacuterieCrsquoest lrsquoensemble des formules meacutesomegraveres qui modeacutelise la reacutealiteacute

O S O O S O O S O+ +ndashndash

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 146

146 [3] Chimie

Niveau de repreacutesentativiteacute des formules meacutesomegraveresLes formules meacutesomegraveres qui veacuterifient la regravegle de lrsquooctet qui sontneutres ou dont la charge neacutegative est porteacutee par lrsquoatome le plus eacutelec-troneacutegatif sont plus repreacutesentatives que les autres

VSEPR

On compte les doublets drsquoun atome A AXpEq ougrave p nombre drsquoatomes directement lieacutes agrave A (X)q nombre de doublets libres porteacutes par A (E)Ces n = p + q doublets tendent agrave srsquoeacuteloigner au maximum les uns desautres (Theacuteorie de Gillepsie)

n = 2 moleacutecule lineacuteaire n = 3 moleacutecule trigonale

n = 4 moleacutecule teacutetraeacutedrique n = 5 moleacutecule bipyramidale agravebase triangulaire

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 147

1 Atomistique 147

n = 6 moleacutecule octaeacutedrique

15 Orbitales moleacuteculaires

Combinaison lineacuteaire des orbitales atomiques

La combinaison lineacuteaire de deuxorbitales atomiques de mecircmeeacutenergie donne naissance agrave deuxorbitales moleacuteculaires lrsquouneliante et lrsquoautre antiliante

Indice de liaison

i =nminus nlowast

2

n nombre drsquoeacutelectrons de lrsquoorbitalemoleacuteculaire liantenlowast nombre drsquoeacutelectrons de lrsquoorbi-tale moleacuteculaire antiliante

Diagramme des orbitales moleacuteculaires

Diagrammemoleacuteculaire des moleacute-cules A2 de la deuxiegraveme ligne dutableau peacuteriodique agrave partir de O2inclus Pour les autres moleacuteculesπx et πy sont plus stables que σp

2p

OM antiliante

OA2 OA1

OM liante

pz

pz

px

px

py

py

c copyDuno

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nonau

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ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 148

148 [3] Chimie

2 Cineacutetique

Avancement de la reacuteaction

dξ =dniνi

ξ avancement de la reacuteactionνi nombre stœchiomeacutetrique algeacute-brique (νi gt 0 pour un produit etνi lt 0 pour un reacuteactif)ni quantiteacute de matiegravere eacutechangeacutee

Quantiteacute de matiegravere en cours de reacuteaction

ni = ni0 + νiξ

ni quantiteacute de matiegravere agrave la date tni0 quantiteacute de matiegravere initialeνi nombre stœchimeacutetrique algeacute-briqueξ avancement

Vitesse de reacuteaction

r =1νi

dcidt

=1V

dt

r vitesse de la reacuteactionνi nombre stœchiomeacutetrique algeacute-briqueci concentrationξ avancementV volume du reacuteacteur

Ordre drsquoune reacuteaction

ν1A1 + ν2A2 rarr νprime1Aprime1 + νprime2A

prime2

v = k[A1]p1 [A2]

p2

k constante de vitesse de la reacuteac-tion[Ai] concentration de lrsquoespegravece Aipi ordre partiel en Ai

sumi

pi = p ordre global de la reacuteac-

tion

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 149

2 Cineacutetique 149

Deacutegeacuteneacuterescence de lrsquoordre

Si [A2]0 ≫ [A1]0 alors v =kprime[A1]

p1

kprime = k[A2]p20 constante de vitesse

apparente de la reacuteactionp1 ordre apparent de la reacuteaction

Loi de Vanrsquot HoffLorsque la reacuteaction est un processus eacuteleacutementaire les ordres partiels seconfondent avec les coefficients stœchiomeacutetriques et lrsquoordre total agrave lamoleacuteculariteacute

Loi drsquoArrheacutenius

dln k

dT=

Ea

RT2

k constante de vitesseEa eacutenergie drsquoactivationR constante des gaz parfaitsT tempeacuterature

Loi de vitesse drsquoune reacuteaction drsquoordre 1

c = c0eminuskt c concentration de lrsquoespegravece

c0 concentration initialek constante de vitesse

t12 =ln 2αk

Le temps de demi-reacuteaction estindeacutependant de c0 (α eacutetant lenombre stœchiomeacutetrique du reacuteac-tif limitant)

AEQS theacuteoregraveme de Bodenstein

d[A]

dt= 0

Conditions drsquoapplication de lrsquoAp-proximation des Eacutetats Quasi Sta-tionnaires ndash [A] tregraves faiblendash A espegravece tregraves reacuteactive (intermeacute-diaire reacuteactionnel)

Longueur de chaicircne

l =vitesse de disparition reacuteactif

vitesse drsquoinitiation

c copyDuno

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Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 150

150 [3] Chimie

3 Cristallographie

31 Geacuteneacuteraliteacutes

Deacutefinitions

Reacuteseau disposition spatiale desnoeuds

Motif description des entiteacutes quioccupent ces noeuds

Compaciteacute Rapport entre le vo-lume de lamaille et le volume reacuteel-lement occupeacute par les entiteacutes de lamaille

Coordinence nombre drsquoentiteacutes encontact avec une autre entiteacute

Une maille est entiegraverement deacutecritepar son reacuteseau et son motif

32 Mailles et sites dans les cristaux meacutetalliques

Maille hexagonale compacte

Coordinence 12Compaciteacute 0 742 atomes par maille

Maille cubique agrave faces centreacutees

Coordinence 12Compaciteacute 0 744 atomes par maille

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 151

3 Cristallographie 151

Maille cubique centreacutee

Coordinence 8Compaciteacute 0 682 atomes par maille

Sites octaeacutedriques

Dimension rO = (radic2minus 1)r

ndash Au centre et au milieu de chaquearrecircte du la maille cubique face cen-treacutee (4 sites par maille)

ndash Agravec

4et

3c4

dans la maille hexago-

nale compacte (2 sites par maille)

Sites teacutetraeacutedriques

Dimension rT = (

radic32minus 1)r

ndash Au centre de huit petits cubes

drsquoarrecirctea

2dans la maille cubique

face centreacutee (8 sites par maille)

ndash Agravec

8et

7c8

sur chaque cocircteacute vertical

dans lrsquohexagonale compacte (4 sitespar maille)

c copyDuno

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Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 152

152 [3] Chimie

33 Cristaux ioniques

Chlorure de ceacutesium (CsCl)

Les ions Clminus forment un reacuteseau cu-bique (1 atome par maille)Les ions Cs+ sont aux centres de cescubes (1 atome par maille)Coordination [8-8]Structure adopteacutee si radic

3minus 1 6r+rminus

lt 1

Cl-

Cs+

Chlorure de sodium (NaCl)

Les ions Clminus forment un reacuteseau cu-bique faces centreacutees (4 atomes parmaille)Les ions Na+ occupent les sites oc-taeacutedriques de ce reacuteseau (4 atomespar maille)Coordination [6-6]Structure adopteacutee si radic

2minus 1 6r+rminus

ltradic3minus 1

Cl-

Na+

Blende (ZnS)

Les ions Zn2+ forment un reacuteseaucubique faces centreacutees (4 atomes parmaille)Les ions S2minus occupent un site teacutetra-eacutedrique sur deux dans le reacuteseau preacute-ceacutedent (4 atomes par maille)Coordination [4-4]Structure adopteacutee si

0 6r+rminus

ltradic2minus 1

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 153

4 Thermodynamique 153

4 Thermodynamique

La thermodynamique a deacutejagrave eacuteteacute abordeacutee au cours du chapitre de physiqueIl est conseilleacute de se reporter agrave cette section les notions preacutealablement trai-teacutees nrsquoeacutetant pas agrave nouveau abordeacutees ici

41 Fonctions drsquoeacutetat

Deacutefinition

Xi =

(partXpartni

)

Tpn j 6=ni

X fonction drsquoeacutetat extensiveXi grandeur molaire partielle re-lative au composeacute Aini quantiteacute de matiegravere du consti-tuant Ai

Relation de GibbsndashDuhem

sumi

ni dXi Tp = 0

ni quantiteacute de matiegravere du consti-tuant AidXi Tp grandeur standard de reacute-action concernant le constituant Aiagrave T et p constantes

Grandeurs de reacuteaction associeacutees aux fonctions drsquoeacutetat

∆rX = sumi

νiXi =

(partXpartξ

)

Tp

∆rX grandeur de reacuteactionνi nombre stœchiomeacutetrique rela-tif au composeacute AiXi grandeur molaire partielle re-lative au corps Ai

Relation de GibbsndashHelmoltz

partpartT

(∆rG

T

)= minus∆rH

T2

∆rG enthalpie libre de reacuteaction∆rH enthalpie de reacuteactionT tempeacuterature

c copyDuno

dL

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Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 154

154 [3] Chimie

42 Potentiel chimique

Deacutefinition

microi =

(partGpartni

)

Tpn j 6=ni

microi =

(partUpartni

)

VSn j 6=ni

microi =

(partHpartni

)

pSn j 6=ni

microi =

(partFpartni

)

VTn j 6=ni

microi potentiel chimique du com-poseacute AiUH FG eacutenergie interne enthal-pie eacutenergie libre enthalpie libreT pV tempeacuterature pression vo-lumeni quantiteacute de matiegravere du com-poseacute Ai

Condition drsquoeacutequilibre physique

microϕ1 = microϕ2

Le potentiel chimique du corps purdans les deux phases est le mecircmemicroϕi potentiel chimique du corpspur dans la phase i

