mathématiques

dérivée partielle

dérivée partielle — anatomie d'une formule
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Description

Une dérivée partielle mesure comment une fonction change lorsque l'on ne fait varier qu'une seule de ses multiples variables, toutes les autres étant maintenues constantes. C'est une pierre angulaire du calcul différentiel à plusieurs variables, et elle apparaît partout en physique, de la thermodynamique (où pression, volume et température sont interdépendants) aux théories des champs (où les champs dépendent de l'espace et du temps). La notation ∂f/∂x désigne la dérivée partielle de f par rapport à x.

Histoire

Le concept a été développé au XVIIIe siècle par des mathématiciens comme Leonhard Euler et Joseph-Louis Lagrange, qui ont étendu le calcul différentiel aux fonctions de plusieurs variables. La notation moderne ∂ a été introduite par le marquis de Condorcet en 1770 et popularisée par Carl Gustav Jacob Jacobi au XIXe siècle.

Comment ça marche

Pour calculer une dérivée partielle, on traite toutes les variables sauf celle qui nous intéresse comme des constantes et on différencie comme en calcul ordinaire. Par exemple, si f(x, y) = x²y + sin(y), alors ∂f/∂x = 2xy, et ∂f/∂y = x² + cos(y). Les dérivées partielles servent à construire les gradients, les divergences et les rotationsnels en analyse vectorielle, et elles apparaissent dans des équations différentielles comme l'équation d'onde et l'équation de Schrödinger.

En pratique

Les dérivées partielles sont utilisées en optimisation (par exemple, la descente de gradient en apprentissage automatique), pour résoudre des équations aux dérivées partielles en dynamique des fluides et en électromagnétisme, et dans l'analyse de propagation des erreurs en physique expérimentale.

Anecdote

En thermodynamique, les quatre relations de Maxwell sont dérivées de l'égalité des dérivées partielles croisées, reliant des grandeurs comme la température, la pression, l'entropie et le volume.

Concept graph →

Formules

$$c_s^2 = \frac{P_X}{P_X + 2X P_{XX}}$$
Speed of perturbations in a scalar field with kinetic term.
Ce qu'il y a dans la formule
c_svariablesound speed — sound speed metre per second
Pvariablepressure of the scalar field — pression pascal
Xvariablekinetic term, -1/2 (∂φ)^2 — kinetic energy density joule per cubic metre
P_Xvariablepartial derivative of P with respect to X — dérivée partielle
P_XXvariablesecond partial derivative of P with respect to X — second partial derivative
$$\partial_v r = 0$$
Condition defining a black hole horizon in null coordinates.
Ce qu'il y a dans la formule
vvariablenull coordinate (e.g., advanced time) — null coordinate metre
rvariableradial coordinate — coordonnée radiale metre
∂_vopérateurdifferentiates with respect to the null coordinate — dérivée partielle
$$P = i \left( \Psi^* \frac{\partial\Psi}{\partial t} - \frac{\partial\Psi^*}{\partial t} \Psi \right)$$
Defines probability density in relativistic quantum mechanics.
Ce qu'il y a dans la formule
PvariableProbability density — probability density per metre cubed
\PsivariableWave function — fonction d'onde per metre cubed half
\Psi^*variableComplex conjugate of wave function — wave function conjugate per metre cubed half
tvariableTime — temps second
\frac{\partial}{\paropérateurPartial derivative with respect to time — dérivée partielle
$$i\hbar\frac{\partial\psi}{\partial t} = -\frac{\hbar^2}{2m}\nabla^2\psi + V\psi$$
Describes quantum particles with self-gravitating potential.
Ce qu'il y a dans la formule
ψvariablewave function of the quantum particle — fonction d'onde metre to the minus 3 over 2
tvariabletime — temps second
Vvariablepotential energy (here self-gravitating) — énergie potentielle joule
mvariablemass of the particle — masse kilogram
ħconstanteReduced Planck constant, fundamental quantum of action — constante de Planck réduite = 1.054571817e-34 joule second
∂/∂topérateurpartial derivative with respect to time — dérivée partielle
∇²opérateurLaplacian (spatial second derivative) — laplacian operator
$$\beta_{\rho} = M \frac{\partial \rho}{\partial M}$$
Beta function describes scale dependence of a parameter.
Ce qu'il y a dans la formule
β_ρvariablebeta function for ρ joule per cubic metre
Mvariablerenormalization scale — énergie joule
ρvariablerunning parameter joule per cubic metre
∂/∂Mopérateurpartial derivative with respect to scale M — dérivée partielle
$$\Delta T = -\frac{T}{C_p} \left( \frac{\partial S}{\partial P} \right)_T \Delta P$$
Temperature change under adiabatic pressure variation.
Ce qu'il y a dans la formule
ΔTvariabletemperature change — température kelvin
Tvariableabsolute temperature — température kelvin
C_pvariableheat capacity at constant pressure — capacité thermique joule per kelvin
Svariableentropy — entropie joule per kelvin
ΔPvariablepressure change — pression pascal
∂/∂Popérateurpartial derivative with respect to pressure at constant temperature — dérivée partielle

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