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Contrôle de maths L2 : intégrales doubles, triples et curvilignes

    Contrôle de maths L2 : intégrales doubles, triples et curvilignes

    Ce contrôle de maths de L2 porte sur le thème suivant : intégrales doubles, triples et curvilignes.

    Ce partiel de L2 porte sur le calcul intégral en plusieurs variables, avant la théorie de la mesure. Vous devrez énoncer le théorème de Fubini et calculer les jacobiens des coordonnées usuelles, puis intégrer sur des domaines élémentaires en choisissant le bon ordre d’intégration.

    Les coordonnées polaires servent ensuite sur un secteur de couronne et pour obtenir l’intégrale de Gauss. Un exercice calcule un volume en coordonnées cylindriques et une intégrale triple en sphériques. Enfin, le problème étudie des formes différentielles et applique la formule de Green-Riemann à une ellipse. Dessinez chaque domaine avant de calculer. Durée : 2 h 30.

    Fiche du contrôle
    • Niveau : licence L2
    • Chapitre : Intégrales multiples et intégrales curvilignes
    • Durée conseillée : 2 h 30
    • Barème : sur 20 points (exercice 1 : 3 points ; exercice 2 : 4 points ; exercice 3 : 4 points ; exercice 4 : 4 points ; exercice 5 : 5 points)
    • Compétences évaluées :
      • Représenter : dessiner un domaine d’intégration et le décrire comme domaine élémentaire dans les deux ordres
      • Calculer : appliquer le théorème de Fubini et les changements de variables polaires, cylindriques et sphériques
      • Raisonner : encadrer une intégrale sur le plan par des intégrales sur des disques et des carrés
      • Modéliser : calculer une aire par une intégrale curviligne grâce à la formule de Green-Riemann

    Exercice 1 : Question de cours : Fubini et jacobiens (3 points)

    Calculatrice interdite. Documents interdits.

    1. Soit \(a < b\) deux réels et \(\varphi_1 \leq\, \varphi_2\) deux fonctions continues sur \([a, b]\). Énoncez le théorème de Fubini pour une fonction \(f\) continue sur le domaine élémentaire \(D = \{(x, y) \in \mathbb{R}^2 : a \leq\, x \leq\, b,\ \varphi_1(x) \leq\, y \leq\, \varphi_2(x)\}\). (1 point)
    2. Calculez le jacobien du passage en coordonnées polaires \((r, \theta) \mapsto (r\cos\theta, r\sin\theta)\). (0,5 point)
    3. Calculez le jacobien du passage en coordonnées sphériques \((r, \theta, \varphi) \mapsto (r\sin\varphi\cos\theta, r\sin\varphi\sin\theta, r\cos\varphi)\), avec \(r \geq\, 0\), \(\theta \in [0, 2\pi]\) et \(\varphi \in [0, \pi]\). (1,5 point)

    Exercice 2 : Théorème de Fubini sur des domaines élémentaires (4 points)

    On note \(D = \{(x, y) \in \mathbb{R}^2 : 0 \leq\, x \leq\, 1,\ x^2 \leq\, y \leq\, \sqrt{x}\}\), représenté ci-dessous.

    Domaine D compris entre la parabole y = x² en bas et la courbe y = racine de x en haut, pour x entre 0 et 1

    1. Calculez l’aire de \(D\). (1 point)
    2. Calculez \(I = \iint_D xy \,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\). (1,5 point)
    3. On pose \(J = \int_0^1 (\int_y^1 e^{x^2} \,\mathrm{d}x) \mathrm{d}y\). Dessinez le domaine d’intégration, échangez l’ordre des intégrations en justifiant, puis calculez \(J\). (1,5 point)

    Exercice 3 : Coordonnées polaires et intégrale de Gauss (4 points)

    On note \(\Delta = \{(x, y) \in \mathbb{R}^2 : 1 \leq\, x^2 + y^2 \leq\, 4,\ 0 \leq\, y \leq\, x\}\).