Eacutevolution vers un eacutetat drsquoeacutequilibre

Srsquoil nrsquoest pas agrave lrsquoeacutequilibre le corps pur passe irreacuteversiblement de laphase de plus haut potentiel chimique vers la phase de plus bas po-tentiel chimique et ce jusqursquoagrave lrsquoobtention de lrsquoeacutegaliteacute preacuteceacutedente

Potentiel drsquoun gaz

microi(g) = micro0i(g) + RT ln

pip0

microi(g) potentiel chimique du gazAi

micro0i(g)

potentiel chimique standard

du gaz Ai (agrave la pression p0)R constante des gaz parfaitsT tempeacuteraturepi pression partielle du gaz Ai

p0 pression standard (1 bar = 105Pa)

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 155

4 Thermodynamique 155

Potentiel drsquoun soluteacute

microi(s) = micro0i(s) + RT ln

cic0

R constante des gaz parfaitsT tempeacuteratureci concentration du composeacute Ai

c0 concentration standard(1 mol middot Lminus1)

43 Grandeurs standards de reacuteaction

Enthalpie standard de reacuteaction

∆rH0 = sum

i

νiH0i

∆rH0 enthalpie standard de reacuteac-

tionνi nombre stœchiomeacutetrique ducomposeacute Ai

H0i enthalpie standard molaire de

Ai pris dans son eacutetat standard

Entropie standard de reacuteaction

∆rS0 = sum

i

νiS0i

∆rS0 entropie standard de reacuteac-

tionνi nombre stœchiomeacutetrique ducomposeacute Ai

S0i entropie standard molaire deAi pris dans son eacutetat standard

Enthalpie libre standard de reacuteaction

∆rG0 = sum

i

νiG0i

∆rG0 enthalpie libre standard de

reacuteactionνi nombre stœchiomeacutetrique ducomposeacute Ai

G0i enthalpie libre standard mo-

laire de Ai pris dans son eacutetat stan-dard

c copyDuno

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Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 156

156 [3] Chimie

Relation entre grandeurs de reacuteaction

∆rG0 = ∆rH

0 minus T∆rS0

∆rS0 entropie standard de reacuteac-

tion∆rH

0 enthalpie standard de reacuteac-tion∆rG

0 enthalpie libre standard dereacuteactionT tempeacuterature

Premiegravere loi de Kirchhoff

d∆rH0

dT= ∆rC

0p = sum

i

νiC0pi

∆rH0 enthalpie standard de reacuteac-

tionC0pi capaciteacute thermique mo-

laire du constituant Ai agrave pressionconstanteνi nombre stœchimeacutetrique ducomposeacute AiT tempeacuterature

Deuxiegraveme loi de Kirchhoff

d∆rS0

dT=

∆rC0p

T= sum

i

νiC0pi

T

∆rS0 entropie standard de reacuteac-

tionC0pi capaciteacute thermique mo-

laire du constituant Ai agrave pressionconstanteνi nombre stœchimeacutetrique ducomposeacute AiT tempeacuterature

Relations de GibbsndashHelmoltz

∆rS0 = minusd∆rG

0

dT

∆rH0 = minusT2 d

dT

(∆rG

0

T

)

∆rS0 entropie standard de reacuteac-

tion∆rH

0 enthalpie standard de reacuteac-tion∆rG

0 enthalpie libre standard dereacuteactionT tempeacuterature

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 157

4 Thermodynamique 157

Relation de Hess

∆rH0 = sum

i

νi∆ fH0i

∆rG0 = sum

i

νi∆ fG0i

∆rH0 enthalpie standard de reacuteac-

tion∆rG

0 enthalpie libre standard dereacuteaction∆fH

0 enthalpie standard de for-mation du composeacute Ai (nulle pourles corps purs)∆fG

0 enthalpie libre standard deformation du composeacute Ai

Cycle de BornndashHaberCrsquoest un cycle thermodynamique qui permet de calculer avec la loide Hess lrsquoenthalpie de standard de reacuteaction en deacutecomposant les reacuteac-tifs en atomes et en recomposant ces mecircmes atomes pour former lesproduits

44 Eacutequilibres chimiques

Deacutefinition de lrsquoaffiniteacute chimique

A = minussumi

νimicroi = minus∆rG

A affiniteacute chimique∆rG

0 enthalpie libre standard dereacuteactionνi nombre stœchiomeacutetrique ducomposeacute Aimicroi potentiel chimique du com-poseacute Ai

Expression de lrsquoaffiniteacute

A = A0 minus RT ln

(

prodi

aνi

i

)

A affiniteacute chimiqueA0 affiniteacute chimique standardai activiteacute du composeacute Aiνi nombre stœchimeacutetrique ducomposeacute AiR constante des gaz parfaitsT tempeacuterature

c copyDuno

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Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 158

158 [3] Chimie

Condition drsquoeacutequilibre

A = 0

Dans ce cas

A0 = RT lnK0 = RT ln

(

prodi

aνi

i

)

K0 est la constante drsquoeacutequilibre dela reacuteaction

Sens drsquoeacutevolution

A middot dξ gt 0

Si A gt 0 dξ gt 0 il y a eacutevolution

dans le sens 1minusrarrSi A lt 0 dξ lt 0 il y a eacutevolution

dans le sens 2larrminusConstante drsquoeacutequilibre

K0(T) = prodi

aνi

i eacutequilibre

K0(T) constante drsquoeacutequilibre de lareacuteaction qui ne deacutepend que de latempeacuteratureai eacutequilibre coefficient drsquoactiviteacute ducomposeacute Ai agrave lrsquoeacutequilibreνi nombre stœchiomeacutetrique ducomposeacute Ai

Tempeacuterature drsquoinversion

∆rG0(Ti) = 0

K0(Ti) = 1

Agrave cette tempeacuterature la reacuteaction

preacutepondeacuterante passe du sens 1minusrarrau sens 2larrminus

Effet de la tempeacuterature loi de Vanrsquot Hoff

dlnK0

dT=

∆rH0

RT2

K0 constante drsquoeacutequilibre de la reacute-action∆rH

0 enthalpie standard de la reacute-actionR constante des gaz parfaitsT tempeacuterature

Une augmentation de la tempeacuterature deacuteplace la reacuteaction dans le sensendothermique

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 159

4 Thermodynamique 159

Effet de la pression loi de Le ChacirctelierUne augmentation de la pression deacuteplace lrsquoeacutequilibre dans le sens dediminution de la quantiteacute de matiegravere de gaz (∆νgaz lt 0)

Introduction drsquoun constituant actif

dA = RT(

∆νgaz minusνi

xi

)dnin

dA variation de lrsquoaffiniteacuteνi nombre stœchimeacutetrique ducomposeacute Aixi titre molaire du composeacute Ain quantiteacute de matiegravere totaledni variation de quantiteacute de ma-tiegravere du composeacute Ai

Ajout drsquoun constituant inactif

dA = RT∆νgazdnn

dA variation de lrsquoaffiniteacuten quantiteacute de matiegraveredn variation de quantiteacute de ma-tiegravere du constituant introduit

Variance ndash Regravegle des phases de Gibbs

v = c + 2minusϕ

c = nminus kminus r

v variancec nombre de constituants indeacute-pendantsϕ nombre de phasesn nombre de constituantsk nombre de relations entre lesconstituantsr relation particuliegraveres (imposeacuteespar le manipulateur)

c copyDuno

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Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 160

160 [3] Chimie

45 Eacutequilibres liquidendashvapeur

Loi de Raoult

pi = plowasti xli

pi pression partielle du composeacuteAiplowasti pression saturante du com-poseacute Ai

xli titre molaire de Ai liquide

Loi de Henry

pi = kxli

pi pression partielle du composeacuteAik 6= plowasti constante de Henryxli titre molaire de Ai liquide

Solution ideacuteale deacutefinitionUne solution est dite ideacuteale si toutes les interactions entre les espegravecesqui la composent sont identiques interactions A1ndashA1A2ndashA2 et A1ndashA2

Diagramme binaire drsquoune solution ideacuteale

p2

p1

p

vapeur

liquide

courbe drsquoeacutebullition

courbe de roseacuteeliquide + vapeur

x2

Eacutequations des courbes

Courbe drsquoeacutebullition

p = plowast1 + (plowast2 minus plowast1)xl2

Courbe de roseacutee

p =plowast1plowast2

plowast2 minus (plowast2 minus plowast1)xv2

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 161

4 Thermodynamique 161

Diagrammes isothermes

p2

p

p1

vapeur

liquide

liquide + vapeur

x2

Fuseau simple

p2

p

p1 vapeur

liquide

liquide

+ vap

eur

x2

Azeacuteotrope positif

p2

p

p1

vapeur

liquideliquide + vapeur

x2

Azeacuteotrope neacutegatif

Lrsquoazeacuteotrope est la manifestation delrsquoeacutecart de la solution par rapport agravela solution ideacuteale

Diagrammes isobares

T2

T

T1

vapeur

liquide

liquide + vapeur

x2

Fuseau simple

T2

T

T1vapeur

liquide

liquide + vapeur

x2

Azeacuteotrope positifc copyDuno

dL

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Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 162

162 [3] Chimie

T2

T

T1

vapeur

liquide

liquide

+ vap

eur

x2

Azeacuteotrope neacutegatif

Agrave pression constante unazeacuteotrope bout agrave tempeacuteratureconstante et donne une vapeur demecircme composition

