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Notions élémentaires et intuitives

Avant de donner une définition générale des vecteurs et champs de vecteurs, définition qui pourrait sembler assez abstraite de prime abord, nous souhaitons motiver quelque peu cette définition. Le lecteur est déjà supposé être familier de la notion élémentaire de vecteur, à savoir une classe d'équivalence de bi-points parallèles et de même sens, dans l'espace affine tex2html_wrap_inline10311 . Un champ de vecteurs de tex2html_wrap_inline10313 , au sens élémentaire du terme, est donc une application qui, à tout point de tex2html_wrap_inline10315 -considéré comme espace affine- , associe un vecteur de tex2html_wrap_inline10317 -considéré comme espace vectoriel. Intuitivement, on a une ``flèche'' en tout point; on peut penser à l'exemple du champ des vitesses d'un solide en mouvement, mais on peut aussi penser au champ magnétique en tout point de l'espace, etc. En physique - mais aussi, comme nous allons le voir, en mathématiques - un vecteur peut être considéré comme un ``petit déplacement''. Soit M une variété différentiable, f une fonction différentiable ainsi que P et Q deux points de M. Si M était un espace affine (comme tex2html_wrap_inline10331 ), cela aurait un sens de considérer la différence de Q et de P, puisque cette différence définirait simplement le vecteur tex2html_wrap_inline10337 . On pourrait aussi (mais on peut de toutes façons) considérer la différence f(Q) - f(P) des valeurs prises par f en Q et P. Dans le cas de tex2html_wrap_inline10347 et lorsque Q (coordonnées x') tend vers P (coordonnées x), le théorème des accroissement finis (ou celui de Taylor) nous dit que gif tex2html_wrap_inline10359 où les nombres tex2html_wrap_inline10361 ne sont autres que les composantes du vecteur tex2html_wrap_inline10363 dans le repère où P et Q ont des composantes tex2html_wrap_inline10369 et tex2html_wrap_inline10371 . Dans le cas des variétés, l'expression tex2html_wrap_inline10373 a encore un sens. En effet, choisissons tout d'abord une carte, et notons v la quantité tex2html_wrap_inline10377 . Si x(P) sont les coordonnées de P dans le domaine de la carte x, on pourra considérer la quantité

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qui nous décrit la variation - au premier ordre - de f dans ce que nous avons envie d'appeler la direction v. La quantité précédente v[f] est elle-même une fonction, qui, lorsqu'elle est évaluée au point P nous fournit un nombre v[f](P).


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Robert Coquereaux
Thu Jun 20 15:52:24 MEST 2002