Exemple en Physique : Mécanique terrestre - Exercice 1

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Il est possible d'approcher le comportement d'une fonction numérique ff (n∈Nn \in \mathbb{N} fois dérivable) univariée, au voisinage de l'abscisse x0∈Dfx_0 \in \mathcal{D}_f, par un polynôme PnP_n de degré nn. Ceci s'appelle reˊaliser un deˊveloppement limiteˊ aˋ l’ordre  n{\color{red}{\textbf{réaliser un développement limité à l'ordre} \,\ n}}, au voisinage de  x0{\color{blue}{\textbf{au voisinage de} \,\, x_0}}.
Pour cela, dans la pratique, le physicien utilise la célèbre formule suivante, dite formule du polynoˆme de Taylor{\color{red}{\textbf{formule du polynôme de \textit{Taylor}}}} :
Pn(x)=f(x0)+f′(x0) (x−x0)+12f′′(x0) (x−x0)2+16f′′′(x0) (x−x0)3+⋯+1n!f(n)(x0) (x−x0)nP_n(x) = f(x_0) + f'(x_0) \, (x-x_0) + \dfrac{1}{2} f''(x_0) \, (x-x_0)^2 + \dfrac{1}{6} f'''(x_0) \, (x-x_0)^3 + \cdots + \dfrac{1}{n !} f^{(n)}(x_0) \, (x-x_0)^n
On reconnais dans le début du développement l'expression f(x0)+f′(x0) (x−x0)f(x_0) + f'(x_0) \, (x-x_0) qui n'est autre que l'approximation affine (c'est-à-dire l'équation de la tangente). Le terme f(n)f^{(n)} est la nn-ième dérivée de la fonction ff.
Question 1
Voici un exemple simple d'utilisation faite par le physicien.

Le champ de pesanteur terrestre, usuellement noté gg, peut-être modélisé par une fonction numérique de l'altitude zz, selon :
g(z)=g0(RR+z)2g(z) = g_0 \left(\dfrac{R}{R+z} \right)^2
Dans cette relation, RR est le rayon de la Terre, et g0g_0 la valeur du champ de pesanteur terrestre prise au niveau de la mer.
Déterminer, sous l'hypothèse de comparaison z≪Rz \ll R, l'expression linéaire de gg en fonction de zz.

Correction
On a :
g(z)=g0(RR+z)2=g0(1R+zR)2=g0(1RR+zR)2=g0(11+zR)2g(z) = g_0 \left(\dfrac{R}{R+z} \right)^2 = g_0 \left(\dfrac{1}{\dfrac{R+z}{R}} \right)^2 = g_0 \left(\dfrac{1}{\dfrac{R}{R} + \dfrac{z}{R}} \right)^2 = g_0 \left(\dfrac{1}{1 + \dfrac{z}{R}} \right)^2
Soit :
g(z)=g0((1+zR)−1)2=g0(1+zR)−2g(z) = g_0 \left(\left(1 + \dfrac{z}{R} \right)^{-1} \right)^2 = g_0 \left(1 + \dfrac{z}{R} \right)^{-2}
En effectuant un développement au premier ordre, sous l'hypothèse z≪Rz \ll R, à savoir zR≪1\dfrac{z}{R} \ll 1, on obtient :
g(z)≃z≪Rg0(1+(−2)zR)g(z) \underset{z \ll R}{\simeq} g_0 \left(1 + (-2) \dfrac{z}{R} \right)
Finalement, on en déduit que l'expression linéaire de gg est donnée par :
g(z)≃z≪Rg0(1−2zR){\color{red}{\boxed{g(z) \underset{z \ll R}{\simeq} g_0 \left(1 - \dfrac{2z}{R} \right)}}}

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