En géométrie différentielle, l'intégrale curviligne est une intégrale où la fonction à intégrer est évaluée sur une courbe Γ. Il y a deux types d'intégrales curvilignes, selon que la fonction est à valeurs réelles ou à valeurs dans les formes linéaires. Le second type (qui peut se reformuler en termes de circulation d'un champ de vecteurs) a comme cas particulier les intégrales que l'on considère en analyse complexe.

Dans cet article, Γ est un arc orienté dans ℝn, rectifiable c'est-à-dire paramétré par une fonction continue à variation bornée t ↦ γ(t), avec t ∈ [a, b].

Intégrale d'un champ scalaire

On définit l'intégrale curviligne d'un champ scalaire continu f : Γ R {\displaystyle f:\Gamma \to \mathbb {R} } comme l'intégrale de Stieltjes de f∘γ par rapport à l'abscisse curviligne sγ(t) (longueur de l'arc γ restreint à [a, t]) :

Γ f   d s = a b ( f γ ) d s γ , {\displaystyle \int _{\Gamma }f\ \mathrm {d} s=\int _{a}^{b}(f\circ \gamma )\,\mathrm {d} s_{\gamma },}

c'est-à-dire la limite, quand le pas de la subdivision pointée de [a, b] tend vers 0, des sommes de Riemann associées : k = 1 n f ( γ ( t k ) ) ( s γ ( t k ) s γ ( t k 1 ) ) {\displaystyle \sum _{k=1}^{n}f(\gamma (t'_{k}))\left(s_{\gamma }(t_{k})-s_{\gamma }(t_{k-1})\right)} où la subdivision pointée est notée : a = t0 < t1 < … < tn = b, t'k ∈ [tk–1, tk].

Cette définition ne dépend pas du paramétrage de Γ, ni de l'orientation.

La longueur sγ(b) de l'arc Γ est l'intégrale curviligne de la fonction constante 1.

Si γ est de classe C1, Γ f   d s = a b f ( γ ( t ) ) γ ( t ) d t . {\displaystyle \int _{\Gamma }f\ \mathrm {d} s=\int _{a}^{b}f(\gamma (t))\|\gamma '(t)\|\mathrm {d} t.}

Analyse vectorielle

On définit également la circulation le long de Γ d'un champ vectoriel continu f : Γ R n {\displaystyle f:\Gamma \to \mathbb {R} ^{n}} comme une intégrale de Stieltjes :

Γ f d γ = a b ( f γ ) d γ , {\displaystyle \int _{\Gamma }f\cdot \,\mathrm {d} \gamma =\int _{a}^{b}(f\circ \gamma )\cdot \,\mathrm {d} \gamma ,}

désigne le produit scalaire.

Cette définition ne dépend pas du paramétrage de Γ mais dépend de l'orientation (l'intégrale est changée en son opposée quand la courbe est parcourue en sens inverse).

On peut reformuler cette définition en notant ω la 1-forme différentielle « produit scalaire par f » : si ω est une 1-forme différentielle continue sur le support de Γ, on définit l'intégrale curviligne de ω le long de Γ par :

Γ ω = a b ω γ , d γ , {\displaystyle \int _{\Gamma }\omega =\int _{a}^{b}\langle \omega \circ \gamma ,\mathrm {d} \gamma \rangle ,}

où ⟨∙, ∙⟩ est le crochet de dualité.

Si γ est de classe C1, Γ f d γ = a b f ( γ ( t ) ) γ ( t ) d t e t Γ ω = a b ω γ ( t ) ( γ ( t ) ) d t . {\displaystyle \int _{\Gamma }f\cdot \,\mathrm {d} \gamma =\int _{a}^{b}f(\gamma (t))\cdot \gamma '(t)\,\mathrm {d} t\quad {\rm {et}}\quad \int _{\Gamma }\omega =\int _{a}^{b}\omega _{\gamma (t)}(\gamma '(t))\,\mathrm {d} t.}

Analyse complexe

Pour n = 2 et en identifiant ℝ2 au plan complexe, on définit l'intégrale curviligne d'une fonction continue f : Γ C {\displaystyle f:\Gamma \to \mathbb {C} } comme l'intégrale de la 1-forme différentielle « produit (complexe) par f » :

Γ f ( z ) d z = a b ( f γ ) d γ . {\displaystyle \int _{\Gamma }f(z)\,\mathrm {d} z=\int _{a}^{b}(f\circ \gamma )\,\mathrm {d} \gamma .}

Si γ est de classe C1, Γ f ( z ) d z = a b f ( γ ( t ) ) γ ( t ) d t . {\displaystyle \int _{\Gamma }f(z)\,\mathrm {d} z=\int _{a}^{b}f(\gamma (t))\gamma '(t)\,\mathrm {d} t.}

Lorsque Γ est une courbe fermée (ses deux extrémités coïncident), il arrive qu'on utilise la notation : Γ f ( z ) d z . {\displaystyle \oint _{\Gamma }f(z)\,\mathrm {d} z.}

Exemple

Soit la fonction f(z) = 1/z, et soit C le cercle unité parcouru une fois dans le sens trigonométrique, ce qui peut se paramétrer par eit, avec t parcourant [0, 2π]. L'intégrale correspondante est C f ( z ) d z = 0 2 π 1 e i t i e i t d t = 0 2 π i d t = 2 i π . {\displaystyle \oint _{C}f(z)\,\mathrm {d} z=\int _{0}^{2\pi }{1 \over {\rm {e}}^{{\rm {i}}t}}{\rm {i}}{\rm {e}}^{{\rm {i}}t}\,\mathrm {d} t=\int _{0}^{2\pi }{\rm {i}}\,\mathrm {d} t=2i\pi .}

Propriétés

Les propriétés fondamentales des intégrales curvilignes sont le théorème intégral de Cauchy et la formule intégrale de Cauchy, qui permettent d'établir le théorème des résidus.

Références

Articles connexes

  • Théorème de Stokes
  • Intégrale de surface
  • Méthodes de calcul d'intégrales de contour
  • Portail de l'analyse

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