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Licence 3 · Analyse L3 — Fonctions de plusieurs variables

Différentiabilité et gradient

Différentiabilité et gradient

1. Dérivées partielles

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

fxi(a)=limh0f(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:RnRL:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R} telle que :

f(a+h)=f(a)+L(h)+o(h)(h0)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 (fixj(a))i,j\left(\frac{\partial f_i}{\partial x_j}(a)\right)_{i,j}.

3. Gradient

Pour f:RnRf:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}, le gradient est :

f(a)=(fx1(a),,fxn(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:IURng:I\to U\subset\mathbb{R}^n et f:URf:U\to\mathbb{R} avec h=fgh=f\circ g :

h(t)=f(g(t))g(t)h'(t) = \nabla f(g(t))\cdot g'(t)

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

5. Dérivées d'ordre 2 — Matrice Hessienne

Hf(a)=(2fxixj(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, 2fxixj=2fxjxi\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 de la leçon

Exercice 1

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

Corrigé

On dérive par rapport à xx en traitant yy comme constante : f/x=2xy+3y2\partial f/\partial x = 2xy + 3y^2.

Exercice 2

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

Corrigé

f/x=2x+y\partial f/\partial x=2x+y, f/y=x+2y\partial f/\partial y=x+2y. En (1,1)(1,1) : f=(3,3)\nabla f=(3,3).

Exercice 3

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

Corrigé

Vrai. De f(a+h)=f(a)+L(h)+o(h)f(a+h)=f(a)+L(h)+o(\|h\|), quand h0h\to0 : f(a+h)f(a)+0+0=f(a)f(a+h)\to f(a)+0+0=f(a).

Exercice 4

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

Corrigé

f/x=ycos(xy)\partial f/\partial x=y\cos(xy). 2f/yx=/y[ycos(xy)]=cos(xy)+y(xsin(xy))=cos(xy)xysin(xy)\partial^2 f/\partial y\partial x=\partial/\partial y[y\cos(xy)]=\cos(xy)+y(-x\sin(xy))=\cos(xy)-xy\sin(xy).

Exercice 5

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

Corrigé

Faux. La fonction f(x,y)=xy/(x2+y2)f(x,y)=xy/(x^2+y^2) pour (x,y)0(x,y)\neq0 et f(0,0)=0f(0,0)=0 a des dérivées partielles nulles en 00 mais n'est même pas continue en 00.

Exercice 6

Calculer la matrice jacobienne de f(x,y)=(x2+y,xy)f(x,y)=(x^2+y,xy) en (1,2)(1,2).

Corrigé

Jf=(f1/xf1/yf2/xf2/y)=(2x1yx)J_f=\begin{pmatrix}\partial f_1/\partial x & \partial f_1/\partial y\\\partial f_2/\partial x & \partial f_2/\partial y\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}2x&1\\y&x\end{pmatrix}.

En (1,2)(1,2) : Jf(1,2)=(2121)J_f(1,2)=\begin{pmatrix}2&1\\2&1\end{pmatrix}.

Exercice 7

Appliquer la règle de la chaîne : f(x,y)=x2+y2f(x,y)=x^2+y^2, x(t)=costx(t)=\cos t, y(t)=sinty(t)=\sin t. Calculer d(fg)/dtd(f\circ g)/dt.

Corrigé

f(g(t))=(2cost,2sint)\nabla f(g(t))=(2\cos t,2\sin t), g(t)=(sint,cost)g'(t)=(-\sin t,\cos t).
(fg)(t)=fg=2cost(sint)+2sintcost=0(f\circ g)'(t)=\nabla f\cdot g'=2\cos t(-\sin t)+2\sin t\cos t=0.

Ce résultat est logique : f(g(t))=cos2t+sin2t=1f(g(t))=\cos^2t+\sin^2t=1 (constante).

Exercice 8

Vrai ou faux : Si 2f/xy\partial^2 f/\partial x\partial y et 2f/yx\partial^2 f/\partial y\partial x 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 f(x,y)=x33xy2f(x,y)=x^3-3xy^2 (laplacien harmonique).

