Fonctions de plusieurs variables

Exercice 212 ⭐️⭐️⭐️ Convexité et différentiabilité, Spé/L2/Classique

Soit U\displaystyle U un ouvert convexe de Rn\displaystyle \R^n et f:UR\displaystyle f:U\to\R. On suppose que f\displaystyle f est différentiable sur U\displaystyle U. Montrer que f\displaystyle f est convexe si et seulement si pour tout x,yU\displaystyle x,y \in U, f(x)f(y)+dyf(xy). f(x)\ge f(y)+d_y f(x-y).

  • Convexité 👉 f(tx+(1t)y)tf(x)+(1t)f(y)\displaystyle f(tx+(1-t)y)\le tf(x)+(1-t)f(y) ;
  • Faire apparaître les quantités souhaitées.

Si f\displaystyle f est convexe alors f(tx+(1t)y)tf(x)+(1t)f(y)\displaystyle f(tx+(1-t)y)\le tf(x)+(1-t)f(y) pour tout x,yU\displaystyle x,y\in U et t[0,1]\displaystyle t\in[0,1]. Ce qu’on peut réécrire f(y+t(xy))f(y)t(f(x)f(y))\displaystyle f(y+t(x-y))-f(y) \le t(f(x)-f(y)). En divisant par t>0\displaystyle t>0 et en faisant tendre t0\displaystyle t\to0, on obtient
dyf(xy)f(x)f(y)\displaystyle d_y f(x-y)\le f(x)-f(y), ce qu’on voulait.

Réciproquement, on part de la dernière inégalité et on veut faire apparaître f(tx+(1t)y)\displaystyle f(tx+(1-t)y). On peut donc avoir l’idée de prendre comme nouveau x\displaystyle x le point z=tx+(1t)y\displaystyle z=tx+(1-t)y. Ecrivons dyf(zy)f(z)f(y)\displaystyle d_y f(z-y)\le f(z)-f(y).
D’où dyf(t(xy))f(z)f(y)\displaystyle d_y f(t(x-y))\le f(z)-f(y), mais le f(z)\displaystyle f(z) n’est pas du bon coté de l’inégalité souhaitée. Essayons donc de prendre un autre point de base pour la différentielle : on remplace alors y\displaystyle y par z\displaystyle z et on a bien cette fois f(z)...\displaystyle f(z)\le ... i.e. dans le sens qu’on veut ! On peut prendre naturellement comme couples (x,z)\displaystyle (x,z) et (y,z)\displaystyle (y,z), ce qui donne :
f(z)+dzf(xz)f(x)f(z)+d_z f(x-z) \le f(x) f(z)+dzf(yz)f(y).f(z)+d_z f(y-z) \le f(y). On a xz=xyt(xy)=(1t)(xy)\displaystyle x-z=x-y-t(x-y)=(1-t)(x-y) et yz=t(xy)\displaystyle y-z=-t(x-y).
On multiplie donc par t\displaystyle t la 1ere inégalité et par (1t)\displaystyle (1-t) la 2nd, on somme et on a, comme la différentielle est linéaire (on peut sortir le t\displaystyle t et 1t\displaystyle 1-t), f(z)tf(x)+(1t)f(y)\displaystyle f(z)\le tf(x)+(1-t)f(y).

Exercice 214 ⭐️⭐️ Fonction homogène, Spé/L2

Soit T:(R3)pR\displaystyle T: (\R^3)^p \rightarrow \R une fonction C1\displaystyle \mathcal{C}^1 n\displaystyle n-homogène, i.e. λR, T(λr1,,λrp)=λnT(r1,,rp)\displaystyle \forall \lambda\in \R,\ T(\lambda \overrightarrow{r_1},\cdots,\lambda \overrightarrow{r_p})=\lambda^n T(\overrightarrow{r_1},\cdots,\overrightarrow{r_p}).
Montrer que : i=1pririT=nT.\displaystyle \sum_{i=1}^p \overrightarrow{r_i}\cdot\nabla_{\overrightarrow{r_i}}T=nT.

