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Approximation séparable de la fonction de Green pour un potentiel de portée finie continue par le potentiel coulombien

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(1)

HAL Id: jpa-00207100

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00207100

Submitted on 1 Jan 1971

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Approximation séparable de la fonction de Green pour un potentiel de portée finie continue par le potentiel

coulombien

C. Gignoux

To cite this version:

C. Gignoux. Approximation séparable de la fonction de Green pour un potentiel de portée finie continue par le potentiel coulombien. Journal de Physique, 1971, 32 (7), pp.467-473.

�10.1051/jphys:01971003207046700�. �jpa-00207100�

(2)

LE JOURNAL DE PHYSIQUE

APPROXIMATION SÉPARABLE DE LA FONCTION DE GREEN

POUR UN POTENTIEL DE PORTÉE FINIE CONTINUE

PAR LE POTENTIEL COULOMBIEN

C. GIGNOUX

Institut des Sciences

Nucléaires,

Cédex

257, 38,

Grenoble-Gare

(Reçu

le 2 novembre

1970,

révisé le 11

janvier 1971)

Résumé. 2014 Une approximation séparable de la fonction de Green est présentée pour un poten- tiel de portée finie prolongé éventuellement par le potentiel coulombien. Ce développement variable

avec l’énergie est construit avec les états introduits par P. L. Kapur et R. Peierls. La fonction de Green approchée a le bon comportement asymptotique et les bons résidus aux pôles dus aux états

liés. Les tests présentés ici pour le puits carré et le potentiel de Saxon-Woods permettent d’envisager

l’utilisation de ce développement séparable pour la résolution du problème à trois corps ou pour des calculs de voies couplées.

Abstract. 2014 A séparable approximation for the Green function is given for a finite range potential

that can be extended with the coulomb potential. This expansion depending on energy is built on

states introduced by P. L. Kapur and R. Peierls. The approximated Green function has the right asymptotic behaviour and the right residus for the bound states poles. Tests given here for square well and Saxon-Woods potential allow considering the use of this séparable expansion for solving

the three body problem and coupled channel calculations.

Classification Physics Abstract :

12.30, 02.00

1. Introduction. - Dans de nombreux

problèmes

de réaction et de structure, où l’on a besoin des fonc- tions

d’onde,

il est fait usage de la fonction de Green.

En

effet, plus

facilement

qu’avec

les

équations

dé-

rentielles

couplées,

la fonction de Green permet d’assurer aux fonctions d’ondes le comportement

asymptotique

désiré.

L’emploi

de son

expression

exacte est

cependant

rarement

possible

car il conduit

à des

intégrales

doubles ou à des

équations intégrales

à

plusieurs

variables. Une

approximation séparable qui

aurait les

caractéristiques

essentielles d’une fonc- tion de Green

pourrait simplifier

considérablement le

problème pratique

en le ramenant à une somme d’inté-

grales

ou à des

équations intégrales couplées

mais à

une seule dimension. L’artifice

d’approximer

un

opérateur intégral

par un

développement séparable

est couramment utilisé dans la résolution des

équa-

tions de

Faddeev,

où l’on

approxime l’opérateur

de

transition à deux corps. Dans cet

article,

un

dévelop-

pement

séparable

de la fonction de Green est

présenté

et discuté. Ce

développement

est valable pour tout

potentiel,

réel ou non, de

portée finie,

continué éven-

tuellement par le

potentiel Coulombien,

et pour toute

énergie.

Il est construit avec les états introduits par P. L.

Kapur

et R. Peierls

[1].

Ce

développement appliqué

à une fonction

donne,

comme la vraie fonction de Green,

uniquement

des ondes sortantes

régulières

à

l’origine.

D’autre part, le comportement

au

voisinage

des états liés et des résonances est exact.

Dans les tests décrits dans le

paragraphe

IV la fonction

de Green exacte et son

approximation

sont

comparées,

ainsi que les

amplitudes

de transition pour

plusieurs

ondes et

plusieurs énergies,

dans le cas du

puits

carré

et du

potentiel

de Saxon-Woods. Ces tests montrent

qu’avec

trois termes pour le

développement

de la

fonction de Green on obtient un bon accord dans

un

grand

domaine

d’énergie.