Analyse thermique

T2

N

M

T

T1

x2

T2

TM

TN

T

t

M

N

T2

T

T1

x2

TM

TN

T

t

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 163

4 Thermodynamique 163

Theacuteoregraveme des moments

T2

LS

M

T

T1

liquide

solide

sol i dus

liquidusliquide + solide

x2x2x2

l

x2

s

nlML + nvMV = 0

nl quantiteacute de matiegravere de liquidenv quantiteacute de matiegravere de vapeurML distance algeacutebrique de M agrave lacourbe drsquoeacutebullitionMV distance algeacutebrique de M agravela courbe de roseacutee

46 Reacuteactions drsquooxydoreacuteduction

Couple redox

α ox + n eminusreacuteduction

oxydation

β red

Nombre drsquooxydation ndash DeacutefinitionCrsquoest le nombre drsquoeacutelectrons laquo perdus raquo par rapport agrave lrsquoatome neutre

Nombre drsquooxydations ndash Regravegles de deacutetermination

ndash atome isoleacute neutre no 0 ndash ion simple le nombre drsquooxyda-tions est la charge de lrsquoion ndash moleacutecule ou ion complexe

ndash entre deux atomes du mecircmeeacuteleacutement on attribue agrave chacun lrsquoundes eacutelectrons du doublet de liai-son

ndash entre deux atomes diffeacuterentson attribue les eacutelectrons de liaisonau plus eacutelectroneacutegatif

Dans tous les cas sum no = q avecq la charge de lrsquoeacutedifice atomique

Oxydant ndash Reacuteducteur

Un oxydant est une espegravece dontle nombre drsquooxydation peut dimi-nuer

Un reacuteducteur est une espegravece dontle nombre drsquooxydation peut aug-menter

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 164

164 [3] Chimie

Eacutequilibrage drsquoune eacutequation redoxPour eacutequilibrer une eacutequation on procegravede en

1 deacuteterminant le nombre drsquoeacutelectrons eacutechangeacutes avec le nombre drsquooxy-dations

2 effectuant un bilan des charges et en assurant lrsquoeacutelectroneutraliteacute avecH+ et lrsquoeacutequilibre en atomes drsquooxygegravene avec H2O

3 effectuant un bilan de matiegravere

Eacutelectrode agrave hydrogegravene

Crsquoest lrsquoeacutelectrode de reacutefeacuterencepour les mesures de poten-tiels redox (agrave toute tempeacuteratureE0(H+H2) = 0 000 V) Cetteeacutelectrode est fictive

H sous 1 bar2

Pt

pH = 0

Formule de Nernst

E = E0 +RTnF ln

aαox

aβred

aox activiteacute de lrsquooxydantared activiteacute du reacuteducteurAvec ndash a = 1 pour tout solide ou un li-quide pur dans la phase

ndash a =c

c0pour un soluteacute

ndash a =pip0

la pression partielle pour

un gaz (dans le cas des solutionsdilueacutees)E potentiel de lrsquoeacutelectrodeE0 potentiel standard du coupleredoxn nombre drsquoeacutelectrons eacutechangeacutesF = N middot e nombre de FaradayR constante des gaz parfaitsT tempeacuterature

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 165

5 Mateacuteriaux meacutetalliques 165

Formule de Nernst forme usuelle

E = E0 +0 06n

logaαox

aβred

Agrave 25˚CRTF ln 10

= 0 06

Reacuteactions aux eacutelectrodes drsquoune pile

La reacuteduction se produit agrave la ca-thodeLrsquooxydation se produit agrave lrsquoanode

On symbolise une pile par

ox1 red1︸ ︷︷ ︸pocircle neacutegatif

ox2 red2︸ ︷︷ ︸pocircle positif

Force eacutelectromotrice drsquoune pile

E = E2 minus E1

E force eacutelectromotrice (feacutem) de lapileE1 potentiel du couple consti-tuant lrsquoanodeE2 potentiel du couple consti-tuant la cathode

5 Mateacuteriaux meacutetalliques

51 Diagrammes drsquoEllingham

PrincipeOn eacutetudie la formation des oxydesrameneacutee agrave une mecircme quantiteacutede dioxygegravene reacuteaction qui srsquoeacutecritsous la forme geacuteneacuterale

α red +12O2 β ox

On trace la courbe

∆rG0 = ∆rH

0 minus T∆rS0

Approximation drsquoEllingham

Pour construire ces diagrammes on considegravere que ∆rG0 ∆rH

0 et ∆rS0

sont indeacutependants de la tempeacuterature Cette approximation est appeleacuteeapproximation drsquoEllingham

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 166

166 [3] Chimie

Allure du diagramme

DrG ( )0

T

0 T

TF TE

changement de pente marquantun changement drsquoeacutetat

oxyde

meacutetal

Affiniteacute du systegraveme

A =12RT ln

p

pe

A affiniteacute chimiquep pression du reacuteacteurpe pression drsquoeacutequilibre agrave une tem-peacuterature donneacuteeT tempeacuteratureR constante des gaz parfaits

Corrosion drsquoun meacutetalUn meacutetal est oxydeacute par un oxyde dont la droite drsquoEllingham se situeau-dessus de sa propre droite

52 Diagrammes potentiel-pH

ConventionsConvention 1 sur le domaine frontiegravere les concentrations des deuxespegraveces sont eacutegales agrave une concentration arbitrairement choisieConvention 2 on fixe la concentration totale en un eacuteleacutement donneacute Surle domaine frontiegravere les concentrations sont reacuteparties eacutequitablement

Construction du diagramme potentielndashpH

1 On deacutetermine le degreacute drsquooxydation des espegraveces mises en jeu2 On calcule le pH frontiegravere pour les espegraveces de mecircme degreacute drsquooxy-dation3 On calcule avec la formule de Nernst lrsquoeacutequation des droites seacuteparantles domaines des espegraveces de degreacute drsquooxydation distincts

Les droites verticales marquent des reacuteactions acido-basiquesLes droites horizontales marquent des reacuteactions redox

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 167

5 Mateacuteriaux meacutetalliques 167

Deacutefinition du pH

pH = minus log(

[H3O+]

c0

)La relation ci-contre nrsquoest valableqursquoen milieux dilueacutes[H3O+] concentration en ionsH3O+ dans le milieuc0 concentration standard(1 mol middot Lminus1)

Produit ionique de lrsquoeau

Ke =[H3O+] middot [OHminus]

(c0)2= 10minus14

pKe = minus log Ke = 14

Ke produit ionique de lrsquoeau[H3O+] concentration en ionsH3O+ dans le milieu[OHminus] concentration en ionsOHminus dans le milieuc0 concentration standard

Constante drsquoaciditeacute drsquoun couple acidobasique

HA + H2O Aminus + H3O+

Ka =[H3O+] middot [Aminus]

[HA] middot c0

pKa = minus log Ka

Ka constante drsquoaciditeacute du coupleacidobasique (ne deacutepend que de latempeacuterature)[H3O+] concentration en ionsH3O+ dans le milieu[HA] concentration de lrsquoespegraveceacide dans le milieu[Aminus] concentration de lrsquoespegravecebasique dans le milieuc0 concentration standard

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 168

168 [3] Chimie

Principaux diagrammes potentiels ndash pH

E

0 1

01

pH

Fe3 +

Fe2 +

Fes

Zns

Zn2 +

Zn(OH)s

Zn(OH)4

2 -

Fe(OH)2

Fe(OH)3

Cu O2

Cu(OH)2

Cu2 +

Cus

Diagramme potentiel ndash pH de lrsquoeau

Le couple H2 H2O est repreacutesenteacute par une droite de pente minus0 06 etdrsquoordonneacutee agrave lrsquoorigine 0 00 V

Le couple H2O OHminus est repreacutesenteacute par une droite de pente minus0 06et drsquoordonneacutee agrave lrsquoorigine 1 23 V

53 Courbes intensiteacutendashpotentiel

Tension minimale agrave appliquer

U gt∆rG

2F

U tension appliqueacutee∆rG enthalpie libre de la reacuteactionF nombre de Faraday

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 169

5 Mateacuteriaux meacutetalliques 169

Intensiteacute du courant ndash Vitesse de reacuteaction

i = nFdξ

dt

v =1V

dt

i intensiteacute du courantn nombre drsquoeacutelectrons eacutechangeacutesau cours de la reacuteactionF nombre de Faradayξ avancement de la reacuteactionV volume de solution eacutelectrolyteLa vitesse de reacuteaction et lrsquointen-siteacute sont proportionnelles

Montage expeacuterimental

Egeacuteneacuterateur

microampegraveremegravetre(galvanomegravetre)

eacutelectrodes de travail

eacutelectrodede reacutefeacuterence

millivoltmegravetre

mAmV

Systegraveme lent ndash Systegraveme rapide

Systegraveme rapideSystegraveme lent (existence de surten-sions ηA et ηC respectivement ano-diques et cathodiques)

i

v

i

vhAhC

c copyDuno

dL

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toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 170

170 [3] Chimie

Courant limite de diffusion

i

i lim

v

Le pheacutenomegravene de diffusion limitela vitesse de deacuteplacement des eacutelec-trons il existe donc un courant li-mite

Tension agrave appliquer

U = EA minus EC︸ ︷︷ ︸thermodynamique

+ ηA minus ηC︸ ︷︷ ︸cineacutetique

+ri

U tension agrave appliquerEA potentiel du couple delrsquoanodeEC potentiel du couple de la ca-thodeηA surtension anodiqueηC surtension cathodiquer reacutesistance interne de lrsquoeacutelectro-lytei intensiteacute du courant