Il suffit de dériver par rapport à λ\displaystyle \lambda, ce qui donne par composition pour le membre de gauche la somme souhaitée mais avec λriT\displaystyle \nabla_{\overrightarrow{\lambda r_i}}T. A droite on obtient nλn1T(r1,,rp)\displaystyle n\lambda^{n-1} T(\overrightarrow{r_1},\cdots,\overrightarrow{r_p}). Et il suffit de prendre λ=1\displaystyle \lambda=1 dans l’égalité pour obtenir le résultat voulu.

Exercice 216 ⭐️⭐️ Polygone de lumière, Spé/L2

Soit C\displaystyle \mathcal{C} un convexe compact d’intérieur non vide de R2\displaystyle \R^2, tel que sa frontière Γ\displaystyle \Gamma soit paramétrée par une fonction γ\displaystyle \gamma C1\displaystyle \mathcal{C}^1 et périodique. Soit M1Mn\displaystyle M_1 \cdots M_n n\displaystyle n points de Γ\displaystyle \Gamma. Montrer qu’il existe un polygone de “lumière” (i.e. M1M2MnM1\displaystyle M_1 M_2 \cdots M_n M_1 est la trajectoire d’un rayon lumineux se réfléchissant sur Γ\displaystyle \Gamma).

A venir !

Exercice 218 ⭐️⭐️ Spé/L2

  1. Soit f:R2R\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,yR2 , 1f(x,y)+2f(x,y)=0.\displaystyle \forall x,y \in \R^2 \ , \ \partial_1f(x,y) + \partial_2f(x,y) = 0.
    a) On fixe un certain (x0,y0)R2\displaystyle (x_0,y_0) \in \R^2. Montrer que tg(t):=f(x0+t,y0+t)\displaystyle t\mapsto g(t) := f(x_0+t,y_0+t) est de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 sur R\displaystyle \R et calculer sa dérivée.
    b) Déduire de la question précédente qu’il existe ϕ:RR\displaystyle \phi : \R \rightarrow \R de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 telle que f(x,y)=ϕ(xy)\displaystyle f(x,y) = \phi(x-y).
  2. On suppose maintenant que f\displaystyle f vérifie l’équation x,yR2\displaystyle \forall x,y \in \R^2, λ1f(x,y)+2f(x,y)=0,\lambda \partial_1f(x,y) + \partial_2f(x,y) = 0,λ\displaystyle \lambda est un paramètre réel. En adaptant le résultat de la question précédente, montrer qu’il existe une fonction ϕ:RR\displaystyle \phi : \R \rightarrow \R de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 telle que f(x,y)=ϕ(xλy)\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,yR2\displaystyle \forall x,y \in \R^2, x1f(x,y)+y2f(x,y)=0.\displaystyle x \partial_1f(x,y) + y \partial_2f(x,y) = 0.
    Montrer qu’il existe une fonction ϕ:]0,[R\displaystyle \phi : ]0,\infty[ \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 soit adapter le raisonnement précédent, soit étudier la fonction F(x,y):=f(exp(x),exp(y))\displaystyle F(x,y) := f(\exp(x),\exp(y)).
  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 écrit : g(t)=t(x0+t)1f(x0+t,y0+t)+t(y0+t)2f(x0+t,y0+t)=1f(x0+t,y0+t)+2f(x0+t,y0+t)=0\displaystyle g'(t) = \frac{\partial}{\partial t}(x_0+t) \partial_1f(x_0+t,y_0+t) + \frac{\partial}{\partial t}(y_0+t) \partial_2f(x_0+t,y_0+t) = \partial_1f(x_0+t,y_0+t)+\partial_2f(x_0+t,y_0+t) = 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 x,yR2\displaystyle x,y \in \R^2, on a :
    f(x,y)=f(xy,yy)=f(xy,0)\displaystyle f(x,y) = f(x-y,y-y) = f(x-y,0).
    On applique le résultat précédent avec x0=x\displaystyle x_0 = x, y0=y\displaystyle y_0=y et t=y\displaystyle t=-y. On a donc bien f(x,y)=ϕ(xy)\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.
  2. Il s’agit de trouver une fonction g\displaystyle g adaptée au problème. On pose g(t):=f(x0+λt,y0+t)\displaystyle g(t) := f(x_0+\lambda t,y_0+t). Cette fonction est de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 sur R\displaystyle \R et de dérivée
    g(t)=λ1f(x0+t,y0+t)+2f(x0+t,y0+t)=0\displaystyle g'(t) = \lambda \partial_1f(x_0+t,y_0+t)+\partial_2f(x_0+t,y_0+t) = 0,
    elle est donc constante sur R\displaystyle \R. On en déduit que pour tous x,yR2\displaystyle x,y \in \R^2, on a :
    f(x,y)=f(xλy+λy,yy)=f(xλy,0)\displaystyle f(x,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 conclure.
  3. On imagine qu’un bonne fonction est th(t):=f(tx0,ty0)\displaystyle t \mapsto h(t) := f(tx_0,ty_0), où x0,y0]0,[×]0,[\displaystyle x_0,y_0 \in ]0,\infty[ \times ]0,\infty[ et t>0\displaystyle t>0. On vérifie que l’on a bien : h(t)=x01f(tx0,ty0)+y02f(tx0,ty0)=0\displaystyle h'(t) = x_0 \partial_1f(t x_0,t y_0)+ y_0\partial_2f(t x_0,t y_0) = 0.
    Comme h\displaystyle h est de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 sur ]0,[\displaystyle ]0,\infty[, elle est constante. On applique ce résultat à x0=x\displaystyle x_0 = x, y0=y\displaystyle y_0=y et t=1y\displaystyle t = \frac{1}{y} pour écrire : f(x,y)=f(xy,yy)=f(xy,1)\displaystyle f(x,y) = f\left(\frac{x}{y},\frac{y}{y}\right)=f\left(\frac{x}{y},1\right). On retrouve le résultat avec ϕ(z)=f(z,1)\displaystyle \phi(z)=f(z,1).

