5.4 Opérateurs différentiels

  5.4.1 Vecteur gradient
  5.4.2 Rotationnel d’un champ de vecteurs
  5.4.3 Divergence d’un champ de vecteurs
  5.4.4 Laplacien d’un champ de scalaires

5.4.1 Vecteur gradient

Considérons un champ de scalaire défini en chaque point d’un espace ponctuel $\varepsilon _{n}$ par une fonction $F(y^{1},y^{2},...,y^{n})$ des coordonnées curvilignes $y^{i}$.

Dérivées partielles - On va montrer que les dérivées partielles $\partial _{k}\,F$ d’un champ de scalaires sont les composantes covariantes d’un vecteur. Pour cela, considérons un autre système de coordonnées curvilignes $(y'^{j})$ de $\varepsilon _{n}$ où ce même champ de scalaires s’écrit : $F(y^{1},y^{2},...,y^{n})=F'(y'^{1},y'^{2},...,y'^{n})$. La dérivation partielle d’une fonction composée nous donne :

\begin{equation} \dfrac{\partial\,F}{\partial\,y^{j}}=\dfrac{\partial\,F’}{\partial\,y’^{i}}\,\dfrac{\partial\,y’^{i}}{\partial\,y^{j}}  
\tag{5.4.1}  
\label{5.4.1} \end{equation}

Les relations (4.3.14) et (4.3.15) montrent que les quantités $\partial _{j}\,F$ se transforment comme les vecteurs de base $(\beq {e_{i}})$ du repère naturel de $\varepsilon _{n}$. Les dérivées $\partial _{j}\,F$ sont donc des quantités covariantes qui, pour $j=1,2,...,n$, constituent les composantes d’un tenseur d’ordre un.

Définition du vecteur gradient - Ce tenseur d’ordre un est appelé le vecteur gradient de $F$. On note ce vecteur $\beq {grad}\,F$ et sa décomposition sur la base réciproque est donnée par :

\begin{equation} \beq{grad}\,F=\partial_{k}\,F\,\beq{e^{k}}  
\tag{5.4.2}  
\label{5.4.2} \end{equation}

Les composantes covariantes du vecteur gradient sont notées $grad_{k}\,F$, soit :

\begin{equation} grad_{k}\,F=\partial_{k}\,F  
\tag{5.4.3}  
\label{5.4.3} \end{equation}

Ses composantes contravariantes $grad^{i}\,F$ sur la base $(\beq {e_{i}})$ sont données par :

\begin{equation} grad^{i}\,F=g^{ik}\,\partial_{k}\,F  
\tag{5.4.4}  
\label{5.4.4} \end{equation}

5.4.2 Rotationnel d’un champ de vecteurs

Soit un champ de vecteurs $\mathbf {V}$ de composantes covariantes $v_{i}$. La dérivée covariante du vecteur $\mathbf {V}$a pour composantes covariantes les quantités données par la relation (5.2.12), à savoir :

\begin{equation} \nabla_{j}\,v_{i}=\partial_{j}\,v_{i}-v_{k}\,\sgammaeq{j}{k}{i}  
\tag{5.4.5}  
\label{5.4.5} \end{equation}

Échangeant les indices de cette dernière relation et remarquant que les symboles de Christoffel sont symétriques par rapport à leurs indices inférieurs, on obtient :

\begin{equation} \nabla_{i}\,v_{j}=\partial_{i}\,v_{j}-v_{k}\,\sgammaeq{j}{k}{i}  
\tag{5.4.6}  
\label{5.4.6} \end{equation}

Retranchons membre à membre les relations (5.4.5) et (5.4.6), il vient :

\begin{equation} \nabla_{j}\,v_{i}-\nabla_{i}\,v_{j}=\partial_{j}\,v_{i}-\partial_{i}\,v_{j}  
\tag{5.4.7}  
\label{5.4.7} \end{equation}

Les quantités figurant dans cette dernière relation représentent donc les composantes d’un nouveau tenseur appelé tenseur rotationnel du vecteur $\mathbf {V}$. C’est un tenseur antisymétrique que l’on note $\beq {rot}\,\beq {V}$ et l’on a :

\begin{equation} \beq{rot}\,\beq{V}=(\nabla_{j}\,v_{i}-\nabla_{i}\,v_{j})\,\beq{e_{i}}\otimes\beq{e_{j}}=(\beq{rot}\,\beq{V})_{ij}\,\beq{e_{i}}\otimes\beq{e_{j}}  
\tag{5.4.8}  
\label{5.4.8} \end{equation}

Vecteur rotationnel - On a vu, au chapitre III, que parmi les $n^{2}$ composantes d’un tenseur antisymétrique d’ordre $n$, celui-ci possède $n(n-1)/2$ composantes strictes. Pour un espace à trois dimensions, et seulement dans ce cas, le nombres de composantes strictes est égal à la dimension de l’espace.

