Intégrales triples en coordonnées sphériques

 

det cos cos cos sin cos sin sin cos sin

sin sin cos sin cos sin sin sin sin

J r r r r

Ça semble compliqué, mais on peut le simplifier.

 

det cos cos cos sin sin sin cos

sin sin cos sin sin

cos sin cos sin sin cos sin

cos sin sin

sin cos sin sin

Ainsi, l’élément de volume devient

det

dxdydz J drd d 

Ce qui donne

Élément de volume en coordonnées sphériques

2sin

dV r drd d 

Intégrales triples en coordonnées sphériques

On va maintenant utiliser les coordonnées sphériques pour résoudre quelques intégrales.

On va commencer par une situation qui montre clairement que certaines intégrales

deviennent nettement plus simples en coordonnées sphériques par rapport aux mêmes intégrales en coordonnées cartésiennes.

Exemple

Voici un objet délimité par la sphère r = 4 m (dessus) et le cône /4.

tananyag.geomatech.hu/material/simple/id/2080931

Calculez la masse de cet objet si sa masse volumique est donnée par

12_m^kg²

  r La masse de cet objet est donnée par

M 



^dV

Comme l’objet est délimité par une sphère et un cône, il est probablement plus approprié de faire cette intégrale en coordonnées sphériques. Avec ces coordonnées, la masse est

2sin

M 



^r drd d 

Pour trouver les bornes, traçons une ligne dans la direction des r.

Cette ligne va de l’origine r= 0 jusqu’à la sphère r = 4 m. Ce sont nos bornes pour r.

Ensuite, on additionne les lignes dans le sens des 

La première de ces lignes est à = 0 et la dernière de ces lignes est à /4. Ce sont nos bornes pour .

Une fois qu’un a additionné toutes ces lignes, on a couvert une mince tranche de l’objet.

Finalement, on additionne des couches dans le sens des  pour couvrir tout le volume de l’objet. La première couche est à  = 0 et la dernière est à . Ce sont nos bornes pour .

Ainsi, la masse est

2 /4 4 2

0 0 0^m sin

M 

  

^{ } ^r drd d  Avec la formule de la masse volumique, on obtient

2 /4 4 ² 2

Il ne reste qu’à résoudre. La première intégrale donne

   

La deuxième intégrale donne

 

Finalement, la dernière intégrale donne

  ^{ }

Cette sphère ayant un rayon de 6 cm est percée d’un trou ayant un rayon de 2 cm. (On obtient alors un anneau sphérique.) Quel est le volume de cet anneau sphérique ?

Le volume de cet objet est donné par

V 



dV

Comme l’objet est délimité par une sphère et un cylindre, on peut faire cette intégrale en coordonnées cylindriques ou sphériques. Ici, on va évidemment choisir de la faire en coordonnées sphériques (puisque c’est le sujet de la section). Avec ces coordonnées, le volume est

2sin

Ensuite, on additionne les lignes dans le sens des 

Une fois qu’un a additionné toutes ces lignes, on a couvert une mince tranche de l’objet.

Finalement, on additionne des couches dans le sens des  pour couvrir tout le volume de l’objet. La première couche est à  = 0 et la dernière est à . Ce sont nos bornes pour .

Ainsi, le volume est

2 2,8018 6 2

0 0,3398 2^cmcsc sin

V ^ cm r drd d

   



  



Il ne reste qu’à résoudre. La première intégrale donne

   

La deuxième intégrale donne

 

72 cos 2,8018 cot 2,8018 72 cos 0,3398 cot 0,3398

72 2 2 72 2 2

Finalement, la dernière intégrale donne

 

(Voyez ici un résultat intéressant concernant les anneaux sphériques.

http://physique.merici.ca/calcul/volume_anneau_spherique.pdf)

Exemple

Une sphère de rayon R et de masse M a une masse volumique constante. Montrez que le moment d’inertie de cette sphère si l’axe de rotation passe par le centre de la sphère est donné par la formule suivante.

2 2

I 5MR

On peut prendre n’importe quel axe dans le cas d’une sphère puisqu’il y a symétrie.