Exercice 432 ⭐️⭐️ Une EDP, ECS2/MP

  1. Soit f:R2R\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,yR2, 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:RR\displaystyle \phi : \R \rightarrow \R de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 telle que f(x,y)=ϕ(xy)\displaystyle f(x,y) = \phi(x-y). On pourra considérer la fonction ϕ:RR,zf(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,yR2, λ1f(x,y)+2f(x,y)=0, \forall x,y \in \R^2, \ \lambda \partial_1f(x,y) + \partial_2f(x,y) = 0,
    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:RR\displaystyle \phi : \R \rightarrow \R de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 telle que f(x,y)=ϕ(xλy)\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,[ , x1f(x,y)+y2f(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(xy+y,yy)=f(xy,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(xy)\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)=λ1f(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,yR2\displaystyle x,y \in \R^2, on a :
    f(x,y)=g(0)=g(λy)=f(xλy+λy,yy)=f(xλy,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 fC1(R,R+)\displaystyle f \in \mathcal{C}^1(\R,\R_+^*) une fonction vérifiant x,y,θR , 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,yR , 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 (xyyx)(f(x)f(y)) , (xyyx)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 αR\displaystyle \alpha \in \R tel que f(x)=αxf(x)\displaystyle f'(x)= \alpha x f(x).
  4. Trouver toutes les fonctions fC1(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 θR\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+y2xyx2+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 (xyyx)(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 tt\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 : (xyyx)f(x2+y2)=x2y2x2+y2y2x2x2+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 x0 , y0 , 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 xf(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 x0\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=lnf\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 cR\displaystyle c \in \R telle que g(x)=αx22+c\displaystyle g(x) = \alpha \frac{x^2}{2} + c pour tout xR\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 α0\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=Cexp(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),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 434 ⭐️⭐️ Fonction convexe, MP

Soit F:RnR\displaystyle F : \R^n \rightarrow \R une fonction de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1. Montrer que les deux définitions suivantes de convexité sont équivalentes :
(1) x,yRn , t[0,1] , F((1t)x+ty)(1t)F(x)+tF(y).(1) \ \forall x,y \in \R^n \ , \ \forall t \in [0,1] \ , \ F((1-t)x+ty) \le (1-t) F(x)+t F(y).
(2) u,vRn , F(v)F(u)+F(u),vu.(2) \ \forall u,v \in \R^n \ , \ F(v) \ge F(u) + \langle \nabla F(u) , v-u \rangle.