II. Etats mobiles de

projection.

- Pour des raisons

de clarté on considère une

particule

sans

spin,

de

masse m, dans un

potentiel

local

sphérique

et réel

!i2

v(r)/2

m, de

portée

a, telle

qu’au-delà

de cette dis-

tance

v(r)

soit nul ou

représente

le

potentiel

coulom-

bien 2

vk/r.

En

fait,

les restrictions sur le

potentiel

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01971003207046700

(3)

468

peuvent être facilement

enlevées,

celui-ci peut être

complexe

non local et

dépendant

de

l’énergie.

L’ex-

pression

exacte de la fonction de Green est connue :

où 0 est

l’angle

que forment les deux vecteurs r et

r’,

et

G,

s’écrit :

où k est

l’impulsion

et W le

wronskien,

évalué à une distance

quelconque

R, des deux solutions de

l’équation

différentielle :

Vl

est une solution

régulière

à

l’origine.

u+

est une solution habituellement

irrégulière qui

se comporte pour r > a comme

01(k,

r) c’est-à-dire

comme

krhi (kr)

ou comme

GI(v, kr)

+

iFl(v, kr).

Dans la

région

extérieure r > a la

dépendance

de

la fonction de Green en r est

01(k, r)

et toute

approxi-

mation devra avoir ce comportement.

On considère alors les solutions de

l’équation

diffé-

rentielle

précédente qui

sont

régulières

à

l’origine

et

qui

se continuent à l’extérieur par

01(k, r),

c’est-à-dire

qui

ont même dérivée

logarithmique

que

01(k, r)

au

rayon de raccordement a. Les conditions aux limites étant

fixées,

ceci ne peut avoir lieu que pour des valeurs discrètes de

l’énergie Eln

= !i2

ki j2 m

où n

sert à différencier les solutions et est lié au nombre de noeuds. Ainsi ces états sont définis par l’ensemble de conditions :

La condition de raccordement avec

01(k, r) dépend

de

l’énergie,

de même que les

k 2, qui

seront

appelés

dans la suite les

énergies

propres, sont fonction de

l’énergie

ou de k. Les fonctions d’ondes

dépendent

aussi de

l’énergie

et elles sont

appelées

dans la suite

o états mobiles ». Ces états ont été étudiés par P. L.

Kapur

et R. Peierls

[1] qui

ont montré

qu’ils

for-

maient une base

complète

dans la

région

intérieure.

Dans la suite nous

rappelons

brièvement

quelques

unes de leurs

propriétés.

L’orthogonalité

de ces états dans la

région

intérieure

s’obtient

grâce

aux

propriétés

du wronskien. En

effet,

si on écrit la même

équation

différentielle pour un autre état

ul,,,(k, r)

on obtient par un calcul

classique :

Pour r = a, uln et Uln’ ont même dérivées

logarithmi-

ques que

0 l ;

le wronskien est donc nul et les états sont

orthogonaux.

On peut établir de la même manière la relation suivante :

ou encore en utilisant la notation

L, = SI + iP,1

Il est facile de montrer que

PI(k, a)

facteur de

péné-

trabilité est

égal

à

kal(F,2(v, ka)

+

Gf(v, ka))

et est

nul pour une

énergie négative.

Ainsi les

énergies

propres

k 2

ont une

partie imaginaire négative

ou

nulle.

TRAJECTOIRE DES ÉNERGIES PROPRES. - Il est

impor-

tant de connaître la

dépendance

en

énergie

ou en

fonction de k des

énergies

propres et de déterminer les

trajectoires k2(k).

On peut remarquer au

préalable

que ces

trajectoires

ont chacune une asymptote. En

effet,

si

l’énergie

tend vers

plus

ou moins l’infini

LI

croît comme ika et la solution est déterminée par la condition

indépendante

de

l’énergie

uln

(k

=

a)

= 0.