    Secteur de couronne Delta entre les cercles de rayons 1 et 2, limité par l'axe des abscisses et la droite y = x

    1. Calculez \(\iint_\Delta x \,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\) en coordonnées polaires. (1,5 point)
    2. Calculez \(\iint_\Delta \frac{\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y}{x^2 + y^2}\). (1 point)
    3. Pour \(R > 0\), on note \(D_R\) le disque fermé de centre \(O\) et de rayon \(R\), et \(C_R = [-R, R]^2\). Calculez \(\iint_{D_R} e^{-(x^2 + y^2)} \,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\). Ensuite, en comparant les intégrales sur \(D_R\), \(C_R\) et \(D_{R\sqrt{2}}\), démontrez que \(\int_{-\infty}^{+\infty} e^{-x^2} \,\mathrm{d}x = \sqrt{\pi}\). (1,5 point)

    Exercice 4 : Volumes et intégrales triples (4 points)

    1. Soit \(V = \{(x, y, z) \in \mathbb{R}^3 : x^2 + y^2 \leq\, z \leq\, 2 – x^2 – y^2\}\), solide compris entre deux paraboloïdes. Déterminez la projection de \(V\) sur le plan \((xOy)\), dessinez-la, puis calculez le volume de \(V\) en coordonnées cylindriques. (2 points)
    2. Soit \(B\) la boule unité fermée de \(\mathbb{R}^3\). Calculez \(\iiint_B z^2 \,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\,\mathrm{d}z\) en coordonnées sphériques. Vérifiez votre résultat à l’aide de \(\iiint_B (x^2 + y^2 + z^2) \,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\,\mathrm{d}z\) et d’un argument de symétrie. (2 points)

    Exercice 5 : Problème : formes différentielles et formule de Green-Riemann (5 points)

    Dans cet exercice, \(\Gamma\) désigne l’ellipse paramétrée par \(t \mapsto (2\cos t, \sin t)\), \(t \in [0, 2\pi]\), parcourue dans le sens direct. Elle borde le domaine \(K = \{(x, y) : \frac{x^2}{4} + y^2 \leq\, 1\}\).

    Ellipse Gamma de demi-axes 2 et 1 parcourue dans le sens direct, bordant le domaine K colorié

    1. Montrez que la forme \(\omega_1 = (2xy + 1)\,\mathrm{d}x + (x^2 + 3y^2)\,\mathrm{d}y\) est exacte sur \(\mathbb{R}^2\), déterminez une primitive, puis calculez son intégrale le long de n’importe quel chemin de \((0, 0)\) à \((1, 2)\). (1 point)
    2. Calculez directement \(\oint_\Gamma x\,\mathrm{d}y – y\,\mathrm{d}x\). Énoncez ensuite la formule de Green-Riemann et déduisez-en l’aire de \(K\). (1,5 point)
    3. Calculez \(\oint_\Gamma x^2 y\,\mathrm{d}x + x y^2\,\mathrm{d}y\) à l’aide de la formule de Green-Riemann (on pourra poser \(x = 2r\cos\theta\), \(y = r\sin\theta\)). (1,5 point)
    4. Sur \(\mathbb{R}^2 \setminus \{(0, 0)\}\), on considère \(\omega_4 = \dfrac{-y\,\mathrm{d}x + x\,\mathrm{d}y}{x^2 + y^2}\). Montrez que \(\omega_4\) est fermée, calculez son intégrale sur le cercle unité parcouru dans le sens direct, et concluez sur son exactitude. (1 point)

    Corrigé du contrôle de maths L2 : intégrales doubles, triples et curvilignes

    Réviser avant le contrôle : intégrales doubles, triples et curvilignes

    Avant de faire ce contrôle, relisez le cours « Intégrales multiples » en L2 puis entraînez-vous avec les exercices corrigés intégrales multiples.

    Retrouvez tous les contrôles de maths de L2 classés par chapitre, ou choisissez un autre niveau sur la page contrôles de maths du CP au post-bac.

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