Différentielles

Exercice 213 ⭐️ Différentiabilité de la norme, MP/L2/Classique

Étudier la différentiabilité de f(x)=∥x∥\displaystyle f(x)=\|x\|, x∈Rn\displaystyle x\in\R^n, et donner la différentielle df(x)\displaystyle df(x) quand elle existe. On note ∥⋅∥\displaystyle \|\cdot\| la norme euclidienne canonique sur Rn\displaystyle \R^n associée au produit scalaire canonique ⟨⋅,⋅⟩\displaystyle \langle\cdot,\cdot\rangle.

On a ∥x∥=∑1≤i≤nxi2\displaystyle \|x\|=\sqrt{\sum_{1\le i\le n }x_i^2}. Donc ∂f∂xi(x)=xi∥x∥\displaystyle \frac{\partial f}{\partial x_i}(x)=\frac{x_i}{\|x\|}. On en déduit que toutes les dérivées partielles de f\displaystyle f sont définies et continues sur Rn−{0}\displaystyle \R^n-\{0\}. Donc f\displaystyle f est de classe C1\displaystyle C^1 sur Rn−{0}\displaystyle \R^n-\{0\}.
Soit h=(h1,⋯ ,hn)T\displaystyle h=(h_1,\cdots,h_n)^T. Alors on a pour x≠0\displaystyle x\neq 0 :
df(x)⋅h=∑i=1n∂f∂xi(x)hi=∑i=1nxi∥x∥hi=⟨x,h⟩∥x∥.df(x)\cdot h=\sum_{i=1}^n \frac{\partial f}{\partial x_i}(x)h_i=\sum_{i=1}^n\frac{x_i}{\|x\|}h_i=\frac{\langle x,h\rangle}{\|x\|}. La différentielle df(x)\displaystyle df(x) de f\displaystyle f au point x≠0\displaystyle x\neq 0 est donc l’application linéaire h↦⟨x,h⟩∥x∥\displaystyle h\mapsto \frac{\langle x,h\rangle}{\|x\|}.
Étudions la différentiabilité de f\displaystyle f en 0\displaystyle 0. Soit e\displaystyle e un vecteur de la base canonique. On a f(te)−f(0)t−0=∣t∣t\displaystyle \frac{f(te)-f(0)}{t-0}=\frac{|t|}{t}, et ce taux d’accroissement n’a pas de limite quand t→0\displaystyle t\to 0. Donc f\displaystyle f n’a aucune dérivée partielle en 0\displaystyle 0 et donc f\displaystyle f n’est pas différentiable en 0\displaystyle 0.

Exercice 215 ⭐️⭐️⭐️ Différentielle du déterminant, MP/L2

Calculer la différentielle du déterminant sur Mn(R)\displaystyle M_n(\R).

On note f(A)=det(A)\displaystyle f(A)=det(A) où A∈Mn(R)\displaystyle A\in M_n(\R), et ai,j\displaystyle a_{i,j} sont les coefficients de A\displaystyle A. On note coi,j\displaystyle co_{i,j} les cofacteurs correspondants qui sont les éléments de la comatrice com(A)\displaystyle com(A). En développant le déterminant de A\displaystyle A suivant la i\displaystyle i-ème ligne, on a det(A)=∑1≤j≤nai,jcoi,j\displaystyle det(A)=\sum_{1\le j\le n}a_{i,j}co_{i,j}. Le cofacteur coi,j\displaystyle co_{i,j} ne faisant intervenir aucun élément de cette i\displaystyle i-ème ligne, on en déduit que ∂f(A)∂ai,j=coi,j\displaystyle \frac{\partial f(A)}{\partial a_{i,j}}=co_{i,j}. Ainsi, pour H∈Mn(R)\displaystyle H\in M_n(\R), il vient df(A)⋅H=∑1≤i,j≤ncoi,jhi,j=Tr(com(A)TH).df(A)\cdot H=\sum_{1\le i, j\le n} co_{i,j}h_{i,j}={\rm Tr}({\rm com}(A)^TH).

