Calculs III – Coordonnées cylindriques

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Section 1-12 : Coordonnées cylindriques

Comme pour l’espace à deux dimensions, le système de coordonnées standard \(\left( {x,y,z} \right)\) est appelé le système de coordonnées cartésiennes. Dans les deux dernières sections de ce chapitre, nous allons étudier d’autres systèmes de coordonnées pour l’espace à trois dimensions.

Nous allons commencer par le système de coordonnées cylindriques. Celui-ci est assez simple puisqu’il n’est rien d’autre qu’une extension des coordonnées polaires en trois dimensions. Non seulement c’est une extension des coordonnées polaires, mais nous l’étendons dans la troisième dimension tout comme nous étendons les coordonnées cartésiennes dans la troisième dimension. Tout ce que nous faisons, c’est ajouter une \(z\) sur comme troisième coordonnée. Les \(r\) et \(\theta\) sont les mêmes que pour les coordonnées polaires.

Voici le croquis d’un point dans \({\mathbb{R}^3}\).

Ce graphique possède un système de coordonnées 3D standard. L'axe z positif est droit vers le haut, l'axe x positif se déplace vers la gauche et légèrement vers le bas et l'axe y positif se déplace vers la droite et légèrement vers le bas. Il existe un point intitulé $\left( x,y,z \right)=\left( r,\theta ,z \right)$ qui semble être dans le 1er octant (c'est-à-dire que x, y et z sont tous positifs). À partir de ce point, une ligne en pointillé est tombée directement dans le plan xy (l'atteignant à angle droit) et la ligne en pointillé est étiquetée

Les conversions pour \(x\) et \(y\) sont les mêmes conversions que nous avons utilisées à l’époque où nous regardions les coordonnées polaires. Ainsi, si nous avons un point en coordonnées cylindriques, les coordonnées cartésiennes peuvent être trouvées en utilisant les conversions suivantes.

La troisième équation est juste une reconnaissance que la coordonnée \(z\) d’un point en coordonnées cartésiennes et polaires est la même.

De même, si nous avons un point en coordonnées cartésiennes, les coordonnées cylindriques peuvent être trouvées en utilisant les conversions suivantes.

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Regardons rapidement quelques surfaces en coordonnées cylindriques.

Exemple 1 Identifiez la surface pour chacune des équations suivantes.

  1. \(r = 5\)
  2. \({r^2} + {z^2} = 100\)
  3. \(z = r\)

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a \(r = 5\) Afficher la solution

En deux dimensions, nous savons que c’est un cercle de rayon 5. Puisque nous sommes maintenant en trois dimensions et qu’il n’y a pas de \(z\) dans l’équation, cela signifie qu’il est autorisé à varier librement. Ainsi, pour toute \(z\) donnée, nous aurons un cercle de rayon 5 centré sur l’axe \(z\).

En d’autres termes, nous aurons un cylindre de rayon 5 centré sur l’axe \(z\).

b \({r^2} + {z^2} = 100\) Afficher la solution

Cette équation sera facile à identifier une fois que nous aurons reconverti en coordonnées cartésiennes.

Donc, il s’agit d’une sphère centrée à l’origine et de rayon 10.

c \(z = r\) Show Solution

Encore, celle-ci ne sera pas trop mal si on la reconvertit en coordonnées cartésiennes. Pour des raisons qui seront apparentes par la suite, nous allons d’abord élever les deux côtés au carré, puis convertir.

D’après la section sur les surfaces quadriques, nous savons que c’est l’équation d’un cône.

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