En mathématiques, et plus précisément en analyse et en algèbre différentielle (en), le théorème de Liouville, formulé par Joseph Liouville dans une série de travaux concernant les fonctions élémentaires entre 1833 et 1841, et généralisé sous sa forme actuelle par Maxwell Rosenlicht en 1968, donne des conditions pour qu'une primitive puisse être exprimée comme combinaison de fonctions élémentaires, et montre en particulier que de nombreuses primitives de fonctions usuelles, telle que la fonction d'erreur, qui est une primitive de e − x 2, ne peuvent s'exprimer ainsi. Définitions Un corps différentiel est un corps commutatif K, muni d'une dérivation, c'est-à-dire d'une application de K dans K, additive (telle que), et vérifiant la « règle du produit »:. Si K est un corps différentiel, le noyau de, à savoir est appelé le corps des constantes, et noté Con( K); c'est un sous-corps de K. Étant donnés deux corps différentiels F et G, on dit que G est une extension logarithmique de F si G est une extension transcendante simple de F, c'est-à-dire que G = F ( t) pour un élément transcendant t, et s'il existe un s de F tel que.
8, p. 77 Archivé 2017-08-30 à la Wayback Machine ^ Denhartigh, Kyle; Flim, Rachel (15 janvier 2017). "Théorèmes de Liouville dans les plans doubles et doubles". Journal de mathématiques de premier cycle Rose-Hulman. 12 (2). Liens externes "Théorème de Liouville". PlanèteMath. Weisstein, Eric W. "Le théorème de la limite de Liouville". MathWorld.
Cette condition a la forme d'une dérivée logarithmique; on peut donc interpréter t comme une sorte de logarithme de l'élément s de F. De façon analogue, une extension exponentielle de F est une extension transcendante simple de F telle qu'il existe un s de F vérifiant; là encore, t peut être interprété comme une sorte d' exponentielle de s. Enfin, on dit que G est une extension différentielle élémentaire de F s'il existe une chaîne finie de sous-corps allant de F à G, telle que chaque extension de la chaîne soit algébrique, logarithmique ou exponentielle. Le théorème fondamental [ modifier | modifier le code] Théorème de Liouville-Rosenlicht — Soient F et G deux corps différentiels, ayant le même corps des constantes, et tels que G soit une extension différentielle élémentaire de F. Soit a un élément de F, y un élément de G, avec y = a. THÉORÈME DE LIOUVILLE - Encyclopædia Universalis. Il existe alors une suite c 1,..., c n de Con( F), une suite u 1,..., u n de F, et un élément v de F tels que Autrement dit, les seules fonctions ayant des « primitives élémentaires » (c'est-à-dire des primitives appartenant à des extensions élémentaires de F) sont celles de la forme prescrite par le théorème.
Exemples [ modifier | modifier le code] Le corps K = C ( x) des fractions rationnelles à une variable, muni de la dérivée usuelle, est un corps différentiel; son corps des constantes s'identifie à C.
En mécanique classique On utilise les coordonnées généralisées ( q, p) [ 1] où N est la dimension du dispositif. Joseph Liouville (1809-1882) : ses contributions à la théorie des fonctions d'une variable complexe. - Persée. La densité de probabilité est définie par la probabilité de rencontrer l'état [ 2] du dispositif dans le volume illimitétésimal. Quand on calcule l'évolution temporelle cette densité de probabilité ρ ( p, q), on obtient: On utilise alors les équations canoniques de Hamilton, en les remplaçant dans l'équation précédente: d'où: en utilisant les crochets de Poissons. Démonstration On considère l'équation de continuité d'un dispositif conservatif: or le second terme vaut [ 3]: On obtient bien: En mécanique quantique D'après le principe de correspondance, on peut rapidement en déduire l'équation de Liouville en mécanique quantique: d'où on déduit: Ici, est l' opérateur hamiltonien et ρ la matrice densité. Quelquefois cette équation est aussi appelée l'équation de Von Neumann.
La démonstration repose sur le fait que la divergence de cette « vitesse » dans l'espace des phases est nulle, en effet:, en utilisant les équations canoniques de Hamilton et il vient. Finalement, l'équation de conservation de s'écrit. Il ne reste alors plus qu'à développer le terme ce qui donne, on reconnait finalement dans le terme de gauche l'expression de. Théorème de liouville 1. On peut utiliser les équations canoniques de Hamilton en les remplaçant dans l'équation précédente:, on obtient le résultat, où désigne les crochets de Poisson. En mécanique quantique [ modifier | modifier le code] D'après le principe de correspondance, on peut rapidement en déduire l'équation de Liouville en mécanique quantique: d'où on déduit: Ici, est l' opérateur hamiltonien et la matrice densité. Parfois cette équation est aussi nommée l'équation de Von Neumann.
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