Exercice 432 ⭐️⭐️ Une EDP, ECS2/MP

  1. Soit f:R2→R\displaystyle f : \R^2 \rightarrow \R une fonction de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1. On suppose que cette fonction vérifie l’équation suivante :
    ∀x,y∈R2, ∂1f(x,y)+∂2f(x,y)=0. \forall x,y \in \R^2, \ \partial_1f(x,y) + \partial_2f(x,y) = 0.
    a) On fixe un certain (x,y)∈R2\displaystyle (x,y) \in \R^2. Montrer que la fonction g(t):=f(x+t,y+t)\displaystyle g(t) := f(x+t,y+t) est de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 sur R\displaystyle \R, puis que le fonction g\displaystyle g est constante sur R\displaystyle \R.
    b) Déduire de la question précédente qu’il existe une fonction ϕ:R→R\displaystyle \phi : \R \rightarrow \R de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 telle que f(x,y)=ϕ(x−y)\displaystyle f(x,y) = \phi(x-y). On pourra considérer la fonction ϕ:R→R,z↦f(z,0)\displaystyle \phi : \R \rightarrow \R, z \mapsto f(z,0).
  2. On suppose maintenant que la fonction f\displaystyle f vérifie l’équation
    ∀x,y∈R2, λ∂1f(x,y)+∂2f(x,y)=0, \forall x,y \in \R^2, \ \lambda \partial_1f(x,y) + \partial_2f(x,y) = 0,
    où λ\displaystyle \lambda est un paramètre réel. En adaptant le résultat de la question précédente, avec la fonction g(t)=f(x+λt,y+t)\displaystyle g(t) = f(x+\lambda t, y+t), montrer qu’il existe une fonction ϕ:R→R\displaystyle \phi : \R \rightarrow \R de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 telle que f(x,y)=ϕ(x−λy)\displaystyle f(x,y) = \phi(x- \lambda y).
  3. Soit f:]0,∞[×]0,∞[→R\displaystyle f : ]0,\infty[ \times ]0,\infty[ \rightarrow \R une fonction de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 vérifiant :
    ∀x,y∈]0,∞[×]0,∞[ , x∂1f(x,y)+y∂2f(x,y)=0. \forall x,y \in ]0,\infty[ \times ]0,\infty[ \ , \ x \partial_1f(x,y) + y \partial_2f(x,y) = 0.
    En considérant la fonction g:]0,∞[→R\displaystyle g : ]0,\infty[ \rightarrow \R définie pour t>0\displaystyle t>0 par g(t)=f(xt,yt)\displaystyle g(t)=f(xt,yt), montrer qu’il existe une fonction ψ:]0,∞[→R\displaystyle \psi : ]0,\infty[ \rightarrow \R telle que f(x,y)=ψ(x/y)\displaystyle f(x,y) = \psi(x/y) pour tous x,y>0\displaystyle x,y>0.

1.a) La fonction t→(x0+t,y0+t)\displaystyle t \rightarrow (x_0+t,y_0+t) est de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 sur R\displaystyle \R, par composition avec la fonction f\displaystyle f on en déduit que g\displaystyle g est aussi de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1. Pour calculer la dérivée de g\displaystyle g, on remarque tout d’abord que la première condition de l’énoncé peut s’écrire :
⟨(∇f)(x,y),(11)⟩=⟨(∂1f(x,y)∂2f(x,y)),(11)⟩=∂1f(x,y)+∂2f(x,y)=0. \langle \left(\nabla f\right)(x,y) , \left(\begin{array}{c} 1 \\ 1 \end{array}\right) \rangle = \left\langle \left(\begin{array}{c} \partial_1 f(x,y) \\ \partial_2f(x,y) \end{array}\right) , \left(\begin{array}{c} 1 \\ 1 \end{array}\right) \right\rangle = \partial_1f(x,y) + \partial_2f(x,y) = 0.
Ici, on peut écrire de façon vectorielle :
g(t)=f(x+t,y+t)=f((xy)+t(11)). g(t) = f(x+t,y+t) = f\left(\left(\begin{array}{c} x \\ y \end{array}\right)+t\left(\begin{array}{c} 1 \\ 1 \end{array}\right)\right).
D’après le cours, on a alors :
g′(t)=⟨(∇f)(x+t,y+t),(11)⟩, g'(t) = \langle \left(\nabla f\right)(x+t,y+t) , \left(\begin{array}{c} 1 \\ 1 \end{array}\right) \rangle,
et on a vu plus haut que cette quantité vaut 0\displaystyle 0.