Si on ne comprend rien, on peut toujours tenter un dessin dans le cas où n=1\displaystyle n=1

On suppose que la fonction F\displaystyle F vérifie la propriété (1). On fixe u,vRn\displaystyle u,v \in \R^n. La fonction g:[0,1]R\displaystyle g : [0,1] \rightarrow \R définie par g(t)=F((1t)u+tv)\displaystyle g(t) = F((1-t)u+tv) est de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 et on a g(t)=F((1t)u+tv),(vu).g'(t) = \left\langle \nabla F((1-t)u+tv) , (v-u)\right \rangle. La formule de Taylor-Young à l’ordre 1\displaystyle 1 en 0\displaystyle 0 s’écrit alors g(t)=g(0)+tg(0)+o(t)\displaystyle g(t)=g(0)+tg'(0)+o(t), ou encore F((1t)u+tv))=F(u)+tF(u),(vu)+ot0(t).F((1-t)u+tv)) = F(u)+t \left\langle \nabla F(u) , (v-u)\right \rangle + o_{t \to 0}(t). Comme F\displaystyle F vérifie la propriété (1), on peut écrire F(u)+tF(u),(vu)+ot0(t)(1t)F(u)+tF(v). F(u)+t \left\langle \nabla F(u) , (v-u)\right \rangle + o_{t \to 0}(t) \le (1-t) F(u) + t F(v). En retranchant F(u)\displaystyle F(u) de chaque côté et en divisant par t\displaystyle t, on obtient F(v)F(u)F(u),(vu)+ot0(1).F(v)-F(u) \ge \left\langle \nabla F(u) , (v-u)\right \rangle + o_{t \to 0}(1). En faisant tendre t\displaystyle t vers 0\displaystyle 0, on a montré que F\displaystyle F vérifie la propriété (2).

Réciproquement, on suppose que F\displaystyle F vérifie la propriété (2). On se fixe x,yRn\displaystyle x,y \in \R^n et t[0,1]\displaystyle t\in [0,1]. On pose z=(1t)x+ty\displaystyle z = (1-t) x + t y. On applique la propriété (2) avec u=z\displaystyle u=z et v=x\displaystyle v=x, et donc vu=t(yx)\displaystyle v-u = -t(y-x) : F(x)F(z)tF(z),(yx).F(x) \ge F(z) - t \left\langle \nabla F(z) , (y-x)\right \rangle. On applique à nouveau la propriété (2) avec u=z\displaystyle u=z et v=y\displaystyle v=y, et donc ici vu=(1t)(yx)\displaystyle v-u = (1-t)(y-x) : F(y)F(z)+(1t)F(z),(yx).F(y) \ge F(z) +(1-t) \left\langle \nabla F(z) , (y-x)\right \rangle. On combine ces deux inégalités : (1t)F(x)+tF(y)(1t+t)F(z)+(t(1t)+t(1t))F(z),(yx).(1-t)F(x)+tF(y) \ge (1-t+t) F(z) + (-t(1-t)+t(1-t))\left\langle \nabla F(z) , (y-x)\right \rangle. Comme t+1t=1\displaystyle t+1-t=1 et $ (-t(1-t)+t(1-t))=0$, on obtient bien F(z)(1t)F(x)+tF(y)\displaystyle F(z) \le (1-t) F(x)+t F(y) comme voulu.

Exercice 435 ⭐️⭐️⭐️ Triangle inscrit dans une ellipse, Spé

Dans R2\displaystyle \R^2 euclidien, on se donne les trois points A=(1,0)\displaystyle A=(1,0), B=(cos(β),sin(β))\displaystyle B=(\cos(\beta),\sin(\beta)) et C=(cos(γ),sin(γ))\displaystyle C=(\cos(\gamma),\sin(\gamma)), avec 0<βγ2π\displaystyle 0 < \beta \le \gamma \le 2\pi.

  1. Exprimer l’aire du triangle ABC\displaystyle ABC en fonction de β\displaystyle \beta et γ\displaystyle \gamma.
  2. Quelle est l’aire maximale du triangle ?
  3. Trouver l’aire maximale d’un triangle inscrit dans l’ellipse d’équation x2a2+y2b2=1.\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2} = 1.

👉 tout va mieux avec un dessin !