On peut remarquer aussi

qu’à énergie

nulle et pour l’onde S la dérivée

logarithmique

est nulle et les états

de P. L.

Kapur

et R. Peierls s’identifient avec ceux de la matrice R. Pour la suite il est avantageux d’établir la dérivée

bk 2lôk.

A cet effet on écrit les deux

équa-

tions différentielles :

et par un calcul

simple

on obtient :

ou encore :

(4)

Cette

expression

permet d’établir un

algorithme

de

recherche pour

k 2 qui

converge

rapidement, puis

à

partir

d’une valeur initiale obtenue par cet

algorithme d’intégrer l’équation

différentielle des

trajectoires.

Sur la

figure 1,

on a tracé les

trajectoires

pour un

puits

carré de

profondeur h2 vo/2 m

avec vo

a 2 = -

12 suffisant pour lier les niveaux 1 S et 1 P, de rayon a

pris

comme rayon de raccordement. Dans ce cas

simple

les solutions

ul,,(k, r)

sont de la forme

rj,(K’n r)

pour r a avec

K n

=

kfn -

vo. Les asymptotes sont les valeurs de

ki

tels que les

KI, a

soient les zéros

de ji

et les valeurs à

énergie

nulle sont obtenues à

partir

des zéros

de j, -,.

De telles

trajectoires

ont

déjà

été

obtenues par A.

Lejeune

et M. A.

Nagarajan [2]

pour les ondes S et P. D’une manière

générale

on observe

une variation assez forte de

k 2

au

voisinage de k2

= 0.

D’autre part la

partie imaginaire

de

k 2 (tracé

en traits

interrompus)

est du même ordre de

grandeur

que la

partie

réelle.

FIG. 1. - Trajectoires des énergies propres pour le puits carré.

En abscisse on a porté la partie réelle de

K,2n

=

kl -

Vo plutôt que kin. En effet, cette valeur est indépendante de la pro- fondeur du puits. La partie imaginaire est tracée en traits inter- rompus. Les régions hachurées n’indiquent pas forcément une

résonance mais plutôt un déphasage voisin de x/2.

Sur la

figure

2 on a tracé les

trajectoires

pour un

potentiel

de Saxon-Woods

tronqué

au rayon de rac-

cordement a =

1,5 R

R est le rayon du

puits

de

diffusivité

R/10

de

profondeur

maximum h’

vo/2 m

avec

vo R 2

12.

Les

trajectoires

sont semblables mais

plus comprimées

que pour le

puits

carré. Ceci est essentiellement dû à la différence de rayon de raccordement.

III.

Approximation séparable

de la fonction de Green. - On peut

développer

la fonction de Green

Gl(r, r’)

dans la

région r’

a sur les états mobiles de

projections.

Soit à chercher

ul(k, r)

solution sortante

de :

FIG. 2. - Trajectoires des énergies propres pour un potentiel de Saxon-Woods de rayon unité et de diffusivité 0,1.

ou encore :

w(r)

est nul dans la

région r

> a. Le terme

w(r) ulo(k, r)

peut résulter du

couplage

avec d’autres

voies. Dans le cas de la diffusion d’une

particule

par le

potentiel v(r), u?

sera solution de

et la diffusion sera décrite par :

ui(k, r)

doit être

régulière

à

l’origine

et doit se comporter comme

Oi(k, r)

pour r > a. Donc

ui(k, r)

peut se

projeter

sur la base

complète

des

u’n(k, r)

Les coefficients aln sont déterminés par

l’équation

différentielle :

ou encore :

et en utilisant

l’orthogonalité

des états ul, :

(5)

470

ceci

quelle

que soit la fonction

a°(r) ;

donc

pour r’

a

qui

est la

région

normale d’utilisation on peut écrire :

Dans la suite on

appellera Gl(r, r)

une troncation de cette somme. A

partir

de cette

expression

de la fonc- tion de Green on peut obtenir un

développement

de

la matrice de transition à moitié hors de la couche.