b) La fonction g\displaystyle g est de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 sur R\displaystyle \R et de dérivée nulle, elle est donc constante. On peut alors écrire que, pour tous ParseError: KaTeX parse error: Undefined control sequence: \RR at position 23: …ystyle x,y \in \̲R̲R̲^2, on a :
f(x,y)=g(0)=g(−y)=f(x−y+y,y−y)=f(x−y,0). f(x,y) = g(0) = g(-y) = f(x-y+y,y-y) = f(x-y,0).
On a appliqué le résultat précédent avec t=−y\displaystyle t=-y. On a donc bien f(x,y)=ϕ(x−y)\displaystyle f(x,y)=\phi(x-y) avec ϕ(z)=f(z,0)\displaystyle \phi(z) = f(z,0). Cette fonction est bien de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1, car les fonctions f\displaystyle f et z↦(z,0)\displaystyle z \mapsto (z,0) le sont.

  1. On pose, comme suggéré, g(t):=f(x+λt,y+t)\displaystyle g(t) := f(x+\lambda t,y+t). Cette fonction est de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 sur R\displaystyle \R et de dérivée
    g′(t)=⟨(∇f)(x+λt,y+t),(λ1)⟩=λ∂1f(x+λt,y+t)+∂2f(x+λt,y+t)=0, g'(t) = \left\langle \left(\nabla f\right)(x+\lambda t,y+t) , \left(\begin{array}{c} \lambda \\ 1 \end{array}\right) \right\rangle \\ = \lambda \partial_1f(x+\lambda t, y+t)+\partial_2f(x+\lambda t, y+t) = 0,
    d’après la condition de l’énoncé. La fonction g\displaystyle g est donc constante sur R\displaystyle \R. On en d’eduit que pour tous x,y∈R2\displaystyle x,y \in \R^2, on a :
    f(x,y)=g(0)=g(−λy)=f(x−λy+λy,y−y)=f(x−λy,0). f(x,y) = g(0) = g(-\lambda y) = f(x-\lambda y + \lambda y, y-y) = f(x-\lambda y,0).
    La fonction ϕ(z)=f(z,0)\displaystyle \phi(z) = f(z,0), qui est toujours de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1, permet donc de répondre à la question.

  2. Comme suggéré, on pose g(t)=f(tx,ty)\displaystyle g(t) = f(tx,ty). Ici g\displaystyle g est définie pour t>0\displaystyle t>0, et on a
    g′(t)=⟨(∇f)(tx,ty),(xy)⟩=0. g'(t) = \left\langle \left(\nabla f\right)(tx,ty) , \left(\begin{array}{c} x \\ y \end{array}\right) \right\rangle = 0.
    On introduit la fonction ψ(z)=f(z,1)\displaystyle \psi(z) = f(z,1). Pour x,y>0\displaystyle x,y>0, on a alors :
    f(x,y)=g(1)=g(1/y)=f(x/y,y/y)=ψ(x/y), f(x,y) = g(1) = g(1/y) = f(x/y,y/y) = \psi(x/y),
    et on a bien répondu à la question.

Exercice 433 ⭐️⭐️⭐️ Caractérisation des densités gaussiennes, MP/L3

Soit f∈C1(R,R+∗)\displaystyle f \in \mathcal{C}^1(\R,\R_+^*) une fonction vérifiant ∀x,y,θ∈R , f(xcos⁡(θ)−ysin⁡(θ))f(xsin⁡(θ)+ycos⁡(θ))=f(x)f(y).\forall x,y,\theta \in \R \ , \ f(x \cos(\theta)-y \sin(\theta)) f(x \sin(\theta)+y \cos(\theta)) = f(x) f(y).

