Exercice 212 ⭐️⭐️⭐️ Convexité et différentiabilité, Spé/L2/Classique
Soit U un ouvert convexe de Rn et f:U→R. On suppose que f est différentiable sur U. Montrer que f est convexe si et seulement si pour tout x,y∈U, f(x)≥f(y)+dyf(x−y).
Réflexes
Convexité 👉 f(tx+(1−t)y)≤tf(x)+(1−t)f(y) ;
Faire apparaître les quantités souhaitées.
Corrigé
Si f est convexe alors f(tx+(1−t)y)≤tf(x)+(1−t)f(y) pour tout x,y∈U et t∈[0,1]. Ce qu’on peut réécrire f(y+t(x−y))−f(y)≤t(f(x)−f(y)). En divisant par t>0 et en faisant tendre t→0, on obtient dyf(x−y)≤f(x)−f(y), ce qu’on voulait.
Réciproquement, on part de la dernière inégalité et on veut faire apparaître f(tx+(1−t)y). On peut donc avoir l’idée de prendre comme nouveau x le point z=tx+(1−t)y. Ecrivons dyf(z−y)≤f(z)−f(y).
D’où dyf(t(x−y))≤f(z)−f(y), mais le 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 par z et on a bien cette fois f(z)≤... i.e. dans le sens qu’on veut ! On peut prendre naturellement comme couples (x,z) et (y,z), ce qui donne : f(z)+dzf(x−z)≤f(x)f(z)+dzf(y−z)≤f(y). On a x−z=x−y−t(x−y)=(1−t)(x−y) et y−z=−t(x−y).
On multiplie donc par t la 1ere inégalité et par (1−t) la 2nd, on somme et on a, comme la différentielle est linéaire (on peut sortir le t et 1−t), f(z)≤tf(x)+(1−t)f(y).
Exercice 214 ⭐️⭐️ Fonction homogène, Spé/L2
Soit T:(R3)p→R une fonction C1n−homogène, i.e. ∀λ∈R,T(λr1,⋯,λrp)=λnT(r1,⋯,rp).
Montrer que : i=1∑pri⋅∇riT=nT.
Corrigé
Il suffit de dériver par rapport à λ, ce qui donne par composition pour le membre de gauche la somme souhaitée mais avec ∇λriT. A droite on obtient nλn−1T(r1,⋯,rp). Et il suffit de prendre λ=1 dans l’égalité pour obtenir le résultat voulu.
Exercice 216 ⭐️⭐️ Polygone de lumière, Spé/L2
Soit C un convexe compact d’intérieur non vide de R2, tel que sa frontière Γ soit paramétrée par une fonction γC1 et périodique. Soit M1⋯Mnn points de Γ. Montrer qu’il existe un polygone de “lumière” (i.e. M1M2⋯MnM1 est la trajectoire d’un rayon lumineux se réfléchissant sur Γ).
Corrigé
A venir !
Exercice 218 ⭐️⭐️ Spé/L2
Soit f:R2→R une fonction de classe C1. On suppose que cette fonction vérifie l’équation suivante : ∀x,y∈R2,∂1f(x,y)+∂2f(x,y)=0.
a) On fixe un certain (x0,y0)∈R2. Montrer que t↦g(t):=f(x0+t,y0+t) est de classe C1 sur R et calculer sa dérivée.
b) Déduire de la question précédente qu’il existe ϕ:R→R de classe C1 telle que f(x,y)=ϕ(x−y).
On suppose maintenant que f vérifie l’équation ∀x,y∈R2, λ∂1f(x,y)+∂2f(x,y)=0, où λ est un paramètre réel. En adaptant le résultat de la question précédente, montrer qu’il existe une fonction ϕ:R→R de classe C1 telle que f(x,y)=ϕ(x−λy).
Soit f:]0,∞[×]0,∞[→R une fonction de classe C1 vérifiant : ∀x,y∈R2, x∂1f(x,y)+y∂2f(x,y)=0.
Montrer qu’il existe une fonction ϕ:]0,∞[→R de classe C1 telle que f(x,y)=ϕ(x/y). On pourra soit adapter le raisonnement précédent, soit étudier la fonction F(x,y):=f(exp(x),exp(y)).
Corrigé
a) La fonction t→(x0+t,y0+t) est de classe C1 sur R, par composition avec la fonction f on en déduit que g est aussi de classe C1. Pour calculer la dérivée de 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.
b) La fonction g est de classe C1 sur R et de dérivée nulle, elle est donc constante. On peut alors écrire que, pour tous x,y∈R2, on a : f(x,y)=f(x−y,y−y)=f(x−y,0).
On applique le résultat précédent avec x0=x, y0=y et t=−y. On a donc bien f(x,y)=ϕ(x−y) avec ϕ(z)=f(z,0). Cette fonction est bien de classe C1, car les fonctions f et z↦(z,0) le sont.
Il s’agit de trouver une fonction g adaptée au problème. On pose g(t):=f(x0+λt,y0+t). Cette fonction est de classe C1 sur R et de dérivée g′(t)=λ∂1f(x0+t,y0+t)+∂2f(x0+t,y0+t)=0,
elle est donc constante sur R. On en déduit que pour tous x,y∈R2, on a : f(x,y)=f(x−λy+λy,y−y)=f(x−λy,0).
La fonction ϕ(z)=f(z,0), qui est toujours de classe C1, permet donc de conclure.
