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Licence 3 · Analyse L3 — Fonctions de plusieurs variables
Différentiabilité et gradient
Différentiabilité et gradient
1. Dérivées partielles
Soit . La dérivée partielle de par rapport à en est :
Notation : , , .
2. Différentiabilité
est différentiable en s'il existe une application linéaire telle que :
est la différentielle de en , notée ou .
Matrice jacobienne : est représentée par la matrice .
3. Gradient
Pour , le gradient est :
La différentielle s'écrit (produit scalaire).
Interprétation : pointe dans la direction de la plus grande croissance de en .
4. Règle de la chaîne
Si et avec :
Plus généralement : .
5. Dérivées d'ordre 2 — Matrice Hessienne
Théorème de Schwarz : si les dérivées partielles d'ordre sont continues, (la matrice hessienne est symétrique).
Exercices de la leçon
Exercice 1
Calculer pour .
Corrigé
On dérive par rapport à en traitant comme constante : .
Exercice 2
Calculer le gradient de en .
Corrigé
, . En : .
Exercice 3
Vrai ou faux : Si est différentiable en , alors est continue en .
Corrigé
Vrai. De , quand : .
Exercice 4
Calculer pour .
Corrigé
. .
Exercice 5
Vrai ou faux : L'existence des dérivées partielles implique la différentiabilité.
Corrigé
Faux. La fonction pour et a des dérivées partielles nulles en mais n'est même pas continue en .
Exercice 6
Calculer la matrice jacobienne de en .
Corrigé
.
En : .
Exercice 7
Appliquer la règle de la chaîne : , , . Calculer .
Corrigé
, .
.
Ce résultat est logique : (constante).
Exercice 8
Vrai ou faux : Si et sont continues, elles sont égales.
Corrigé
Vrai. C'est le théorème de Schwarz (ou de symétrie des dérivées secondes) : si les dérivées mixtes sont continues, elles coïncident.
Exercice 9
Calculer la hessienne de (laplacien harmonique).
Corrigé
, .
, , .
.
: est harmonique (satisfait ).
Exercice 10
Dans quelle direction le gradient de pointe-t-il en ?
Corrigé
. En : , direction des positifs.
Exercice 11
Montrer que n'est pas différentiable en .
Corrigé
Dérivée partielle : .
Cette limite n'existe pas ( si , si ).
Donc n'admet pas de dérivée partielle en , et en particulier n'est pas différentiable en .
Exercice 12
Vrai ou faux : Si , alors admet un extremum en .
Corrigé
Faux. vérifie mais est un point selle (col) — pas un extremum.
Exercice 13
Calculer la dérivée directionnelle de en dans la direction .
Corrigé
. En : .
.
C'est la dérivée directionnelle dans la direction .
Exercice 14
Vrai ou faux : La dérivée directionnelle maximale est atteinte dans la direction du gradient.
Corrigé
Vrai. (Cauchy-Schwarz). Égalité ssi .
Exercice 15
Calculer la hessienne de .
Corrigé
, , .
.
Mineurs principaux : , , . La hessienne est définie positive.
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