En

effet,

si l’on pose :

en écrivant la relation

G V 1 k >

=

Go T k,

> et en utilisant

l’expression asymptotique

de

Go

on obtient :

La convergence de cette série sera étudiée au para-

graphe

IV.

COMPORTEMENT DE LA FONCTION DE GREEN AU VOISINAGE DES PÔLES. - Les

pôles

de la fonction de

Green sont les valeurs

ko

de k telles que pour une

onde donnée on ait

ki (ko)

=

k2.

En

effet,

pour cette valeur

u’n(ko, r)

et

01(ko, r)

vérifient la même

équation

différentielle :

et ont même dérivée

logarithmique.

C’est-à-dire

qu’il

existe une solution

ul,,(r)

telle que :

régulière

à

l’origine

et se comportant à l’extérieur

comme une onde sortante. Ceci est la définition des états liés ou résonnants étudiés par J. Humblet et L. Rosenfeld

[3].

Cette définition est bien

indépen-

dante du rayon de raccordement a tant que

v(a)

= 0.

Il faut

cependant

s’assurer

qu’il

en est de même pour le comportement de la fonction de Green au

voisinage

des

pôles.

En

effet,

la manière dont

ul,,(k, r)

et

k2(k)

tendent

respectivement

vers

uln(r)

et

ko 2 lorsque k

tend vers

ko dépend

de a. Pour étudier cette

dépendance

on consi-

dère

l’équation

différentielle des

trajectoires

au voisi-

nage d’un état lié ou résonnant.

Ll(k, a)

est la dérivée

logarithmique

de

Ol(k, r) qui

satisfait

l’équation :

Si on écrit une nouvelle fois cette

équation

pour k + dk on obtient par le calcul

classique

du wronskien :

Pour la valeur

ko

de

l’impulsion

ce

qui

permet d’évaluer :

On peut donc

préciser

le comportement de

au

voisinage

de : k =

ko

Cette formule permet d’avoir le comportement de

Gl(r, r’)

au

voisinage

du

pôle :

On retrouve

l’approximation

à un

pôle

de la fonc-

tion de Green dérivé par Minelli et Zardi

[4]

à

partir

de

développement

de la matrice S de J. Humblet.

Ce comportement de

l’approximation séparable

est

donc bien

indépendant

du rayon de raccordement a.

(6)

D’autre part, pour un état lié

ko

est

imaginaire

pur,

ul,,(r)

décroît

exponentiellement

et on retrouve le

bon résidu :

produit

extérieur de l’état lié normalisé par lui-même.

Lorsque l’énergie

varie d’une valeur

négative

à

une valeur

positive

les valeurs de k2 -

k 2(k)

prennent des

importances

relatives différentes comme on peut le voir sur les

figures

1 et 2. Les états liés s’obtiennent aisément comme intersections des

trajectoires

avec la

première

bissectrice dans la zone

l’énergie

est

négative.

A leur

voisinage

comme on l’a vu, le compor- tement de la fonction de Green est correct et bien

indépendant

de a. Dans la zone

d’énergie positive,

ces intersections

correspondent

à la

partie

réelle de k2 -

k 2(k)

nulle. On peut seulement dire que s’il y a résonance ce sera

près

de cette intersection.

IV. Troncation du

développement

de la fonction de Green. - De nombreux tests de

rapidité

de conver-

gence du

développement séparable

ont été effectués pour le

puits

carré. En effet pour ce

potentiel

la

fonction de Green exacte, comme le

développement séparable,

peuvent être obtenus

littéralement,

si on

connaît les

énergies

propres. Comme on l’a

indiqué précédemment,

ces

énergies

s’obtiennent en

intégrant l’équation

différentielle des

trajectoires jusqu’à l’énergie

désirée. Le raccordement de la fonction d’onde obtenue

avec

Ol(k, r)

pour r = a est testé par la

comparaison

du rapport des dérivés

logarithmiques

à l’unité. Dans tous les cas étudiés la

précision

de ce test a été meil-

leure que 10-4. Une fois ces

énergies

propres

obtenues

on peut calculer et comparer

GI(r, r’)

et

Gl(r, r’).