  1. Montrer que ∀x,y∈R , f(x)f(y)=f(x2+y2)f(0).\forall x,y \in \R \ , \ f(x)f(y) = f\left(\sqrt{x^2+y^2}\right) f(0).
  2. Dans le domaine D=R2−{(0,0)}\displaystyle \mathcal{D} = \R^2 - \{(0,0)\}, calculer les deux quantités (x∂∂y−y∂∂x)(f(x)f(y)) , (x∂∂y−y∂∂x)f(x2+y2).\left( x \frac{\partial}{\partial y}-y \frac{\partial}{\partial x}\right)(f(x)f(y)) \ , \ \left( x \frac{\partial}{\partial y}-y \frac{\partial}{\partial x}\right)f\left(\sqrt{x^2+y^2}\right).
  3. En déduire qu’il existe α∈R\displaystyle \alpha \in \R tel que f′(x)=αxf(x)\displaystyle f'(x)= \alpha x f(x).
  4. Trouver toutes les fonctions f∈C1(R,R+∗)\displaystyle f \in \mathcal{C}^1(\R,\R_+^*) vérifiant la propriété de l’énoncé et telles que ∫Rf(t)dt=1\displaystyle \int_\R f(t) dt = 1.
  1. Si (x,y)=(0,0)\displaystyle (x,y)=(0,0) on a bien f(x)f(y)=f(0)f(0)\displaystyle f(x)f(y)=f(0)f(0), il n’y a rien à faire. On suppose maintenant que (x,y)≠(0,0)\displaystyle (x,y)\neq (0,0). Il existe un certain θ∈R\displaystyle \theta \in \R tel que cos⁡(θ)=yx2+y2\displaystyle \cos(\theta) = \frac{y}{\sqrt{x^2+y^2}} et sin⁡(θ)=xx2+y2\displaystyle \sin(\theta) = \frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}} (il suffit de constater que yx2+y2∈[−1,1]\displaystyle \frac{y}{\sqrt{x^2+y^2}} \in [-1,1] et de prendre l’arc cosinus). Pour un tel choix de θ\displaystyle \theta, on a bien xcos⁡(θ)−ysin⁡(θ)=xyx2+y2−xyx2+y2=0x \cos(\theta) - y \sin(\theta) = \frac{xy}{\sqrt{x^2+y^2}}-\frac{xy}{\sqrt{x^2+y^2}} = 0 et xsin⁡(θ)+ycos⁡(θ)=x2x2+y2+y2x2+y2=x2+y2,x \sin(\theta) + y \cos(\theta) = \frac{x^2}{\sqrt{x^2+y^2}}+\frac{y^2}{\sqrt{x^2+y^2}} = \sqrt{x^2+y^2}, et la propriété de l’énoncé permet de conclure.
  2. La fonction f\displaystyle f est de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 sur R\displaystyle \R, donc la fonction (x,y)↦f(x)f(y)\displaystyle (x,y)\mapsto f(x) f(y) est de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 sur R2\displaystyle \R^2 et on a (x∂∂y−y∂∂x)(f(x)f(y))=xf(x)f′(y)−yf′(x)f(y).\left( x \frac{\partial}{\partial y}-y \frac{\partial}{\partial x}\right)(f(x)f(y)) = x f(x) f'(y)-yf'(x)f(y). La fonction (x,y)↦x2+y2\displaystyle (x,y) \mapsto x^2+y^2 est de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 sur D\displaystyle \mathcal{D}, à image dans ]0,+∞[\displaystyle ]0,+\infty[. Or la fonction t↦t\displaystyle t \mapsto \sqrt{t} est de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 sur ]0,+∞[\displaystyle ]0,+\infty[. Par composition, on en déduit que (x,y)↦f(x2+y2)\displaystyle (x,y) \mapsto f\left(\sqrt{x^2+y^2}\right) est de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 sur D\displaystyle \mathcal{D}. Et on a : (x∂∂y−y∂∂x)f(x2+y2)=x2y2x2+y2−y2x2x2+y2=0.\left( x \frac{\partial}{\partial y}-y \frac{\partial}{\partial x}\right)f\left(\sqrt{x^2+y^2}\right) = x \frac{2y}{2 \sqrt{x^2+y^2}}- y \frac{2x}{2\sqrt{x^2+y^2}} = 0.