54 Corrosion

Reacuteaction de corrosion

M + ox minusrarr Mn+ + red

M meacutetal qui va ecirctre corrodeacuteox un meilleur oxydant que lemeacutetalMn+ cation associeacute au meacutetal dansun couple redoxred reacuteducteur associeacute agrave lrsquooxydantox

Corrosion avec des eacutelectrodes diffeacuterentes

Quand les eacutelectrodes sont diffeacuterentes crsquoest le meacutetal qui a le plus petitpotentiel redox qui se corrode

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 171

5 Mateacuteriaux meacutetalliques 171

Corrosion avec des eacutelectrodes identiquesDans le cas drsquoune pile de concen-tration crsquoest le meacutetal qui plongedans la solution la plus dilueacutee quise corrode

Crsquoest le meacutetal qui plonge dans lasolution la moins aeacutereacutee qui se cor-rode

Domaines de corrosion drsquoimmuniteacute et de passivationndash On appelle domaine de corrosion le(s) domaine(s) drsquoun diagrammeEndashpH ougrave le meacutetal se retrouve sous forme drsquoionsndash On appelle domaine drsquoimmuniteacute le domaine drsquoun diagramme EndashpHougrave le meacutetal est stable (il nrsquoest pas corrodeacute)ndash On appelle domaine de passivation le domaine drsquoun diagramme EndashpH ougrave le meacutetal se retrouve sous forme de preacutecipiteacute qui est susceptiblede former une couche protectrice agrave la surface du meacutetal

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Chapitre 3 mformulairetex 2772008 2251Page 172

Annexe A mformulairetex 2772008 2251Page 173

Annexe APrimitives usuelles

Primitive Intervalleint dtt

= ln |t|+ k Rlowastint

cos t dt = sin t + k Rint dt

cos2 t= tan t + k R

π

2+ kπ

k isin Z

int dtcos t

= ln∣∣∣∣tan

(t

2+

π

4

)∣∣∣∣+ k R π

2+ kπ

k isin Z

inttan t dt = minus ln | cos t|+ k R

π

2+ kπ

k isin Z

intch t dt = sh t + k R

int dt

ch2 t= th t + k R

int dtch t

= 2Arctan et + k R

intth t dt = ln ch t + k R

intemt dt =

1memt + k (m isin Clowast) R

inttα dt =

tα+1

α + 1+ k (α isin Rminus minus1) R

intsin t dt = minus cos t + k R

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apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe A mformulairetex 2772008 2251Page 174

174 [A] Primitives usuelles

int dt

sin2 t= minus cot t + k R kπ k isin Z

int dtsin t

= ln∣∣∣∣tan

t

2

∣∣∣∣+ k R kπ k isin Z

intcot t dt = ln | sin t|+ k R kπ k isin Z

intsh t dt = ch t + k R

int dt

sh2 t= minus coth t + k Rlowast

int dtsh t

= ln∣∣∣∣th

t

2

∣∣∣∣+ k Rlowast

intcoth t dt = ln | sh t|+ k R

intat dt =

at

ln a+ k (a isin Rlowast+ minus 1) R

Dans la suite on suppose a isin Rlowastint dt

t2 + a2=

1aArctan

t

a+ k R

int dtradica2 minus t2

=

Arcsin t

|a| + k

minusArccos t|a| + k

]minus a a[

int dtradict2 + a2

=

Argsh t

|a| + k

ln(t +radict2 + a2

)+ k

R

int dtradict2 minus a2

=

Argcht

|a| + k

ln(t +radic

t2 minus a2)

+ k]|a|+infin[

minusArgch∣∣∣∣t

a

∣∣∣∣+ k

ln∣∣∣t +

radict2 minus a2

∣∣∣+ k]minusinfin |a|[

int dtradict2 + b

= ln∣∣∣t +

radict2 + b

∣∣∣ + k (b isinRlowast)

R [minusb b]

int dtt2 minus a2

=

Argth t + k ]minus 1 1[12a

ln(tminus a

t + a

)+ k Rminus minusa a

Annexe B mformulairetex 2772008 2251Page 175

Annexe BDeacuteveloppements limiteacutes

Principaux deacuteveloppements limiteacutes1

1minus x= 1 + x + x2 + x3 + middot middot middot+ xn + o(xn)

(1+x)α =1+αx+α(αminus1)

2x2+middot middot middot+α(αminus1) middot middot middot (αminusn+1)

nxn+ o

xrarra(xn)

radic1+x = 1+

12xminus 1

2 middot 4 x2+middot middot middot+(minus1)nminus1 1 middot 3 middot 5 middot middot middot (2nminus3)

2 middot 4 middot 6 middot middot middot 2n xn+o(xn)

1radic1 + x

= 1 minus 12x +

1 middot 32 middot 4 x

2 + middot middot middot + (minus1)n 1 middot 3 middot 5 middot middot middot (2nminus 1)2 middot 4 middot 6 middot middot middot 2n xn +

o(xn)

ln(1 + x) = xminus x2

2+

x3

3minus x4

4+ middot middot middot+ (minus1)n+1 x

n

n+ o(xn)

ln(1minus x) = minusxminus x2

2minus x3

3minus x4

4minus middot middot middot minus xn

n+ o(xn)

ln(a + x) = ln a +x

aminus x2

2a2+

x3

3a3+ middot middot middot+ (minus1)n+1 x

n

an+ o(xn)

ex = 1 + x +x2

2+

x3

3+ middot middot middot+ xn

n+ o(xn)

c copyDuno

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe B mformulairetex 2772008 2251Page 176

176 [B] Deacuteveloppements limiteacutes

cos x = 1minus x2

2+

x4

4minus x6

6+ middot middot middot+ (minus1)n x2n

(2n)+ o(x2n+1)

ch x = 1 +x2

2+

x4

4+

x6

6+ middot middot middot+ x2n

(2n)+ o(x2n+1)

sin x = xminus x3

3+

x5

5minus x7

7+ middot middot middot+ (minus1)n x2n+1

(2n + 1)+ o(x2n+2)

sh x = x +x3

3+

x5

5+

x7

7+ middot middot middot+ x2n+1

(2n + 1)+ o(x2n+2)

tan x = x +x3

3+

215

x5 +17315

x7 + o(x7)

th x = xminus x3

3+

215

x5 minus 17315

x7 + o(x7)

Arccos x =π

2minus x minus 1

2x3

3minus middot middot middot minus 1 middot 3 middot 5 middot middot middot (2nminus 1)

2 middot 4 middot 6 middot middot middot 2nx2n+1

2n + 1+

o(x2n+2)

Arcsin x = x +12x3

3+ middot middot middot+ 1 middot 3 middot 5 middot middot middot (2nminus 1)

2 middot 4 middot 6 middot middot middot 2nx2n+1

2n + 1+ o(x2n+2)

Arctan x = xminus x3

3+

x5

5minus x7

7+ middot middot middot+ (minus1)n x2n+1

(2n + 1)+ o(x2n+2)

Argch x nrsquoest pas deacutefini au voisinage de 0 et nrsquoadmet pas de deacutevelop-pement limiteacute au voisinage de 1 (tangente verticale)

Argsh = xminus 12x3

3+

1 middot 32 middot 4

x5

5+ middot middot middot+(minus1)n 1 middot 3 middot 5 middot middot middot (2nminus1)

2 middot 4 middot 6 middot middot middot 2nx2n+1

2n+1+

o(x2n+2)

Argth x = x +x3

3+

x5

5+ middot middot middot+ x2n+1

(2n + 1)+ o(x2n+2)

Annexe C mformulairetex 2772008 2251Page 177

Annexe CFormulestrigonomeacutetriques

1 Angles remarquables

sin 012

radic22

radic32

1 0

cos 1

radic32

radic22

12

0 minus1

tan 0

radic33

1radic3 0

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nonau

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Annexe C mformulairetex 2772008 2251Page 178

178 [C] Formules trigonomeacutetriques

2 Relations trigonomeacutetriques

Relations entre les rapports trigonomeacutetriques drsquoun mecircme arc

cos2 a + sin2 a = 1

tan a =sin a

cos acot a =

cos asin a

1 + tan2 a =1

cos2 a1 + cot2 a =

1

sin2 a

cos2 a =1

1 + tan2 asin2 a =

11 + cot2 a

Formules drsquoadditioncos(a + b) = cos a cos bminus sin a sin bcos(aminus b) = cos a cos b + sin a sin bsin(a + b) = sin a cos b + cos a sin bsin(aminus b) = sin a cos bminus cos a sin b

tan(a + b) =tan a + tan b

1minus tan a tan b

tan(aminus b) =tan aminus tan b

1 + tan a tan b

Formules de duplication

cos(2a) =

cos2 aminus sin2 a2 cos2 aminus 11minus 2 sin2 a

sin(2a) = 2 sin a cos a

tan(2a) =2 tan a

1minus tan2 a

Expression de cos a sin a tan a en fonction de tan a2

cos a =1minus tan2 a

21 + tan2 a

2

sin a =2 tan a

21 + tan2 a

2

tan a =2 tan a

21minus tan2 a

2

Transformations de produits en sommes

cos a cos b =12

(cos(aminus b) + cos(a + b))

sin a sin b =12

(cos(aminus b)minus cos(a + b))

sin a cos b =12

(sin(a + b) + sin(aminus b))

Annexe C mformulairetex 2772008 2251Page 179

2 Relations trigonomeacutetriques 179

sin b cos a =12

(sin(a + b)minus sin(aminus b))

cos2 a =1 + cos(2a)