Nous avons

représenté

sur la

figure

3

quelques

uns

des résultats pour le

puits

carré décrit au deuxième

paragraphe

et pour des

énergies

telles que

(a

est le rayon du

puits)

et pour les ondes 1 = 0 et 1 = 1. Seules des coupes des surfaces

G,(r, r’)

et

GI(r, r’)

sont

représentées

sur cette

figure

pour

r =

0,2 a 0,4 a 0,6 a 0,8 a

et a. Seule la

partie

des

coupes située en avant du

plan

r - r’ a été

tracée,

le reste des surfaces pouvant être obtenu par

symétrie.

G1(r, r’)

est en trait

plein

et en trait

interrompu

on a

tracé

GI(r, r’) approximation séparable

à trois termes

pour les deux

énergies positives

et à deux termes

pour la valeur

négative.

L’accord est médiocre sur la

section r = r’. En effet

l’approximation

ne

présente

pas la discontinuité de la dérivée

qu’a

la vraie fonction de Green. Pour les valeurs

positives

de

l’énergie

on

n’a pas

représenté

la

comparaison

des valeurs ima-

ginaires

de

G,

et

G,

car l’accord est bien meilleur. En

effet,

la

partie imaginaire

de

G,

n’a pas de discontinuité

comme

G,

pour r = r’ et d’autre part, les contributions

imaginaires

des rapports

I/(k2 - k 2

décroissent

plus

vite que les contrbiutions réelles

lorsque kln

s’éloigne

de

k2.

_

La

comparaison

de

G1

et

G,

n’a pas été

représentée

pour r > a ; en effet la

dépendance

en r est la

même,

c’est-à-dire proportionnelle

à

01(k, r),

donc le rapport

G, (r

> a,

r’)/GL (r

> a,

r’)

est le même que pour

r = a, c’est-à-dire

qu’il

est

représenté

par les dernières coupes de la

figure

3. D’une manière

générale,

il faut

prendre

un

plus grand

nombre de termes dans le

développement lorsque l’énergie

croît mais dans tous

les essais

de k2 a2 - -

20 à 30 quatre termes suffisent.

FIG. 3. - Convergence du développement séparable de la

fonction de Green pour le puits carré de rayon unité. Gi(r, r’)

exact est représenté en traits pleins. En traits interrompus on a porté le développement à trois termes pour les énergies positives

et à deux termes pour la valeur négative de l’énergie.

AMPLITUDE DE DIFFUSION, MATRICE S, UNITARITÉ. - Un autre test a été de comparer

l’amplitude

de diffu-

sion

Tl

= eUh sin

âllk

exacte et

approchée

par un

nombre fini de termes du

développement [7]

avec

k’ = k. Les résultats sont

portés

sur les tableaux I et II

pour les deux

potentiels déjà

utilisés. On remarque que la convergence n’a lieu

qu’à partir

d’un rang n

telle

que 1 k 2 1 > k2

ceci

provient

des dénominateurs de

[7]

en k2 -

k 2 .

Le nombre de termes nécessaires dans le

développement [6]

de la fonction de Green

dépend

de

l’énergie

extrême

envisagée.

La convergence

cependant rapide

est essentiellement due au fait que

l’amplitude

de diffusion est obtenue comme on peut le voir dans

l’expression [7]

à

partir

de la fonction de Green

approchée

dans la

région r

différent de r’ où

il

n’y

a pas de

singularité.

Il est à noter que si la matrice S obtenue par le

développement

infini de la fonction de Green

[6]

est

identique

au

développement

de P. L.

Kapur

et

(7)

472

R. E.

Peierls,

la matrice S obtenue

après

troncation du

développement [6]

est différente d’une troncation du

développement

de la matrice S. La différence

entre les deux

expressions

fait

apparaître

un terme

de la forme :

Cependant

ni l’une ni l’autre de ces

expressions

ne

sont unitaires. On peut

cependant

remarquer que

1 S 12 -

1 ne

dépasse

pas

3 %

avec quatre termes.