Exercice 436 ⭐️⭐️⭐️ Fonctions harmoniques, MP

Soit fC2(R2,R)\displaystyle f \in \mathcal{C}^2(\R^2,\R) une fonction vérifiant : Δf:=2fx2+2fy2=0.\Delta f := \frac{\partial^2 f}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 f}{\partial y^2} = 0. Montrer que la fonction K:R+R\displaystyle K : \R_+ \rightarrow \R définie par K(r)=02πf(rcos(t),rsin(t))dtK(r) = \int_0^{2\pi} f(r \cos(t), r\sin(t)) dt est constante.

Exercice 439 ⭐️⭐️ Fonction à deux variables, Spé/L2

Soit u:R2R\displaystyle u : \R^2 \rightarrow \R l’application définie par : u:(x,y)x4+y4x2xyy2.u : (x,y) \mapsto x^4+y^4-x^2-xy-y^2.

  1. Montrer que u\displaystyle u admet un minimum global sur R2\displaystyle \R^2 et le déterminer.
  2. Montrer que u\displaystyle u admet un maximum global sur [1,1]×[1,1]\displaystyle [-1,1] \times [-1,1] et le déterminer.
  3. Etudier la nature des points critiques de u\displaystyle u sur R2\displaystyle \R^2.

Exercice 440 ⭐️⭐️⭐️ Optimisation sur un simplexe, MP/L2

Soit n1\displaystyle n \ge 1 un entier. On considère l’ensemble : S={(p0,,pn)]0,1[n+1:i=0npi=1}.\mathcal{S} = \left\{(p_0,\ldots,p_n) \in ]0,1 [^{n+1 } : \sum_{i=0}^n p_i = 1 \right\}.

  1. Soit f:[0,1]n+1R\displaystyle f : [0,1] ^{n+1 } \rightarrow \R une fonction de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 et g:SR\displaystyle g : \mathcal{S} \rightarrow \R la restriction de f\displaystyle f à S\displaystyle \mathcal{S}. On suppose que g\displaystyle g atteint son mimimum en un point pS\displaystyle p^* \in \mathcal{S}^\circ. Montrer qu’il existe λR\displaystyle \lambda \in \R tel que 0in , (pif)(p)=λ.\forall 0 \le i \le n \ , \ \left(\frac{\partial}{\partial p_i} f\right)(p^*) = \lambda.
  2. Pour un paramètre réel m]0,n[\displaystyle m \in ]0,n[, on considère l’ensemble :
    Sm={(p0,,pn)]0,1[n+1:i=0npi=1 , i=0nipi=m}.\mathcal{S}_ m = \{(p_0,\ldots,p_n) \in ]0,1[^{n+1 } : \sum_{i=0}^n p_i = 1 \ , \ \sum_{i=0}^n i p_i = m\}.
    Avec les notations de la question 1, on note gm\displaystyle g_m la restriction de f\displaystyle f à Sm\displaystyle \mathcal{S}_m. Montrer que si g\displaystyle g atteint son mimimum en un point pS\displaystyle p^* \in \mathcal{S}^\circ, alors il existe λ,μR\displaystyle \lambda,\mu \in \R tel que 0in , (pif)(p)=λ+iμ.\forall 0 \le i \le n \ , \ \left(\frac{\partial}{\partial p_i} f\right)(p^*) = \lambda + i \mu.
  3. Application : on pose f(p0,,pn)=i=0npiln(pi)\displaystyle f(p_0,\ldots,p_n) = -\sum_{i=0}^n p_i \ln(p_i). Trouver les (n+1)\displaystyle (n+1)-uplets qui minimisent f\displaystyle f sur S\displaystyle \mathcal{S}, puis sur Sm\displaystyle \mathcal{S}_m.

Exercice 441 ⭐️⭐️ Régression linéaire, Spé/L2

Soient (x1,y1),(x2,y2),,(xn,yn)\displaystyle (x_1,y_1), (x_2,y_2) , \ldots, (x_n,y_n) les coordonnées cartésiennes de n\displaystyle n points du plan R2\displaystyle \R^2. On souhaite trouver la droite affine d’équation y=ax+b\displaystyle y=ax+b qui “se rapproche le plus” de ce n\displaystyle n-uplet de points. Pour cela, on considère la fonction R:R2R\displaystyle R : \R^2 \rightarrow \R définie par R(a,b)=i=1n(yi(axi+b))2.R(a,b) = \sum_{i=1}^n (y_i-(ax_i+b))^2.