Ici, on va prendre l’axe des z comme axe de rotation. Le moment d’inertie est



^{2 2}



Iz 



x y ^dV

Comme l’objet est de forme sphérique, il est probablement plus approprié de faire cette intégrale en coordonnées sphériques. Avec ces coordonnées, la fonction à intégrer est

   

sin cos sin sin

sin cos sin

sin

On doit donc résoudre l’intégrale suivante



^2sin2



^2sin

Iz 



r  ^r drd d 

Pour trouver les bornes, traçons une ligne dans la direction des r. (C’est la ligne verte identifiée r sur cette figure.)

www.quora.com/What-is-the-difference-between-the-cylindrical-coordinate-system-and-spherical-coordinate-system

Cette ligne va de l’origine r= 0 jusqu’à la sphère r = R. Ce sont nos bornes pour r.

Ensuite, on additionne les lignes dans le sens des 

La première de ces lignes est à = 0 et la dernière de ces lignes est à . Ce sont nos bornes pour . Une fois qu’un a additionné toutes ces lignes, on a couvert une mince tranche de la sphère (figure de droite).

Finalement, on additionne des couches dans le sens des pour couvrir tout le volume. La première couche

est à  = 0 et la dernière est à . Ce sont nos bornes pour . Ainsi, le moment d’inertie est

 

2 2 2 2

0 0 0^R sin sin

Iz 

  

^{ } r  ^r drd d 

 

La deuxième intégrale donne

5 2 3

Finalement, la dernière intégrale donne

5

 

(Comparez ces calculs avec l’exemple dans lequel on a calculé ce moment d’inertie en cartésien. Les intégrales sont nettement plus simples en coordonnées sphériques.)

Puisque la masse de la sphère est

Le moment d’inertie est donc

5

SÉRIE D’EXERCICES 13

1. Trouvez les coordonnées sphériques



^{r, , }



des points suivants donnés en coordonnées cartésiennes.

a) (-1, -1, 1) b) (-2, 0, -2)

2. Trouvez les coordonnées cartésiennes des points suivants donnés en coordonnées sphériques



^{r, , }



^.

a)



4, ,^3 ^2



b)



1, ,0^2



3. Trouvez ce que deviennent les équations suivantes en coordonnées sphériques.

a) Le cylindre x²y² 4 b) La sphère x²y²z² 9 c) Le cône z² 3x²3y² d) La surface z2xy

4. Trouvez ce que deviennent les équations suivantes en coordonnées cartésiennes.

a) r² sintan² b) rsin sin 

c) 1 ₂

sin sin

r^  

Notez que les 4 équations suivantes peuvent aussi être bien utiles pour faire ces transformations.

cos sin cos sin

x  y  z r   r 

5. Calculez

 

^10xz3



^dxdydz dans la région d’intégration suivante.

tutorial.math.lamar.edu/Solutions/CalcIII/TISphericalCoords/Prob1.aspx

6. Calculez

_ 

^{x2y dxdydz2}



dans la région d’intégration suivante.

tutorial.math.lamar.edu/Solutions/CalcIII/TISphericalCoords/Prob2.aspx

7. Calculez



x dxdydz² dans la région d’intégration suivante.

tutorial.math.lamar.edu/Solutions/CalcIII/TISphericalCoords/Prob4.aspx

8. Voici un objet dont la densité est donnée par 3000_m^kg4 z. (Les dimensions de l’objet sont en m.)

a) Quel est le volume de cet objet ? b) Quelle est la masse de cet objet ? c) Quelle est la hauteur du centre de

masse de cet objet ?

d) Quel est le moment d’inertie de cet objet s’il tourne autour de l’axe des z?

tutorial.math.lamar.edu/Solutions/CalcIII/TISphericalCoords/Prob3.aspx

9. Cet objet est un dessus de sphère dans laquelle on a enlevé une partie conique. La sphère a un rayon de 6 cm et le cône fait un angle de 60° avec l’axe des z.

a) Quel est la masse de cet objet si sa densité est de 5 g/cm³ (elle est constante) ?

b) Quelle est la hauteur du centre de masse de cet objet ?

10.Cet objet a une densité constante de 1000 kg/m³. (Les dimensions de l’objet sont en mètres.)

math.libretexts.org/Bookshelves/Calculus/Book%3A_Calculus_(OpenStax)/15%3A_Multiple_I ntegration/15.5%3A_Triple_Integrals_in_Cylindrical_and_Spherical_Coordinates

a) Quelle est la masse de cet objet ?

b) Quelle est la hauteur du centre de masse de cet objet ?

(Ce sont les mêmes questions qu’à la section précédente, mais cette fois on va utiliser les coordonnées sphériques pour calculer.)

Dans le document 5-Les intégrales multiples (Page 146-159)