2sin2 a =

1minus cos(2a)2

Transformation des sommes en produits

cos p + cos q = 2 cosp + q

2cos

pminus q

2

cos pminus cos q = minus2 sin p + q

2sin

pminus q

2

sin p + sin q = 2 sinp + q

2cos

pminus q

2

sin pminus sin q = 2 sinpminus q

2cos

p + q

21 + cos a = 2 cos2

a

21minus cos a = 2 sin2

a

2

Arcs associeacutescos(minusa) = cos a sin(minusa) = minus sin acos(π + a) = minus cos a sin(π + a) = minus sin acos(πminus a) = minus cos a sin(πminus a) = sin a

cos(π

2minus a)

= sin a sin(π

2minus a)

= cos a

cos(π

2+ a)

= minus sin a sin(π

2+ a)

= cos a

tan(π + a) = tan a cot(π + a) = cot a

tan(π

2minus a)

= cot a cot(π

2minus a)

= tan a

tan(π

2+ a)

= minus cot a cot(π

2+ a)

= minus tan a

Fonctions circulaires reacuteciproques

Arctan x + Arctan1x

2sgnx

forall(a b) isin R2

Arctan a + Arctan b =

Arctana + b

1minus absi ab lt 1

π

2sgn a si ab = 1

Arctana + b

1minus ab+ π sgn a si ab gt 1c copy

Duno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe C mformulairetex 2772008 2251Page 180

180 [C] Formules trigonomeacutetriques

Arctan x + Arctan1x

2sgn x

Trigonomeacutetrie hyperbolique

sh x =ex minus eminusx

2ch x =

ex + eminusx

2ch(a + b) = ch a ch b + sh a sh b sh(a + b) = sh a ch b + ch a sh bch(aminus b) = ch a ch bminus sh a sh b sh(aminus b) = sh a ch bminus ch a sh b

th(a + b) =th a + th b

1 + th a th bth(aminus b) =

th a + th b

1minus th a th b

ch 2a =

ch2 a + sh2 a2 ch2 aminus 11 + 2 sh2 a

sh 2a = 2 sh a ch a

ch2 xminus sh2 x = 1

th 2a =2 th a

1 + th2 ach p + ch q = 2 cosh

p + q

2ch

pminus q

2

ch pminus ch q = 2 shp + q

2sh

pminus q

2

sh p + sh q = 2 shp + q

2ch

pminus q

2

sh pminus sh q = 2 coshp + q

2sh

pminus q

2

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 181

Annexe DOpeacuterateurs vectoriels

Cette annexe sert essentiellement en physique mais elle peut trouver sonutiliteacute en chimie (par exemple lrsquoHamiltonien comporte un laplacien) ou enmaths (notamment dans le cadre du chapitre des fonctions de plusieurs va-riables)

1 Notations

Opeacuterateur Nabla

On utilise tregraves souvent lrsquoopeacuterateur laquo Nabla raquo

partpartxpart

partypartpartz

Champs utiliseacutes par la suiteDans la suite on considegravere un champ vectoriel

AAA(M) =

Ax(x y z)Ay(x y z)Az(x y z)

iiijjjkkk

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dL

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 182

182 [D] Opeacuterateurs vectoriels

On consideacuterera eacutegalement un champs vectoriel BBB et le champs scalaireV(x y z)

2 Gradient

Coordonneacutees carteacutesiennes

gradV =nablanablanablaV =

partVpartx

(x y z)

partVparty

(x y z)

partVpartz

(x y z)

Coordonneacutees cylindriques

gradV =nablanablanablaV =

partVpartr

1r

partVpartθ

partVpartz

uuur

uuuθ

uuuz

Coordonneacutees spheacuteriques

gradV =

partVpartr

1r

partVpartθ

1r sin θ

partVpartϕ

uuur

uuuθ

uuuϕ

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 183

4 Rotationnel 183

3 Divergence

Coordonneacutees carteacutesiennes

div A =partAx

partx+

partAy

party+

partAz

partz=nablanablanablaAAA

Coordonneacutees cylindriques

div A =1r

partpartr

(r middot Ar) +1r

partAθ

partθ+

partAz

partz

Coordonneacutees spheacuteriques

div A =1r2

partpartr

(r2 middot Ar) +1

r sin θ

partpartθ

(sin θAθ) +1

r sin θ

partAϕ

partϕ

4 Rotationnel

Coordonneacutees carteacutesiennes

rot A =nablanablanablaandAAA =

partpartxpart

partypartpartz

and

Ax

Ay

Az

=

partAz

partyminus partAy

partzpartAx

partzminus partAz

partxpartAy

partxminus partAx

party

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 184

184 [D] Opeacuterateurs vectoriels

Coordonneacutees cylindriques

rot A =

1r

partAz

partθminus partAθ

partzpartAr

partzminus partAx

partr1r

partpartr

(r middot Aθ)minus 1r

partAr

partθ

Coordonneacutees spheacuteriques

rot A =

1r sin θ

(part

partθ(Aϕ sin θ)minus partAθ

partϕ

)

1r

(1

sin θ

partAr

partϕminus part

partr(r middot Aϕ

)

1r

(partpartr

(r middot Aθ)minus partAr

partθ

)

5 Laplacien

Coordonneacutees carteacutesiennesLaplacien scalaire

∆V = nabla2V =part2Vpartx2

+part2Vparty2

+part2Vpartz2

= div (gradV)

Laplacien vectoriel

∆AAA =nablanablanabla2AAA =

∆Ax =part2Ax

partx2+

part2Ax

party2+

part2Ax

partz2

∆Ay =part2Ay

partx2+

part2Ay

party2+

part2Ay

partz2

∆Az =part2Az

partx2+

part2Az

party2+

part2Az

partz2

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 185

6 Relations entre les opeacuterateurs 185

Coordonneacutees cylindriquesLaplacien scalaire

∆V =1r

partVpartr

+part2Vpartr2

+1r2

part2Vpartθ2 +

part2Vpartz2

∆V =1r

partpartr

(r

partVpartr

)+

1r2

part2Vpartθ2 +

part2Vpartz2

Le Laplacien vectoriel nrsquoa pas ici drsquoexpression simple

Coordonneacutees spheacuteriquesLe Laplacien scalaire est

∆V =1r

partpartr2

(rV) +1

r2 sin2 θ

part2Vpartϕ2 +

1

r2 sin2 θ

partpartθ

(sin θ

partVpartθ

)

6 Relations entre les opeacuterateurs

Opeacuterateur A middot grad

(BBBgrad)AAA =

(BBBnablanablanabla) Ax

(BBBnablanablanabla) Ay

(BBBnablanablanabla) Az

=

BxpartAx

partx+ By

partAx

party+ Bz

partAx

partz

BxpartAy

partx+ By

partAy

party+ Bz

partAy

partz

BxpartAz

partx+ By

partAz

party+ Bz

partAz

partz

En coordonneacutees cylindriques et spheacuteriques lrsquoexpression nrsquoest plus li-siblec copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe D mformulairetex 2772008 2251Page 186

186 [D] Opeacuterateurs vectoriels

Autres relationsrotrotrot (gradU) = 0div (rot A) = 0∆AAA = grad(div A)minus rotrotrot (rot A)grad(U middotV) = U gradV +V gradUdiv (V middotAAA) = V div A +AAA middot gradVrotrotrot (V middotAAA) = V rot A + (gradV) andAAAdiv (AAA andBBB) = BBB middot rot AminusAAA middot rot B

7 Theacuteoregravemes geacuteomeacutetriques

Theacuteoregraveme drsquoOstrogradskiintcopyint

Misin(S)AAA(M)nnnext dS =

intintint

Misin(V)div A(M) dV

Theacuteoregraveme de Stokes∮

Misin(C)AAA(M)dM =

intint

Misin(S)rot Annn(P) dS

Theacuteoregraveme du gradientintcopyint

Misin(S)U(M)nnnext dS =

intintint

Misin(V)gradA(M) dV

Autre formulation (avec les notations adopteacutees pour le theacuteoregraveme deStokes) ∮

Misin(C)U(M)dMdMdM =

intint

Misin(S)nnn(M) and gradU(M) dS

Annexe E mformulairetex 2772008 2251Page 187

Annexe EUniteacutes et constantesfondamentales

1 Uniteacutes du Systegraveme International

On distingue trois types drsquouniteacutes dans le Systegraveme International les uniteacutesde base les uniteacutes suppleacutementaires (ces deux premiegraveres cateacutegories eacutetant di-mensionnellement indeacutependante) et les uniteacutes suppleacutementaires et deacuteriveacuteesqui peuvent srsquoexprimer en fonction des premiegraveres

11 Uniteacutes principales du systegraveme international

Grandeur physique Uniteacute SymboleLongueur megravetre mMasse kilogramme kgTemps seconde sCourant eacutelectrique ampegravere ATempeacuterature kelvin KQuantiteacute de matiegravere mole molIntensiteacute lumineuse candela cdc copy

Duno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe E mformulairetex 2772008 2251Page 188

