Licence 3Analyse

Différentiabilité et gradient

65 min15 exercicesSéquence 1.1 — Licence 3
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Durée : 65 min

Différentiabilité et gradient

1. Dérivées partielles

Soit f:U⊂Rn→Rf:U\subset\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}. La dérivée partielle de ff par rapport à xix_i en aa est :

∂f∂xi(a)=lim⁡h→0f(a+hei)−f(a)h\frac{\partial f}{\partial x_i}(a) = \lim_{h\to0}\frac{f(a+he_i)-f(a)}{h}

Notation : ∂xif\partial_{x_i}f, fxif_{x_i}, DifD_i f.

2. Différentiabilité

ff est différentiable en aa s'il existe une application linéaire L:Rn→RL:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R} telle que :

f(a+h)=f(a)+L(h)+o(∥h∥)(h→0)f(a+h) = f(a) + L(h) + o(\|h\|) \quad (h\to0)

LL est la différentielle de ff en aa, notée dfadf_a ou df(a)df(a).

Matrice jacobienne : dfadf_a est représentée par la matrice (∂fi∂xj(a))i,j\left(\frac{\partial f_i}{\partial x_j}(a)\right)_{i,j}.

3. Gradient

Pour f:Rn→Rf:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}, le gradient est :

∇f(a)=(∂f∂x1(a),…,∂f∂xn(a))\nabla f(a) = \left(\frac{\partial f}{\partial x_1}(a),\ldots,\frac{\partial f}{\partial x_n}(a)\right)

La différentielle s'écrit dfa(h)=∇f(a)⋅hdf_a(h)=\nabla f(a)\cdot h (produit scalaire).

Interprétation : ∇f(a)\nabla f(a) pointe dans la direction de la plus grande croissance de ff en aa.

4. Règle de la chaîne

Si g:I→U⊂Rng:I\to U\subset\mathbb{R}^n et f:U→Rf:U\to\mathbb{R} avec h=f∘gh=f\circ g :

h′(t)=∇f(g(t))⋅g′(t)h'(t) = \nabla f(g(t))\cdot g'(t)

Plus généralement : (f∘g)′=(dfg(t))∘g′(t)(f\circ g)' = (df_{g(t)})\circ g'(t).

5. Dérivées d'ordre 2 — Matrice Hessienne

Hf(a)=(∂2f∂xi∂xj(a))i,jH_f(a) = \left(\frac{\partial^2 f}{\partial x_i\partial x_j}(a)\right)_{i,j}

Théorème de Schwarz : si les dérivées partielles d'ordre 22 sont continues, ∂2f∂xi∂xj=∂2f∂xj∂xi\frac{\partial^2 f}{\partial x_i\partial x_j}=\frac{\partial^2 f}{\partial x_j\partial x_i} (la matrice hessienne est symétrique).

Exercices

Calculer ∂f/∂x\partial f/\partial x pour f(x,y)=x2y+3xy2f(x,y)=x^2y+3xy^2.

Calculer le gradient de f(x,y)=x2+xy+y2f(x,y)=x^2+xy+y^2 en (1,1)(1,1).

Vrai ou faux : Si ff est différentiable en aa, alors ff est continue en aa.

Calculer ∂2f/∂x∂y\partial^2 f/\partial x\partial y pour f(x,y)=sin⁡(xy)f(x,y)=\sin(xy).

Vrai ou faux : L'existence des dérivées partielles implique la différentiabilité.

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