  1. Quel est le minimum de R\displaystyle R si tous les points sont alignés ?
  2. Montrer que R\displaystyle R est convexe sur R2\displaystyle \R^2.
  3. En déduire le minimum de R\displaystyle R.

Exercice 444 ⭐️⭐️ Recherche d’extremum sur [0,1]2\displaystyle [0,1]^2, Spé/L2

On souhaite calculer M=max(x,y)Kf(x)\displaystyle M=\max_{(x,y)\in K} f(x), où K=[0;1]2\displaystyle K = [0;1]^2 et f\displaystyle f est la fonction définie sur K\displaystyle K par :
f(x,y)=x+y(1+x2)(1+y2).f(x,y) = \frac{{x + y}}{{(1 + x^2 )(1 + y^2 )}}.
Justifier que M\displaystyle M est bien défini, puis calculer M\displaystyle M.
On pourra commencer par calculer le maximum atteint par f\displaystyle f sur la frontière de K\displaystyle K.

Extremum local d’une fonction de plusieurs variables 👉 Condition nécessaire : point critique.
Attentions, ce n’est valable que sur un point intérieur au domaine !

\displaystyle \bigstar f\displaystyle f est continue sur K\displaystyle K, qui est fermé et borné, donc par théorème f\displaystyle f est majorée et atteint son maximum sur K\displaystyle K. Donc M\displaystyle M est bien défini.
\displaystyle \bigstar Calculons M1=max(x,y)Fr(K)f(x,y)\displaystyle M_1=\max_{(x,y)\in\mathrm{Fr}(K)}f(x,y).
Puisque f(x,y)=f(y,x)\displaystyle f(x,y)=f(y,x) et que f(x,0)=x1+x2f(x,1)=x+12(1+x2)\displaystyle f(x,0)=\frac{x}{1+x^2}\leq f(x,1)=\frac{x+1}{2(1+x^2)}, on a donc M1=maxx[0;1]f(x,1)\displaystyle M_1=\max_{x\in[0;1]}f(x,1).
Notons v(x)=f(x,1)\displaystyle v(x)=f(x,1). Pour x[0;1]\displaystyle x\in[0;1], v(x)=12(1+x2)2(x22x+1)\displaystyle v'(x)=\frac{1}{2(1+x^2)^2}\left(-x^2-2x+1\right).
Les racines de X22X+1\displaystyle -X^2-2X+1 sont 1±2\displaystyle -1\pm\sqrt 2, donc v\displaystyle v est croissante sur [0,21]\displaystyle [0,\sqrt 2-1], décroissante sur [21,1]\displaystyle [\sqrt 2-1,1].
Conclusion M1=v(21)=22(1+(21)2)=14(21)\displaystyle M_1=v(\sqrt 2-1)=\frac{\sqrt 2}{2\left(1+\left(\sqrt 2-1\right)^2\right)}=\frac{1}{4(\sqrt{2}-1)}.
\displaystyle \bigstar Soit (x,y)A˚\displaystyle (x,y)\in\mathring A (c’est-à-dire tel que x]0;1[\displaystyle x\in]0;1[ et y]0;1[\displaystyle y\in]0;1[). (x,y)\displaystyle (x,y) est un point critique de f\displaystyle f ssi :
{12xyx2(1+x2)2(1+y2)=012xyy2(1+x2)(1+y2)2=0{12xyx2=012xyy2=0{x=y13x2=0(x,y)=(13,13).\begin{cases}\frac{1-2xy-x^2}{(1+x^2)^2(1+y^2)}=0\\ \frac{1-2xy-y^2}{(1+x^2)(1+y^2)^2}=0\end{cases} \Leftrightarrow \begin{cases}1-2xy-x^2=0\\1-2xy-y^2=0\end{cases} \Leftrightarrow \begin{cases}x=y\\1-3x^2=0\end{cases} \Leftrightarrow (x,y)=\left(\frac{1}{\sqrt 3},\frac{1}{\sqrt 3}\right).