188 [E] Uniteacutes et constantes fondamentales

12 Uniteacutes secondaires du systegraveme international

Grandeur physique Uniteacute SymboleAngle radian radAngle solide steradian sr

13 Uniteacutes courantes du systegraveme international

Grandeur physique Uniteacute SymboleFreacutequence hertz Hzharr sminus1

Force newton Nharr kg middotm middot sminus2Eacutenergie joule Jharr m middotNPuissance watt Wharr J middot sminus1Pression pascal Paharr N middotmminus2Charge eacutelectrique coulomb Charr A middot sDiffeacuterence de potentiel eacutelectrique volt Vharr Aminus1 middotm middotN middot sminus1Reacutesistance eacutelectrique ohm Ω harr Aminus1 middotm middotN middot sminus2Conductance eacutelectrique siemens Sharr A2 middotN middot sCapaciteacute eacutelectrique farad Fharr A2 middotmminus1 middotNminus1 middot s2Champ magneacutetique tesla Tharr Aminus1 middotmminus1 middotNInductance henry Hharr Aminus2 middotm middotNFlux magneacutetique weber Wbharr Aminus1 middotm middotNFlux lumineux lumen lmharr cd middot srIllumination lux lxharr cd middotmminus2 middot sr

14 Multiples deacutecimaux pour les uniteacutes

Facteur Preacutefixe Symbole Facteur Preacutefixe Symbole10 deacuteca- da 10minus1 deacuteci- d102 hecto- h 10minus2 centi- c103 kilo- k 10minus3 milli- m106 meacutega- M 10minus6 micro- micro

109 giga- G 10minus9 nano- n1012 tera- T 10minus12 pico- p1015 peta- P 10minus15 femto f1018 exa- E 10minus18 atto- a

Annexe E mformulairetex 2772008 2251Page 189

2 Constantes fondamentales 189

2 Constantes fondamentales

Constante ValeurConstante de gravitation G = 6 67259 middot 10minus11 m3 middot kgminus1 middot sminus2Ceacuteleacuteriteacute de la lumiegravere dans levide

c = 299792458 m middot sminus1c asymp 3 middot 108 m middot sminus1

Permeacuteabiliteacute du videmicro0 = 4π middot 10minus7 H middotmminus1micro0 asymp 1 25664 middot 10minus6 H middotmminus1

Permittiviteacute du vide ε0 asymp 8 85419 middot 10minus12 F middotmminus1

Constante de Planck h = 6 6260755 middot 10minus34 J middot sminus1h = 4 135669 middot 10minus15 eV middot s

Constante des gaz parfaits R = 8 314 J middotKminus1 middotmolminus1

Nombre drsquoAvogadro N = 6 0221367 middot 1023 molminus1

Constante de Boltzmann k = 1 380658 middot 10minus23 J middotKminus1Charge eacuteleacutementaire e = 1 602217733 middot 10minus19 CConstante de Faraday F = 96485 309 C middotmolminus1

Constante de Stefan-Boltzmann σ = 5 67051 middot 10minus8 W middotmminus2 middotKminus4

3 Ordres de grandeurs

Grandeur ValeurConductiviteacute du meacutetal σ asymp 108 Ωminus1 middotmminus1Tension de seuil pour une diode Vd asymp 0 6 VChamp de pesanteur agrave la surface de la Terre g = 9 8 m middot sminus2Rayon terrestre RT = 6400 kmMasse de la Terre MT asymp 6 middot 1024 kgAltitude drsquoun satellite geacuteostationnaire H asymp 36 000 kmDistance Terre-Soleil dTminusS asymp 1 5 middot 1011 mDistance Terre-Lune dTminusL asymp 3 8 middot 108 mMasse du soleil MS asymp 2 middot 1030 kgCoefficient de frottement acier-acier micro asymp 0 2Raideur drsquoun ressort k asymp 100 N middotmminus1Masse du proton mp = 1 673 middot 10minus27 kgMasse du neutron mn = 1 675 middot 10minus27 kgMasse de lrsquoeacutelectron me = 9 109 middot 10minus31 kg

c copyDuno

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ndeacutelit

Annexe E mformulairetex 2772008 2251Page 190

Annexe F mformulairetex 2772008 2251Page 191

Annexe FConstantes chimiques

Potentiels standards redox

(Agrave 25˚C 1013 bar pH=0)

Couples redox E0 en voltsMnOminus4 + 4H+ + 3eminus larrrarr MnO2 + 2H2O 1700MnOminus4 + 8H+ + 5eminus larrrarr Mn2+ + 4H2O 1490Cr2O

2minus7 + 14H+ + 6eminus larrrarr 2Cr3+ + 7H2O 1330

MnO2 + 4H+ + 2eminus larrrarr Mn2+ + 2H2O 1230Br2 + 2eminus larrrarr 2Brminus 1090Hg2+ + 2eminus larrrarr Hg 0850Ag+ + eminus larrrarr Ag 0798Hg+ + eminus larrrarr Hgminus 0790Fe3+ + eminus larrrarr Fe2+ 0780MnOminus4 + eminus larrrarr MnO2minus

4 0560I2 + 2eminus larrrarr 2Iminus 0540Cu2+ + 2eminus larrrarr Cu 0340Cu2+ + eminus larrrarr Cu+ 01502H+ + 2eminus larrrarr H2 0000Fe3+ + 3eminus larrrarr Fe minus0040

c copyDuno

dL

apho

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ndeacutelit

Annexe F mformulairetex 2772008 2251Page 192

192 [F] Constantes chimiques

Couples redox E0 en voltsPb2+ + 2eminus larrrarr Pb minus0120Sn2+ + 2eminus larrrarr Sn minus0140Fe2+ + 2eminus larrrarr Fe minus0441Zn2+ + 2eminus larrrarr Zn minus0762Mn2+ + 2eminus larrrarr Mn minus1180Al3+ + 3eminus larrrarr Al minus1660Na+ + eminus larrrarr Na minus2715Ca2+ + 2eminus larrrarr Ca minus2763Ba2+ + 2eminus larrrarr Ba minus2900K+ + eminus larrrarr K minus2924

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 193

Annexe GTableau peacuteriodique

1re colonne alkalins meacutetalliques

2e colonne alkalino terreux

Colonnes 3ndash11 meacutetaux de transition

Colonne 17 halogegravenes

Colonnes 18 gaz rares

Gaz noble Meacutetaux

Meacutetaux de transition Alkalin meacutetaliques

Halogegravene Espegravece rare

Non meacutetaux Alkalino terreux

c copyDuno

dL

apho

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nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 194

194 [G] Tableau peacuteriodique

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1I H

hydrogegravene

10083 4 numeacutero atomique minusrarr 6

II Li Be C larrminus symbolelithium beacuteryllium nom de lrsquoeacuteleacutement minusrarr carbone

694 901 1201 larrminusmasse atomique11 12

III Na Mgsodium magneacutesium

2299 243119 20 21 22 23 24 25 26 27

IV K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Copotassium calcium scandium titane vanadium chrome manganegravese fer cobalt

3910 4008 4496 4788 5094 5200 5494 5585 589337 38 39 40 41 42 43 44 45

V Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rhrubidium strontium yttrium zirconium niobium molybdegravene techneacutetium rutheacutenium rhodium

8547 8762 8891 9122 9221 9594 9891 1011 102955 56 57 72 73 74 75 76 77

VI Cs Ba La Hf Ta W Re Os Irceacutesium baryum lanthane hafnium tantale tungstegravene rheacutenium osmium iridium

1329 1373 1389 1785 1809 1839 1862 1902 192287 88 89

VII Fr Ra Acfrancium radium actinium

2230 2260 2270

58 59 60 61 62Ce Pr Nd Pm Smceacuterium praseacuteodyme neacuteodyme promeacutethium samarium

1401 1409 1442 1449 150490 91 92 93 94Th Pa U Np Pu

thorium protactinium uranium neptunium plutonium

2320 2310 2380 2370 2441

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 195

195

10 11 12 13 14 15 16 17 18

2Heheacutelium

40035 6 7 8 9 10B C N O F Nebore carbone azote oxygegravene fluor neacuteon

1081 1201 1401 1600 1900 201813 14 15 16 17 18Al Si P S Cl Ar

aluminium silicium phosphore soufre chlore argon

2698 2809 3097 3207 3545 399528 29 30 31 32 33 34 35 36Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Krnickel cuivre zinc gallium germanium arsenic seacuteleacutenium brome krypton

5869 6355 6539 6972 7259 7492 7896 7990 838046 47 48 49 50 51 52 53 54Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

palladium argent cadmium indium eacutetain antimoine tellure iode xeacutenon

1064 1079 1124 1148 1187 1218 1276 1269 131378 79 80 81 82 83 84 85 86Pt Au Hg Ti Pb Bi Po At Rn

platine or mercure thallium plomb bismuth polonium astate radon

1951 1970 2006 2044 2072 2090 2100 2100 2220

63 64 65 66 67 68 69 70 71Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

europium gadolinium terbium dysprosium holmium erbium thulium ytterbium luteacutetium

1520 1573 1589 1625 1649 1673 1689 1730 175095 96 97 98 99 100 101 102 103Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

ameacutericium curium berkeacutelium californium einstenium fermium mendeacutelevium nobeacutelium lawrencium

2431 2471 2471 2521 2521 2571 2561 2591 2601

c copyDuno

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Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 196