  3. On déduit des deux questions précédentes que ∀(x,y)∈D , xf(x)f′(y)−yf′(x)f(y)=f(0).0=0.\forall (x,y) \in \mathcal{D} \ , \ x f(x) f'(y)-yf'(x)f(y) = f(0) . 0 = 0. Comme on a supposé que f(x)>0\displaystyle f(x)>0, on peut écrire l’équation précédente sous la forme ∀x≠0 , ∀y≠0 , f′(x)xf(x)=f′(y)yf(y).\forall x \neq 0 \ , \ \forall y \neq 0 \ , \ \frac{f'(x)}{xf(x)} = \frac{f'(y)}{yf(y)}. Autrement dit la fonction x↦f′(x)xf(x)\displaystyle x \mapsto \frac{f'(x)}{xf(x)} est constante sur R∗\displaystyle \R^*. En notant α\displaystyle \alpha cette constante, on obtient bien le résultat demandé, pour x≠0\displaystyle x \neq 0. Le résultat est vrai pour x=0\displaystyle x=0 car on a nécessairement f′(0)=0\displaystyle f'(0)=0. En effet, on a 1f(1)f′(0)−0f′(1)f(0)=0\displaystyle 1f(1)f'(0) - 0f'(1)f(0)=0, et comme f(1)≠0\displaystyle f(1) \neq 0 on trouve f′(0)=0\displaystyle f'(0)=0.
  4. Comme f\displaystyle f est à valeurs dans R+∗\displaystyle \R_+^*, on peut considérer la fonction g=ln⁡∘f\displaystyle g = \ln \circ f, qui est de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 sur R\displaystyle \R. On a : g′(x)=f′(x)f(x)=αx.g'(x) = \frac{f'(x)}{f(x)} = \alpha x. Il existe donc une constante c∈R\displaystyle c \in \R telle que g(x)=αx22+c\displaystyle g(x) = \alpha \frac{x^2}{2} + c pour tout x∈R\displaystyle x \in \R. Autrement dit la fonction f\displaystyle f est s’écrit sous la forme f(x)=Cexp⁡(−αx22),f(x) = C \exp\left(-\frac{\alpha x^2}{2}\right), avec C=exp⁡(c)≥0\displaystyle C = \exp(c) \ge 0. Si α≤0\displaystyle \alpha \le 0 alors f\displaystyle f n’est pas intégrable sur R\displaystyle \R, donc ne peut pas satisfaire la propriété supplémentaire. Si α>0\displaystyle \alpha > 0, la fonction f\displaystyle f est bien intégrable sur R\displaystyle \R et on a ∫Rf(x)dx=C∫−∞∞exp⁡(−αx22)dx=C2πα.\int_\R f(x) dx = C \int_{-\infty}^\infty \exp\left(-\frac{\alpha x^2}{2}\right) dx = C \sqrt{\frac{2 \pi}{\alpha} }. (la valeur de la dernière intégrale est un résultat classique, et pas trivial, lorsque α=1\displaystyle \alpha=1 et on se ramène à ce cas par le changement de variables z=αx\displaystyle z=\sqrt{\alpha}x. Ainsi, les fonctions f\displaystyle f qui satisfont toutes les hypothèses de l’énoncé sont exactement les fonctions s’écrivant sous la forme f(x)=α2πexp⁡(−αx22),f(x) = \sqrt{\frac{\alpha}{2\pi}} \exp\left(-\frac{\alpha x^2}{2}\right), où α\displaystyle \alpha est un paramètre dans R+∗\displaystyle \R_+^*. Ce sont exactement les densités des lois N(0,1α)\displaystyle \mathcal{N}\left(0,\frac{1}{\alpha} \right).