Ceci est sans doute dû à la bonne

représentation

de la

partie imaginaire

de la fonction de Green

qui

a été

signalée précédemment. L’indépendance

de la conver-

gence de ce

développement

a été étudiée en fonction

du rayon de raccordement.

Quelques

résultats

pour a = 1,5 R et a = 2 R sont montrés par le tableau III.

TABLEAU 1

Comparaison

des

amplitudes

de transition exactes et

approximées

pour le

puits

carré. On a

porté

en

colonne pour une

énergie

et une onde données la

partie

réelle et

imaginaire

du

développement

avec

1, 2, 3,

et

4 termes et la valeur

théorique

obtenue par résolution directe.

TABLEAU II

Comparaison

des

amplitudes

de transition exactes et

approximées

pour le

potentiel

de Saxon-Woods.

(8)

TABLEAU III

Convergence

de

l’approximation

de

l’amplitude

de transition

pour

potentiel

de

Saxon-Woods,

avec comme rayons de raccordement 1,5 et 2.

V. Conclusion. - Notre

approximation

de la fonc-

tion de Green est construite à

partir

des états intro- duits par P. L.

Kapur

et R. Peierls. Les dérivées

loga- rithmiques

de ces

états, prises

en un certain rayon de

raccordement,

sont celles des ondes sortantes ;

aussi,

contrairement aux états habituels de

projection,

ces

états

dépendent

de

l’énergie.

Au

prix

de cette

légère complication,

on obtient une base

qui

est

adaptée

aussi bien à la recherche d’états liés

qu’aux problèmes

de

diffusion ;

en

effet,

la fonction d’onde obtenue a, par

construction,

le bon comportement

asymptctique

et le bon comportement à

l’origine.

Si cette

approxi-

mation

séparable

de la fonction de Green redonne bien les états

liés,

elle a le défaut de ne pas être fonda- mentalement unitaire et de ne pas faire

apparaître

les

résonances du moins si on reste sur l’axe réel des

énergies.

Le bon comportement

asymptotique,

la facilité et la

rapidité

de construction de ces états et la convergence du

développement (2

ou 3

termes)

permettent d’envi- sager

l’application

de cette

approximation

à de nom-

breux

problèmes

comme la recherche d’états liés dans un

potentiel

déformé ou pour la résolution

d’équations couplées

avec des

potentiels quelconques

pouvant éventuellement avoir un coeur dur.

Ainsi,

pour la résolution des

équations

de Fad-

deev

[5],

on peut utiliser

l’approche

de

Noyes [6]

dans

l’espace

de

configuration.

Dans les notations

habituelles,

ces

équations

s’écrivent :

On peut

projeter tp

1 sur les ondes

planes

de la

particule

1 relativement au centre de masse

(2-3)

et

sur les états introduits

précédemment ulnl(k23, r23)

de la coordonnée relative

(2-3).

Ces

équations

se réduisent alors à un

système d’équations intégrales couplées

à une dimension dont

les noyaux s’obtiennent par une

intégration

de - 1

à 1. D’autre part, à

partir

du comportement asympto-

tique

des

tp

i on peut obtenir aisément toutes les

amplitudes

de réaction.

Je remercie le Professeur J. Yoccoz d’avoir

suggéré

cette étude et A. Laverne pour avoir bien voulu relire

ce manuscrit.

Bibliographie [1] KAPUR (P. L.) et PEIERLS (R.), Proc. Roy. Soc., 1938,

A 166, 277.

[2] LEJEUNE (A.) et NAGARAJAN (M.

A.),

Bull. Soc. Roy.

Sciences, Liège, 1970, 5-6, 299.

[3] HUMBLET (J.) et ROSENFELD (L.), Nuclear Physics, 1961, 26, 529.

[4] MINELLI (T. A.) et ZARDI (F.), Lettere Nuovo Cimento, 1970, 3, 369.

[5] FADDEEV (L. D.), Zh. Eksper, Teor. Fiz., 1960, 39, 1459.

[6] PIERRE NOYES (H.), Phys. Rev. Letters, 1969, 23, 1201.

Références

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