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 197

Index

Abel (lemme drsquondash) 51absorption 137accroissements finis

(theacuteoregraveme des) 39activiteacute 164adheacuterence 29adiabatique (transformation ndash) 81adjoint (drsquoun

endormorphisme) 24affiniteacute 145Alembert

eacutequation drsquondash 132regravegle de drsquondash 49theacuteoregraveme de drsquondash 10

algegravebre 5Ampegravere (theacuteoregraveme drsquondash) 121amplificateur opeacuterationnel 73angles remarquables 177anneau 3application

composition 11injective 11lipschitizienne 37surjective 11

application lineacuteaire 12ndash17image 15 16noyau 15 16rang 15

application lineaire

spectre 26approximation des eacutetats quasi

stationnaires (AEQS) 149arrangement 5Arrheacutenius (loi drsquondash) 149asymptote 61asymtote 63auto-induction 126automorphisme 15automorphismes

orthogonaux 25avancement drsquoune reacuteaction 148

base 13changement de ndash 19duale 14

Bertrandseacuterie de ndash 48

Bessel (ineacutegaliteacute de ndash) 23Bezout

eacutegaliteacute de 9Bezout (theacuteoregraveme de ndash) 7binocircme (de Newton) 6Binet (formules de ndash) 100Biot et Savart (loi de ndash) 121Bolzano-Weiertrass

(theacuteoregraveme de ndash) 35boule

fermeacutee 28ouverte 28

branche infinie 61

c copyDuno

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toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 198

198 INDEX

branche parabolique 61

capaciteacutes thermiques 78Cauchy

critegravere de ndash 49produit de ndash 50regravegle de ndash 49suite de ndash 30

Cauchy-Lipschitz (theacuteoregravemede ndash) 45

Cauchy-Schwarz (ineacutegaliteacute de ndash)22

Cayley-Hamilton (theacuteoregraveme de ndash) 27

centre drsquointertie (theacuteoregravemedu ndash) 91

chaleur latente 83champ

gravitationnel 119magneacutetostatique 121

champeacutelectrostatique 118

changement de reacutefeacuterentiel 90Chasles (relation de ndash) 43cineacutetique chimique 148Clapeyron (relation de ndash) 83classe (drsquoune fonction) 39classe drsquoeacutequivalence 2codimension 14coefficients

thermoeacutelastiques 77combinaison 6compacte (partie) 29complegravete (partie ndash) 30complexe (nombre ndash) 32ndash33composition

des acceacuteleacuterations 90des vitesses 90

conduction de la chaleur 85coniques 68conjugueacute (drsquoun nombre complexe)

32connexiteacute par arcs 30constante

drsquoeacutecran 143drsquoaciditeacute 167

de vitesse (drsquoune reacuteaction) 148continuiteacute 36continuiteacute uniforme 37convection 85convegence

simple (seacuterie drsquoapplications)55

convergenceabsolue (seacuterie drsquoapplications)

55absolue (seacuterie) 50normale (seacuterie drsquoapplications)

55normale (seacuterie de Fourier) 57semi-convergence (seacuterie) 50simple (suite drsquoapplications)

52theacuteoregraveme de ndash domineacutee (suite

drsquoapplications) 54theacuteoregraveme de ndashmonotone (suite

drsquoapplications) 54uniforme (seacuterie drsquoapplications)

55uniforme (suite drsquoapplications)

52convexiteacute 40convexiteacute (ineacutegaliteacute de ndash) 40coordonneacutees

carteacutesiennes 88cylindriques 88polaires 62spheacuteriques 89

Coriolisacceacuteleacuteration de ndash 90force de ndash 90

corps 4Coulomb (lois de ndash) 105couple

redox 163courbure 64Cramer (systegraveme de ndash) 21

deacuteriveacutee 38partielle 58selon un vecteur 58

deacuterivabiliteacute 39deacuteterminant 19

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 199

INDEX 199

deacuteveloppements limiteacutes 175degreacute (drsquoun polynocircme) 8Descartes (loi de ndash) 106dieacutelectriques (milieux ndash) 138diagonalisabiliteacute 27diagramme

binaires 160ndash163drsquoEllingham 165E-pH 166intensiteacute-potentiel 168

diffeacuteomorphisme 40diffraction 116ndash118diffusion

eacutequation de ndash 67de chaleur 85

direction asymptotique 61 63Dirichlet (theacuteoregraveme de ndash) 57dispersion 137

relation de 134divisibiliteacute

dans N 6dans K[X] 9

division euclidiennedrsquoun polynocircme 9dans N 6

domination (theacuteoregraveme de ndash) 42

eacutelectrostatique 118endomorphisme 15

adjoint 24eacutenergie

cineacutetique 93cineacutetique (du solide) 101interne 77meacutecanique 93magneacutetique 127potentielle 94

enthalpie 78entropie 80eacutequation

drsquoonde 132diffeacuterentielle 66redox 164

eacutequation diffeacuterentielle 44lineacuteaire du premier ordre 44

lineacuteaire du second ordre 45eacutequilibre 94

stabiliteacute drsquoun ndash 95espace

euclidien 30preacutehilbertien 30vectoriel 5 12ndash17vectoriel normeacute 27ndash31

extremum local 59

factorielle 5famille

geacuteneacuteratrice 13libre 13

Faraday (loi de ndash) 126 128fermeacute 28filtre 71ndash73flux

du champ magneacutetique 126thermique 85

fonctionde plusieurs variables 58de transfert 71reacuteelle de la variable

reacuteelle 35ndash38trigonomeacutetrique

reacuteciproque 38fonctions implicites (theacuteoregraveme

des ndash) 59force

centrale 99drsquoinertie 90de Lorentz 98

formelineacuteaire 14quadratique 22

forttements solide 105Fourier

loi de ndash 85seacuteries de ndash 57

fraction rationnelle 10ndash11Fresnel

miroirs de ndash 115principe drsquoHuyghens ndash 116

Gaussapproximation de ndash 107

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 200

200 INDEX

theacuteoregraveme de ndash 7 119gaz parfait 76Gibbs

regravegle des phases de ndash 159relation deGibbsndashDuhem 153relation de GibbsndashHelmoltz

153gradient 58Grassman (formule de ndash) 17groupe 2

cyclique 3geacuteneacuterateurs de ndash 3monogegravene 3

Heine (theacuteoregraveme de ndash) 37Henry (loi de ndash) 160Hess (loi de ndash) 157Hund (principe de ndash) 145hysteacuteresis 130

ideacuteal 4identiteacutes thermodynamiques 80ineacutegaliteacute de la moyenne 41induction

de Lorentz 128de Neumann 126

inertie (force drsquondash) 90injective 11inteacutegrale

deacutependant drsquoun paramegravetre43

de Riemann 42impropre 43

inteacutegration 41ndash44inteacuterieur (drsquoune partie) 29interfeacuterences 109ndash116interfeacuteromegravetre

de Fabry-Perot 115de Michelson 112

intgreacuteationpar parties 41

isomorphisme 15

jauge de Lorentz 124

Kœnig (theacuteoregravemes de ndash) 92 93103 104

Kepler (lois de ndash) 100Klechkowsky (regravegle de ndash) 145

lames agrave retard 135Laplace (force de ndash) 122Le Chacirctelier (loi de ndash) 159Leibniz (formule de ndash) 39lemme drsquoAbel 51lentille mince 108Lenz (loi de ndash) 126limite 36lipschitzienne (application ndash) 37loi

drsquoArrheacutenius 149drsquoOhm 125de Biot et Savart 121de composition 2de Faraday 126 128de Fourier 85de Hess 157de Le Chacirctelier 159de Lenz 126de Planck 86de Pouillet 69de Raoult 160de SnellndashDescartes 106 140de Stefan 87de Vanrsquot Hoff 149des mailles 69des noeuds 69

longueur (drsquoun arc) 64

machinesthermiques 83

magneacutetostatique 121Malus (theacuteoregraveme de ndash) 110mateacuteriaux magneacutetiques 129matrice 17ndash22

exponentielle de ndash 19inverse 20opeacuterations 18produit 18

Maxwelleacutequations de ndash dans le vide

123

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 201

INDEX 201

eacutequations de ndash dans lesmilieux 139

eacutequation de ndash en ARQS 129Minkowski (ineacutegaliteacute de ndash) 23miroirs

de Fresnel 115spheacuteriques 107

modes propres 131module (drsquoun nombre complexe)

32Moivre (formule de ndash) 33moment cineacutetique 92

theacuteoregraveme du ndash 92 103multipliciteacute (des racines) 10

Nernst (formule de ndash) 164Newton

binocircme de ndash 6nombre

drsquooxydations 163entier 5ndash7premier 7quantique 143rationnel 5ndash7

normeeacutequivalente 28euclidienne 22

Ohm (loi drsquondash) 125onde

eacutelectromagneacutetique 134ndash140eacutequation drsquondash 132lumineuse 109plane progressive 133stationnaire 133

orbitaleatomique 144moleacuteculaire 147

orthogonaliteacute 23oscillateurs 95

coupleacutes 131ouvert 28oxydo-reacuteduction 163

paramagneacutetisme 129Parseval (eacutegaliteacute de ndash) 57

Pauli (principe de ndash) 145pgcd dans Z 7pKa 167Planck (loi de ndash) 86point

bireacutegulier 59reacutegulier 59

polarisationdrsquoun dieacutelectrique 138de la lumiegravere 135

polynocircme 8ndash11caracteacuteristique 26scindeacute 10

potentieleacutelectrique 118chimique 154redox 164

Pouillet (loi de ndash) 69Poynting (vecteur de ndash) 124Poyting (vecteur de ndash) 136ppcm dans Z 7premier principe (thermodynamique)

