Intégrale elliptique

Une intégrale elliptique est une intégrale de la forme est une fonction rationnelle à deux variables, est une fonction polynomiale de degré 3 ou 4 avec des racines simples et est une constante ; autrement dit , , et sont des polynômes quelconques.

Formes canoniques[modifier | modifier le code]

Adrien-Marie Legendre, qui en a offert la première étude systématique, a montré que des changements de variables adéquats permettent d'exprimer les intégrales elliptiques en fonction de seulement trois formes canoniques[1] appelées intégrale elliptique de première, de deuxième et de troisième espèce et qui s'écrivent souvent ainsi[4] :

espèce Forme de Legendre Forme de Jacobi
1re
2e
3e

On prendra garde en particulier à ne pas confondre la virgule avec le point-virgule. La notation de l'intégrale elliptique avec un point-virgule ne permet que d'exprimer des intégrales elliptiques où . En utilisant au lieu de , l'ensemble de définition est étendu à , mais de toute façon, on peut toujours se ramener à une forme où . . Il est aussi défini[B 1] :

Vocabulaire[modifier | modifier le code]

On appelle :

  • le module elliptique ou excentricité
  • le paramètre
  • le comodule
  • l'angle modulaire
  • l'amplitude
  • la caractéristique

L'intégrale est dite :

  • incomplète si est quelconque
  • complète si

Les intégrales elliptiques complètes de 1re, 2e et 3e espèce sont respectivement[5] :

On définit aussi[6] :

On définit[A 2] :

Le "nom elliptique"[traduction souhaitée 1] ou grandeur d'expansion jacobienne est la fonction spéciale :

Graphiques[modifier | modifier le code]

Intégrales complètes
pour différentes valeurs de
et
La pente n'est pas nulle en 0.
Intégrales elliptiques, leur dérivées et intégrales complètes
pointillés ligne continue tirets
et . Cliquer pour modifier et
pour diverses valeurs de
pour diverses valeurs de

Historique[modifier | modifier le code]

L'intégrale est appelée elliptique car des intégrales de cette forme apparaissent lors du calcul du périmètre des ellipses et de la surface des ellipsoïdes. Il existe également des applications de grande envergure en physique. Par exemple :

Legendre appelait ces intégrales des fonctions elliptiques. Après les travaux de Niels Abel et de Carl Gustav Jakob Jacobi, en 1827, le nom de fonction elliptique est maintenant réservé aux applications réciproques de ces intégrales ou découlant de ces applications réciproques : les fonctions elliptiques de Jacobi, les fonctions elliptiques de Weierstrass et les fonctions elliptiques d'Abel.

Nombres d'espèces[modifier | modifier le code]

Adrien-Marie Legendre a montré que des changements de variables permettent de ramener les intégrales de la forme[A 3] aux trois formes canoniques sus-mentionnées.

Décomposition en éléments simples[modifier | modifier le code]

En effet, on peut décomposer l'intégrande ainsi :

, , , et sont des polynômes tels que et et . Il reste deux intégrales à calculer.

Réduction du degré des polynômes[modifier | modifier le code]

Chacune des intégrales du troisième terme peut se ramener à une expression de la forme :

Chacune des intégrales du quatrième terme peut se ramener à une expression de la forme :

Si , , , et sont réels, et si on veut qu'ils le restent, alors si est réel, on peut faire disparaître le quatrième terme du numérateur en posant :

Élimination des puissances impaires du radical[modifier | modifier le code]

On peut ensuite faire disparaître les puissances impaires sous le radical. Si on écrit :

  • Une première méthode est de poser :
Ainsi, on a :
  • Une deuxième méthode qui permet d'avoir (ce qui n'est pas immédiatement le cas avec la première méthode) est de poser :
Si , , , et sont réels, alors on peut toujours trouver deux réels et qui permettent d'écrire sans puissances impaires de .

Élimination des puissances impaires de la fonction rationnelle[modifier | modifier le code]

En posant , on a et s'exprime avec des fonctions trigonométriques ou hyperboliques.

De même, se transformera en .