Dans le cas d’un espace euclidien $\varepsilon _{3}$ rapporté à un système de coordonnées orthonormées, le vecteur formé à partir des composantes strictes du tenseur $\beq {rot}\,\beq {V}$, et ayant pour composantes :

\begin{equation} (\beq{rot}\,\beq{V})_{1}=\partial_{2}\,v_{3}-\partial_{3}\,v_{2}\,\,\,;\,\,\,(\beq{rot}\,\beq{V})_{2}=\partial_{3}\,v_{1}-\partial_{1}\,v_{3}\,\,\,;\,\,\,(\beq{rot}\,\beq{V})_{3}=\partial_{1}\,v_{2}-\partial_{2}\,v_{1}  
\tag{5.4.9}  
\label{5.4.9} \end{equation}

constitue le vecteur rotationnel classique. C’est un exemple de vecteur adjoint d’un tenseur.

5.4.3 Divergence d’un champ de vecteurs

Soit un champ de vecteur $\mathbf {V}$ dont la dérivée covariante est $\nabla _{k}\,v^{i}$. Par contraction du tenseur $\nabla _{k}\,v^{i}$, on obtient un scalaire $\nabla _{i}\,v^{i}$ appelé divergence du vecteur $\mathbf {V}$. On note la divergence :

\begin{equation} \beq{div}\,\beq{V}=\nabla_{i}\,v^{i}  
\tag{5.4.10}  
\label{5.4.10} \end{equation}

L’expression développée de la dérivée covariante :

\begin{equation} \nabla_{k}\,v^{i}=\partial_{k}\,v^{i}+v^{j}\,\sgammaeq{k}{i}{j}  
\tag{5.4.11}  
\label{5.4.11} \end{equation}

donne pour expression de la divergence :

\begin{equation} \beq{div}\,\beq{V}=\partial_{i}\,v^{i}+v^{j}\,\sgammaeq{i}{i}{j}  
\tag{5.4.12}  
\label{5.4.12} \end{equation}

L’expression du symbole de Christoffel contracté $\sgammaeq {i}{i}{j}$, donnée par la relation (5.3.40), permet d’écrire la divergence sous la forme :

\begin{equation} \beq{div}\,\beq{V}=\partial_{i}\,v^{i}+\dfrac{v^{i}}{\sqrt{|g|}}\,\partial_{i}\,\sqrt{|g|}  
\tag{5.4.13}  
\label{5.4.13} \end{equation}

Cette dernière expression peut être transformée en utilisant la relation suivante entre deux quantités différentiables $a$ et $b$ :

\begin{equation} \dfrac{1}{a}\,\text{d}(b\,a)=\text{d}b+\dfrac{b}{a}\,\text{d}a  
\tag{5.4.14}  
\label{5.4.14} \end{equation}

et en posant : $a=\sqrt {|g|}$, $b=v^{i}$ ; on obtient :

\begin{equation} \beq{div}\,\beq{V}=\dfrac{1}{\sqrt{|g|}}\,\partial_{i}\,(v^{i}\,\sqrt{|g|})  
\tag{5.4.15}  
\label{5.4.15} \end{equation}

Pour un système de coordonnées orthonormées, $g=1$, on retrouve l’expression classique de la divergence : $\beq {div}\,\beq {V}=\partial _{i}\,v^{i}$.

5.4.4 Laplacien d’un champ de scalaires

On appelle laplacien d’un champ de scalaire défini par une fonction $F(y^{1},y^{2},...,y^{n})$ à valeurs scalaires, l’expression :

\begin{equation} \Delta\,F=\beq{div}\,\beq{grad}\,F  
\tag{5.4.16}  
\label{5.4.16} \end{equation}

L’expression du laplacien s’obtient à partir de la définition (5.4.10) de la divergence et des composantes contravariantes du gradient $g^{ik}\,\partial _{k}\,F$, on a :

\begin{equation} \Delta\,F=\nabla_{i}\,(g^{ik}\,\partial_{k}\,F)  
\tag{5.4.17}  
\label{5.4.17} \end{equation}

La propriété de permutation de la dérivée covariante avec le changement de variance par multiplication par $g^{ij}$ et sommation, nous donne :

\begin{equation} \Delta\,F=g^{ik}\,\nabla_{i}\,(\partial_{k}\,F)  
\tag{5.4.18}  
\label{5.4.18} \end{equation}

Les quantités $\nabla _{i}\,(\partial _{k}\,F)$ sont les composantes covariantes de la dérivée covariante du vecteur $\beq {grad}\,F$ ; elles sont données par la relation (5.2.12), soit :

\begin{equation} \nabla_{i}\,(\partial_{k}\,F)=\partial_{ik}\,F-\sgammaeq{i}{l}{k}\,\partial_{l}\,F  
\tag{5.4.19}  
\label{5.4.19} \end{equation}

d’où l’expression du laplacien :

\begin{equation} \Delta\,F=g^{ik}\,(\partial_{ik}\,F-\sgammaeq{i}{l}{k}\,\partial_{l}\,F)  
\tag{5.4.20}  
\label{5.4.20} \end{equation}

On obtient également une expression du laplacien en reportant les composantes contravariantes de $\beq {grad}\,F$ dans la relation (5.4.15), soit :

\begin{equation} \Delta\,F=\dfrac{1}{\sqrt{|g|}}\,\partial_{i}\,(\sqrt{|g|}\,g^{ik}\,\partial_{k}\,F)  
\tag{5.4.21}  
\label{5.4.21} \end{equation}

Pour un système de coordonnées orthonormées, $g^{ik}=\delta ^{ik}$, on retrouve l’expression classique du laplacien : $\Delta \,F=\partial _{kk}\,F$.