Forme de Jacobi de l'intégrale elliptique
Bonjour,
L'intégrale elliptique incomplète de 1ère espèce s'écrit (sous forme trigonométrique) : $ F(\varphi,k)=\int_{0}^{\varphi} \frac{1}{\sqrt{1-k^2 \sin^2(\theta)}} \mathrm{d}\theta $.
Et il est noté un peu partout que si l'on fait le changement de variable $t=\sin(\theta)$, on peut la réécrire sous la forme de Jacobi : $F(x,k)=\int_{0}^{x} \frac{1}{\sqrt{ (1-t^2)(1-k^2 t^2) }} \mathrm{d}t$, où l'on a simplement posé $x=\sin(\varphi)$...
Bon, très bien, mais, $t=\sin(\theta) \Rightarrow \mathrm{d}t=\cos(\theta)\mathrm{d}\theta$, et $\cos(\theta)=\pm\sqrt{1-\sin^2(\theta)}=\pm\sqrt{1-t^2}$
Je me demande pourquoi, sous la forme de Jacobi, on utilise l'écriture positive de $\cos(\theta)$ ?
L'intégrale elliptique incomplète de 1ère espèce s'écrit (sous forme trigonométrique) : $ F(\varphi,k)=\int_{0}^{\varphi} \frac{1}{\sqrt{1-k^2 \sin^2(\theta)}} \mathrm{d}\theta $.
Et il est noté un peu partout que si l'on fait le changement de variable $t=\sin(\theta)$, on peut la réécrire sous la forme de Jacobi : $F(x,k)=\int_{0}^{x} \frac{1}{\sqrt{ (1-t^2)(1-k^2 t^2) }} \mathrm{d}t$, où l'on a simplement posé $x=\sin(\varphi)$...
Bon, très bien, mais, $t=\sin(\theta) \Rightarrow \mathrm{d}t=\cos(\theta)\mathrm{d}\theta$, et $\cos(\theta)=\pm\sqrt{1-\sin^2(\theta)}=\pm\sqrt{1-t^2}$
Je me demande pourquoi, sous la forme de Jacobi, on utilise l'écriture positive de $\cos(\theta)$ ?
Réponses
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Sur un intervalle comme $[0,\varphi]$, du moins si $\varphi$ est positif mais pas trop grand, le cosinus est positif. Au-delà, si on veut prolonger de façon continue, il est sans doute recommandé de ne pas trop changer ce signe.
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Math Coss a écrit:du moins si $\varphi$ est positif mais pas trop grand
Certes, mais bien que j'ai cherché avec application, je n'ai pas trouvé de document précisant que l'intégrale elliptique n'est valable que pour un $\varphi$ proche de $0$... A chaque fois, on écrit $\int_{0}^{\varphi}$, en ne définissant jamais quel est l'intervalle approprié pour $\varphi$.
Est-ce qu'il y a une définition / convention que j'aurais sautée ? -
Note qu'au sens traditionnel, le changement de variable $x=\sin\varphi$ sur un intervalle qui contient $0$ est impossible au-delà de $\left[-\frac\pi2,\frac\pi2\right]$, intervalle sur lequel le cosinus est positif.
Note par ailleurs qu'en sens inverse, poser $x=\sin\varphi$ pour $x$ plus grand que $1$ est un peu périlleux.
[Edit : séparation plus explicite des deux parties indépendantes du message.] -
Math Coss a écrit:pour $x$ plus grand que $1$...
Oui, mais qui parle de $x>1$ ? Dans l'écriture de l'intégrale, $\theta$ est une variable entre $0$ et $\varphi$ ; on peut toujours calculer $\sin(\theta)$, donc $t$ existe bien.
Quand $\theta=\varphi$, la nouvelle variable $t$ devient égale à $\sin(\varphi)$. L'intégrale se réécrit (si l'on accepte la convention du $cos$ positif :
$\int_{0}^{\sin(\varphi)} \frac{1}{\sqrt{ (1-t^2)(1-k^2 t^2) }} \mathrm{d}t$
Qu'est-ce qui empêche de poser $\sin(\varphi)=x$ et qu'est-ce qui ferait que $x$ serait plus grand que $1$ ? -
J'ai modifié le message (marginalement).
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J'avoue ne toujours pas comprendre pourquoi le changement de variable $t=\sin(\theta)$ conduit à choisir $\cos(\theta)=\sqrt{1-t^2}$ pour exprimer la forme de Jacobi de l'intégrale elliptique...
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Ayant continué à chercher, j'en conclus que la question peut être résolue par le simple fait que, dans l'immense majorité des cas, la définition d'une intégrale elliptique est "balancée" sans conditions ; or, j'ai trouvé ces conditions bien mentionnées dans un ouvrage un peu ancien (1995), mais clair (voir les PJ) : l'amplitude $\varphi$ est postulée entre $0$ et $\pi / 2$ (et, par ailleurs, le module $k$ est postulé entre $0$ et $1$... ) . Je me demande pourquoi ces conditions ne sont pas rappelées plus souvent dans les définitions ?
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En général on considère l'intégrale en complexe pour toute valeur de $\phi$ ou de $x$. Elle admet un prolongement analytique définit modulo les périodes de l'intégrale (comme toute intégrale d'une forme fermée). Regarde par exemple, le livre de Shabat analyse complexe volume 1 ou encore Calcul Infinitésimal de Dieudonné.
M.
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