Note : adapté du tout début d’un sujet d’écrit ENS 2013 (ça se complique après !).

Exercice 581 ⭐️⭐️⭐️ Fonctions différentiables, Sup/L2/Spé

Soit f\displaystyle f une fonction de [0,1[\displaystyle [0,1[ dans R\displaystyle \mathbb{R} et h\displaystyle h la fonction du disque unité ouvert D\displaystyle \mathbb{D} vers R\displaystyle \mathbb{R} donnée par h(x,y):=f(r)\displaystyle h(x,y) := f(r), avec r=x2+y2\displaystyle r = \sqrt{x^2 + y^2}.

  1. A quelle condition sur la fonction f\displaystyle f a-t-on la propriété suivante: pour tous (x,y)∈D\displaystyle (x,y) \in \mathbb{D} et (u,v)∈R2\displaystyle (u,v) \in \mathbb{R}^2, [h(x+εu,y+εv)−h(x,y)]/ε\displaystyle [h(x + \varepsilon u , y + \varepsilon v) - h(x,y)]/ \varepsilon tend vers une limite quand ε>0\displaystyle \varepsilon > 0 tend vers zéro?
  2. A quelle condition sur f\displaystyle f la fonction h\displaystyle h est-elle une fonction différentiable en tout point de D\displaystyle \mathbb{D}?
  3. A quelle condition sur f\displaystyle f la fonctoin h\displaystyle h est-elle une fonction de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 sur D\displaystyle \mathbb{D}?
  1. En prenant (u,v)=(1,0)\displaystyle (u,v) = (1,0), il est clair que r↦f(r)=h(r,0)\displaystyle r \mapsto f(r) = h(r,0) doit être dérivable. Réciproquement, si f\displaystyle f est dérivable, h\displaystyle h est différentiable en tout point différent de (0,0)\displaystyle (0,0), car c’est la composée des fonctions différentiables (x,y)↦x2+y2\displaystyle (x,y) \mapsto \sqrt{x^2 + y^2} et f\displaystyle f. De plus, pour (x,y)=(0,0)\displaystyle (x,y) = (0,0), on a h(εu,εv)−h(0,0)ε=f(εu2+v2)ε,\frac{h(\varepsilon u, \varepsilon v) - h(0,0)}{ \varepsilon} =\frac{ f(\varepsilon \sqrt{u^2 + v^2} )}{ \varepsilon}, quantité qui tend vers u2+v2f′(0)\displaystyle \sqrt{u^2 + v^2} f'(0) quand ε\displaystyle \varepsilon tend vers zéro.
  2. D’après ce qui précède, pour que h\displaystyle h soit différentiable, il est nécessaire et suffisant que f\displaystyle f soit dérivable et que h\displaystyle h soit différentiable en (0,0)\displaystyle (0,0). D’après le calcul précédent, la différentielle en (0,0)\displaystyle (0,0) est nécessairement (u,v)↦u2+v2f′(0)\displaystyle (u,v) \mapsto \sqrt{u^2 + v^2} f'(0). Comme elle doit par définition être linéaire, il faut que f′(0)=0\displaystyle f'(0) = 0. On vérifie alors que h\displaystyle h est différentiable si et seulement si f\displaystyle f est dérivable et f′(0)=0\displaystyle f'(0) = 0.
  3. Si f\displaystyle f satisfait les conditions de 2., le calcul de la différentielle donne que Dh(x,y)(u,v)=f′(r)[(ux+vy)/r]\displaystyle Dh_{(x,y)} (u,v) = f'(r) [(ux + vy)/r] pour r:=x2+y2>0\displaystyle r:= \sqrt{x^2 + y^2} > 0 et Dh(0,0)(u,v)=0\displaystyle Dh_{(0,0)} (u,v) = 0. On a alors h∈C1\displaystyle h \in \mathcal{C}^1 si et seulement si f∈C1\displaystyle f \in \mathcal{C}^1 et f′(0)=0\displaystyle f'(0) = 0.