77primitives usuelles 173principe fondamental de la

dynamique 91prisme 107produit scalaire 22projecteur 16puissance

drsquoune force 93 104rayonneacutee 136

puissance eacutelectromagneacutetique 123Pythagore (theacuteoregraveme de ndash) 30

reacutefeacuterentielchangement de ndash 90galileacuteen 91

reacuteflextion drsquoune onde 140reacutesultante cineacutetique (theacuteoregraveme de

la ndash) 103regravegle

de Klechkowsky 145regravegle des xα f (x) 42

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

ndeacutelit

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 202

202 INDEX

racinedrsquoun polynocircme 10niegravemes drsquoun complexe 33niegravemes de lrsquouniteacute 33

rangdrsquoune application lineacuteaire 15formule du ndash 15

Raoult (loi de ndash) 160rayon de courbure 64relation

binaire 1drsquoeacutequivalence 1drsquoordre 1de conjugaison 108de dispersion 134de structure 134

Riemanninteacutegrale de ndash 42seacuterie de ndash 48somme de ndash 41

Rolle (theacuteoregraveme de ndash) 39roulement sans glissement 101 105

seacuterie 47ndash51alterneacutee 49de Bertrand 48de Fourier 57de Riemann 48geacuteomeacutetrique 48produit de Cauchy 50

seacuterie entiegravere 51ndash52deacuterivation 51inteacutegration 51rayon de convergence 51

Schwarz (theacuteoregraveme de ndash) 59SnellndashDescartes (loi de ndash) 140solide (meacutecanique du ndash) 101somme de Riemann 41somme directe 12sous-anneau 4sous-espace

suppleacutementaire 13sous-espace propre 26sous-groupe 3spectroscopie 141Stefan (loi de ndash) 87

Stirling (formule de ndash) 50suite 34ndash35

adjacente 35arithmeacutetique 34extraite 35geacuteomeacutetrique 34

suppleacutementaire (sous-espaces) 13surjective 11susceptibiliteacute

eacutelectrique 139magneacutetique 129 130

symeacutetrie 16drsquoune courbe parameacutetreacutee 61drsquoune courbe polaire 63

systegraveme lineacuteaire 21de Cramer 21

tangente (agrave une courbe) 60Taylor-Lagrange

ineacutegaliteacute de ndash 40Taylor-Young (formule de ndash) 40tempeacuterature drsquoinversion 158Theacuteoregraveme

de Dirichlet 57de Scharz 59

theacuteoregravemedrsquoeacutequivalence 42de domination 42de Rolle 39des accroissements finis 39

topologie 27torseur cineacutetique 101

valeur drsquoadheacuterence 29valeur propre 26Van der Waals (gaz de ndash) 77Vanrsquot Hoff (loi de ndash) 149variance 159vecteur propre 26vitesse

drsquoentraicircnement 90de groupe 137de phase 137de reacuteaction 148quadratique moyenne 76

Annexe G mformulairetex 2772008 2251Page 203

INDEX 203

voisinage 29

Weierstrassdeuxiegraveme theacuteoregraveme de ndash 54premier theacuteoregraveme de ndash 54

Young (trous drsquondash) 111

c copyDuno

dL

apho

tocopie

nonau

toriseacuteeestu

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matheacutematiques

physique

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sciences de lrsquoingeacutenieur

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lionel porcheron

ingenieur de lrsquoenseeiht agrave toulouse

bull Toutes les formules et deacutefinitions du pro-gramme de mpsi et mp en matheacutematiques physique et chimie

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ISBN 978-2-10-053787-7

  • Table des matiegraveres
    • Avant-propos
    • Chapitre 1 Matheacutematiques
      • 1 Algegravebre
        • 11 Relations
        • 12 Structures algeacutebriques
        • 13 Nombres entiers nombres rationnels
        • 14 Arithmeacutetique dans Z
        • 15 Polynocircmes et fractions rationnelles
        • 16 Geacuteneacuteraliteacutes sur les applications
        • 17 Applications lineacuteaires ndash Espaces vectoriels
        • 18 Matrices ndash Deacuteterminants ndash Systegravemes lineacuteaires
        • 19 Espaces vectoriels euclidiens
        • 110 Reacuteduction des endomorphismes
          • 2 Analyse
            • 21 Espaces vectoriels normeacutes
            • 22 Nombres reacuteels
            • 23 Nombres complexes
            • 24 Suites
            • 25 Fonctions reacuteelles de la variable reacuteelle
            • 26 Deacuterivation
            • 27 Inteacutegration
            • 28 Eacutequations diffeacuterentielles
            • 29 Seacuteries
            • 210 Seacuteries entiegraveres
            • 211 Suites et seacuteries drsquoapplications
            • 212 Seacuteries de Fourier
            • 213 Fonctions de plusieurs variables
              • 3 Geacuteomeacutetrie
                • 31 Courbes du plan
                • 32 Proprieacuteteacutes meacutetriques des courbes
                    • Chapitre 213Physique
                      • 0 Eacuteleacutements de matheacutematiques
                        • 01 Diffeacuterentielles
                        • 02 Eacutequations diffeacuterentielles
                        • 03 Coniques
                          • 1 Eacutelectronique
                            • 11 Lois geacuteneacuterales
                            • 12 Reacutegime variable
                            • 13 Montages avec amplificateur opeacuterationnel
                              • 2 Thermodynamique
                                • 21 Gaz parfait
                                • 22 Premier et second principes de la thermodynamique
                                • 23 Changements de phase drsquoun corps pur
                                • 24 Machines thermiques
                                • 25 Diffusion thermique
                                • 26 Rayonnement thermique
                                  • 3 Meacutecanique du point
                                    • 31 Cineacutematique
                                    • 32 Changement de reacutefeacuterentiel
                                    • 33 Lois geacuteneacuterales de la meacutecanique
                                    • 34 Oscillateurs
                                    • 35 Mouvement drsquoune particule chargeacutee
                                    • 36 Systegravemes de deux points mateacuteriels
                                      • 4 Meacutecanique du solide
                                        • 41 Cineacutematique du solide
                                        • 42 Theacuteoregravemes geacuteneacuteraux de la dynamique
                                        • 43 Contacts entre les solides
                                          • 5 Optique
                                            • 51 Geacuteneacuteraliteacutes
                                            • 52 Optique geacuteomeacutetrique
                                            • 53 Interfeacuterences lumineuses
                                            • 54 Interfeacuteromegravetre de Michelson
                                            • 55 Autres dispositifs drsquointerfeacuterences
                                            • 56 Diffraction des ondes lumineuses
                                              • 6 Eacutelectromagneacutetisme
                                                • 61 Eacutelectrostatique
                                                • 62 Magneacutetostatique
                                                • 63 Eacutequations de Maxwell dans le vide
                                                • 64 Conduction meacutetallique
                                                • 65 Induction dans un circuit fixe avec B variable
                                                • 66 Induction dans un circuit mobile soumis agrave B stationnaire
                                                • 67 Mateacuteriaux magneacutetiques
                                                  • 7 Ondes
                                                    • 71 Oscillateurs coupleacutes
                                                    • 72 Eacutequation de drsquoAlembert - Ondes stationnaires
                                                    • 73 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans le vide
                                                    • 74 Dispersion ndash Absorption
                                                    • 75 Ondes eacutelectromagneacutetiques dans les milieux mateacuteriels
                                                        • Chapitre 3 Chimie
                                                          • 1 Atomistique
                                                            • 11 Spectroscopie
                                                            • 12 Modegravele ondulatoire
                                                            • 13 Atome polyeacutelectronique
                                                            • 14 Architecture moleacuteculaire
                                                            • 15 Orbitales moleacuteculaires
                                                              • 2 Cineacutetique
                                                              • 3 Cristallographie
                                                                • 31 Geacuteneacuteraliteacutes
                                                                • 32 Mailles et sites dans les cristaux meacutetalliques
                                                                • 33 Cristaux ioniques
                                                                  • 4 Thermodynamique
                                                                    • 41 Fonctions drsquoeacutetat
                                                                    • 42 Potentiel chimique
                                                                    • 43 Grandeurs standards de reacuteaction
                                                                    • 44 Eacutequilibres chimiques
                                                                    • 45 Eacutequilibres liquidendashvapeur
                                                                    • 46 Reacuteactions drsquooxydoreacuteduction
                                                                      • 5 Mateacuteriaux meacutetalliques
                                                                        • 51 Diagrammes drsquoEllingham
                                                                        • 52 Diagrammes potentiel-pH
                                                                        • 53 Courbes intensiteacutendashpotentiel
                                                                        • 54 Corrosion
                                                                            • Annexe A13Primitives usuelles
                                                                            • Annexe B13Deacuteveloppements limiteacutes
                                                                            • Annexe C Formules13trigonomeacutetriques
                                                                              • 1 Angles remarquables
                                                                              • 2 Relations trigonomeacutetriques
                                                                                • Annexe D13Opeacuterateurs vectoriels
                                                                                  • 1 Notations
                                                                                  • 2 Gradient
                                                                                  • 3 Divergence
                                                                                  • 4 Rotationnel
                                                                                  • 5 Laplacien13
                                                                                  • 6 Relations entre les opeacuterateurs
                                                                                  • 7 Theacuteoregravemes geacuteomeacutetriques
                                                                                    • Annexe E Uniteacutes et constantes13fondamentales
                                                                                      • 1 Uniteacutes du Systegraveme International
                                                                                        • 11 Uniteacutes principales du systegraveme international
                                                                                        • 12 Uniteacutes secondaires du systegraveme international
                                                                                        • 13 Uniteacutes courantes du systegraveme international
                                                                                        • 14 Multiples deacutecimaux pour les uniteacutes
                                                                                          • 2 Constantes fondamentales
                                                                                          • 3 Ordres de grandeurs
                                                                                            • Annexe F13Constantes chimiques
                                                                                            • Annexe G13Tableau peacuteriodique
                                                                                              • Index
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