Corrigé

fx=3x23y2f_x=3x^2-3y^2, fy=6xyf_y=-6xy.
fxx=6xf_{xx}=6x, fxy=6yf_{xy}=-6y, fyy=6xf_{yy}=-6x.

Hf=(6x6y6y6x)H_f=\begin{pmatrix}6x&-6y\\-6y&-6x\end{pmatrix}.

Δf=fxx+fyy=6x6x=0\Delta f=f_{xx}+f_{yy}=6x-6x=0 : ff est harmonique (satisfait Δf=0\Delta f=0).

Exercice 10

Dans quelle direction le gradient de f(x,y)=x2y2f(x,y)=x^2-y^2 pointe-t-il en (1,0)(1,0) ?

Corrigé

f=(2x,2y)\nabla f=(2x,-2y). En (1,0)(1,0) : f=(2,0)\nabla f=(2,0), direction des xx positifs.

Exercice 11

Montrer que f(x,y)=x2+y2f(x,y)=\sqrt{x^2+y^2} n'est pas différentiable en (0,0)(0,0).

Corrigé

Dérivée partielle : fx(0,0)=limh0h0h=limh0hh\frac{\partial f}{\partial x}(0,0)=\lim_{h\to0}\frac{|h|-0}{h}=\lim_{h\to0}\frac{|h|}{h}.

Cette limite n'existe pas (+1+1 si h>0h>0, 1-1 si h<0h<0).

Donc ff n'admet pas de dérivée partielle en (0,0)(0,0), et en particulier n'est pas différentiable en (0,0)(0,0).

Exercice 12

Vrai ou faux : Si f(a)=0\nabla f(a)=0, alors ff admet un extremum en aa.

Corrigé

Faux. f(x,y)=x3+y3f(x,y)=x^3+y^3 vérifie f(0,0)=0\nabla f(0,0)=0 mais (0,0)(0,0) est un point selle (col) — pas un extremum.

Exercice 13

Calculer la dérivée directionnelle de f(x,y)=xyf(x,y)=xy en (1,1)(1,1) dans la direction u=(1/2,1/2)u=(1/\sqrt{2},1/\sqrt{2}).

Corrigé

f=(y,x)\nabla f=(y,x). En (1,1)(1,1) : f=(1,1)\nabla f=(1,1).
Duf(1,1)=fu=(1,1)(1/2,1/2)=2/2=2D_u f(1,1)=\nabla f\cdot u=(1,1)\cdot(1/\sqrt{2},1/\sqrt{2})=2/\sqrt{2}=\sqrt{2}.

C'est la dérivée directionnelle dans la direction uu.

Exercice 14

Vrai ou faux : La dérivée directionnelle maximale est atteinte dans la direction du gradient.

Corrigé

Vrai. Duf(a)=f(a)uf(a)u=f(a)D_u f(a)=\nabla f(a)\cdot u\leq\|\nabla f(a)\|\|u\|=\|\nabla f(a)\| (Cauchy-Schwarz). Égalité ssi u=f(a)/f(a)u=\nabla f(a)/\|\nabla f(a)\|.

Exercice 15

Calculer la hessienne de f(x,y,z)=x2+2y2+3z2+xyf(x,y,z)=x^2+2y^2+3z^2+xy.

Corrigé

fx=2x+yf_x=2x+y, fy=4y+xf_y=4y+x, fz=6zf_z=6z.
Hf=(fxxfxyfxzfyxfyyfyzfzxfzyfzz)=(210140006)H_f=\begin{pmatrix}f_{xx}&f_{xy}&f_{xz}\\f_{yx}&f_{yy}&f_{yz}\\f_{zx}&f_{zy}&f_{zz}\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}2&1&0\\1&4&0\\0&0&6\end{pmatrix}.

Mineurs principaux : 2>02>0, 2×41=7>02\times4-1=7>0, 6×7=42>06\times7=42>0. La hessienne est définie positive.

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