Conclusion Le seul point critique dans A˚\displaystyle \mathring A est (13,13)\displaystyle \left(\frac{1}{\sqrt 3},\frac{1}{\sqrt 3}\right).
Notons M2=f(13,13)=338\displaystyle M_2=f\left(\frac{1}{\sqrt 3},\frac{1}{\sqrt 3}\right)=\frac{3\sqrt 3}{8}.
\displaystyle \bigstar Si f\displaystyle f atteint son maximum en un point (x0,y0)\displaystyle (x_0,y_0) alors (x0,y0)\displaystyle (x_0,y_0) est soit sur la frontière de K\displaystyle K, soit un point critique de f\displaystyle f. Ainsi M=max(M1,M2)\displaystyle M=\max(M_1,M_2).
Or on vérifie que M2>M1  ()\displaystyle M_2>M_1~~^{(\star)} donc M=M2\displaystyle M=M_2.

()\displaystyle (\star) Ca ne saute pas aux yeux car ces deux réels sont proches. Un matheux allergique à la calculatrice aura besoin d’un petit calcul :
338>14(21)33(21)>227(322)>42<77542<59292916(ineˊgaliteˊ vraie)\begin{aligned} \frac{3\sqrt 3}{8}>\frac{1}{4(\sqrt 2-1)} &\Leftrightarrow 3\sqrt 3(\sqrt 2-1)>2\\ &\Leftrightarrow 27(3-2\sqrt 2)>4\\ &\Leftrightarrow\sqrt 2<\frac{77}{54}\\ &\Leftrightarrow2<\frac{5929}{2916}\qquad\text{(inégalité vraie)} \end{aligned}

Exercice 445 ⭐️⭐️ EDP et passage en polaire, Spé/L2

En passant en coordonnées polaires, déterminer l’ensemble des fonctions f:R+×RR\displaystyle f:\R_+^* \times \,\mathbb{R} \to \mathbb{R} de classe C1\displaystyle {\mathcal{C}}^1 solutions de l’équation aux dérivées partielles :
xfx+yfy=0.x\frac{{\partial f}}{{\partial x}} + y\frac{{\partial f}}{{\partial y}} = 0.

Poser g(r,θ)=f(rcosθ,rsinθ)\displaystyle g(r,\theta)=f(r\cos\theta,r\sin\theta) 👉 Règle de la chaîne.

La fonction
ϕ:(r,θ)(rcosθ,rsinθ)\phi :(r,\theta)\mapsto (r\cos\theta,r\sin\theta)
définit une bijection C1\displaystyle \mathcal C^1 du domaine D1=R+×]π/2;π/2[\displaystyle D_1=\R_+^*\times]-\pi/2;\pi/2[ vers le domaine D2=R+×R\displaystyle D_2=\R_+^*\times\R. Rappelons que sur ce domaine sa réciproque est donnée par ϕ1(x,y)=(x2+y2,arctan(y/x))\displaystyle \phi^{-1}(x,y)=\left(\sqrt{x^2+y^2},\arctan(y/x)\right)
Posons g(r,θ)=f(rcosθ,rsinθ)\displaystyle g(r,\theta)=f(r\cos\theta,r\sin\theta). La règle de la chaîne donne :
gr(r,θ)=cosθfx(rcosθ,rsinθ)+sinθfy(rcosθ,rsinθ).\frac{\partial g}{\partial r} (r,\theta) = \cos\theta \frac{\partial f}{\partial x}(r\cos\theta,r \sin\theta)+\sin\theta \frac{\partial f}{\partial y}(r \cos\theta,r \sin\theta).

Ainsi on a les équivalences suivantes : (x,y)D2,xfx(x,y)+yfx(x,y)=0(r,θ)D1,  cos(θ)fx(rcos(θ),rsin(θ))+sin(θ)fx(rcos(θ),rsin(θ))=0uC1(]π/2,π/2[,R):(r,θ)D1, g(r,θ)=u(θ)uC1(]π/2,π/2[,R):(x,y)D2, f(x,y)=u(arctan(y/x))vC1(R,R):(x,y)D2, f(x,y)=v(yx)(en posant v=arctanu) \begin{aligned} \forall (x,y)&\in D_2,x\frac{\partial f}{\partial x}(x,y) + y\frac{\partial f}{\partial x}(x,y)= 0 \\ &\Leftrightarrow \forall (r,\theta)\in D_1,~~\cos(\theta)\frac{\partial f}{\partial x}(r\cos(\theta),r\sin(\theta)) + sin(\theta)\frac{\partial f}{\partial x}(r\cos(\theta),r\sin(\theta))= 0\\ &\Leftrightarrow \exists u\in\mathcal C^1(]-\pi/2,\pi/2[,\R) : \forall (r,\theta)\in D_1,~g(r,\theta)=u(\theta)\\ &\Leftrightarrow\exists u\in\mathcal C^1(]-\pi/2,\pi/2[,\R) : \forall (x,y)\in D_2,~f(x,y)=u(\arctan(y/x)) \\ &\Leftrightarrow\exists v\in\mathcal C^1(\R,\R) : \forall (x,y)\in D_2,~f(x,y)=v\left(\frac yx\right)\qquad\text{(en posant $v=\arctan\circ u$)} \end{aligned}

Exercice 446 ⭐️⭐️ Etude de régularité : exemple de Peano, Spé/L2

Soit la fonction f\displaystyle f définie sur R2\displaystyle \R^2 par :
{(x,y)(0,0),  f(x,y)=xy x2y2x2+y2f(0,0)=0.\begin{cases} \forall (x,y)\neq (0,0),~~f(x,y)=xy~\dfrac{x^2 - y^2}{ x^2 + y^2}\\ f(0,0)=0.\end{cases}

  1. Montrer que f\displaystyle f est de classe C1\displaystyle \mathcal C^1 sur R2\displaystyle \R^2.
  2. Montrer que 2fxy(0,0)\displaystyle \dfrac{\partial^{2} f}{\partial x \, \partial y}(0,0) et 2fyx(0,0)\displaystyle \dfrac{\partial^{2} f}{\partial y \, \partial x} (0,0) existent et préciser leur valeur.
    f\displaystyle f est-elle de classe C2\displaystyle \mathcal C^2 sur R2\displaystyle \R^2 ?
  1. Comprendre que seul en (0,0)\displaystyle (0,0) se pose véritablement une question.
    En (0,0)\displaystyle (0,0), revenir aux définitions.
  2. Là aussi revenir à la définition.
  1. f\displaystyle f est C1\displaystyle \mathcal C^1 sur R2{(0,0)}\displaystyle \R^2\setminus\{(0,0)\}, par opérations.
    f(x,0)=f(0,y)=0\displaystyle f(x,0)=f(0,y)=0, par conséquent f\displaystyle f a des dérivées partielles en (0,0)\displaystyle (0,0), et fx(0,0)=fy(0,0)=0\displaystyle \frac{\partial f}{\partial x}(0,0)=\frac{\partial f}{\partial y}(0,0)=0.
    Pour (x,y)(0,0)\displaystyle (x,y)\neq (0,0), fx(x,y)=x4y+4x2y3y5(x2+y2)2\displaystyle \frac{\partial f}{\partial x}(x,y)=\frac{x^4y+4x^2y^3-y^5}{(x^2+y^2)^2}. Donc fx(x,y)6(x,y)\displaystyle \left|\frac{\partial f}{\partial x}(x,y)\right|\leq 6\Vert{(x,y)}\Vert.
    Ainsi fx(x,y)(x,y)(0,0)0=fx(0,0)\displaystyle \frac{\partial f}{\partial x}(x,y) \underset{(x,y)\to(0,0)}\longrightarrow 0= \frac{\partial f}{\partial x}(0,0). De même pour fy\displaystyle \frac{\partial f}{\partial y}.
    Conclusion f\displaystyle f est de classe C1\displaystyle \mathcal C^1 sur R\displaystyle \R.
  2. fx(0,y)=y\displaystyle \frac{\partial f}{\partial x}(0,y)= -y donc y(fx)(0,0)=1\displaystyle \frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{\partial f}{\partial x}\right)(0,0)=-1.
    On trouve de même x(fy)(0,0)=+1\displaystyle \frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial f}{\partial y}\right)(0,0)=+1.
    Le théorème de Schwarz n’est pas vérifié en (0,0)\displaystyle (0,0) donc f\displaystyle f ne peut pas être C2\displaystyle \mathcal C^2 sur R2\displaystyle \R^2.