On imagine qu’un bonne fonction est t↦h(t):=f(tx0,ty0), où x0,y0∈]0,∞[×]0,∞[ et t>0. On vérifie que l’on a bien : h′(t)=x0∂1f(tx0,ty0)+y0∂2f(tx0,ty0)=0.
Comme h est de classe C1 sur ]0,∞[, elle est constante. On applique ce résultat à x0=x, y0=y et t=y1 pour écrire : f(x,y)=f(yx,yy)=f(yx,1). On retrouve le résultat avec ϕ(z)=f(z,1).
Exercice 432 ⭐️⭐️ Une EDP, ECS2/MP
Soit f:R2→R une fonction de classe C1. On suppose que cette fonction vérifie l’équation suivante : ∀x,y∈R2,∂1f(x,y)+∂2f(x,y)=0.
a) On fixe un certain (x,y)∈R2. Montrer que la fonction g(t):=f(x+t,y+t) est de classe C1 sur R, puis que le fonction g est constante sur R.
b) Déduire de la question précédente qu’il existe une fonction ϕ:R→R de classe C1 telle que f(x,y)=ϕ(x−y). On pourra considérer la fonction ϕ:R→R,z↦f(z,0).
On suppose maintenant que la fonction f vérifie l’équation ∀x,y∈R2,λ∂1f(x,y)+∂2f(x,y)=0,
où λ est un paramètre réel. En adaptant le résultat de la question précédente, avec la fonction g(t)=f(x+λt,y+t), montrer qu’il existe une fonction ϕ:R→R de classe C1 telle que f(x,y)=ϕ(x−λy).
Soit f:]0,∞[×]0,∞[→R une fonction de classe C1 vérifiant : ∀x,y∈]0,∞[×]0,∞[,x∂1f(x,y)+y∂2f(x,y)=0.
En considérant la fonction g:]0,∞[→R définie pour t>0 par g(t)=f(xt,yt), montrer qu’il existe une fonction ψ:]0,∞[→R telle que f(x,y)=ψ(x/y) pour tous x,y>0.
Réflexes
Corrigé
1.a) La fonction t→(x0+t,y0+t) est de classe C1 sur R, par composition avec la fonction f on en déduit que g est aussi de classe C1. Pour calculer la dérivée de 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.
Ici, on peut écrire de façon vectorielle : g(t)=f(x+t,y+t)=f((xy)+t(11)).
D’après le cours, on a alors : g′(t)=⟨(∇f)(x+t,y+t),(11)⟩,
et on a vu plus haut que cette quantité vaut 0.
b) La fonction g est de classe C1 sur 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).
On a appliqué le résultat précédent avec t=−y. On a donc bien f(x,y)=ϕ(x−y) avec ϕ(z)=f(z,0). Cette fonction est bien de classe C1, car les fonctions f et z↦(z,0) le sont.
On pose, comme suggéré, g(t):=f(x+λt,y+t). Cette fonction est de classe C1 sur R et de dérivée g′(t)=⟨(∇f)(x+λt,y+t),(λ1)⟩=λ∂1f(x+λt,y+t)+∂2f(x+λt,y+t)=0,
d’après la condition de l’énoncé. La fonction g est donc constante sur R. On en d’eduit que pour tous x,y∈R2, on a : f(x,y)=g(0)=g(−λy)=f(x−λy+λy,y−y)=f(x−λy,0).
La fonction ϕ(z)=f(z,0), qui est toujours de classe C1, permet donc de répondre à la question.
Comme suggéré, on pose g(t)=f(tx,ty). Ici g est définie pour t>0, et on a g′(t)=⟨(∇f)(tx,ty),(xy)⟩=0.
On introduit la fonction ψ(z)=f(z,1). Pour x,y>0, on a alors : f(x,y)=g(1)=g(1/y)=f(x/y,y/y)=ψ(x/y),
et on a bien répondu à la question.
Exercice 433 ⭐️⭐️⭐️ Caractérisation des densités gaussiennes, MP/L3
Soit f∈C1(R,R+∗) une fonction vérifiant ∀x,y,θ∈R,f(xcos(θ)−ysin(θ))f(xsin(θ)+ycos(θ))=f(x)f(y).
Montrer que ∀x,y∈R,f(x)f(y)=f(x2+y2)f(0).
Dans le domaine D=R2−{(0,0)}, calculer les deux quantités (x∂y∂−y∂x∂)(f(x)f(y)),(x∂y∂−y∂x∂)f(x2+y2).
En déduire qu’il existe α∈R tel que f′(x)=αxf(x).
Trouver toutes les fonctions f∈C1(R,R+∗) vérifiant la propriété de l’énoncé et telles que ∫Rf(t)dt=1.
Réflexes
Corrigé
Si (x,y)=(0,0) on a bien f(x)f(y)=f(0)f(0), il n’y a rien à faire. On suppose maintenant que (x,y)=(0,0). Il existe un certain θ∈R tel que cos(θ)=x2+y2y et sin(θ)=x2+y2x (il suffit de constater que x2+y2y∈[−1,1] et de prendre l’arc cosinus). Pour un tel choix de θ, on a bien xcos(θ)−ysin(θ)=x2+y2xy−x2+y2xy=0 et xsin(θ)+ycos(θ)=x2+y2x2+x2+y2y2=x2+y2, et la propriété de l’énoncé permet de conclure.
La fonction f est de classe C1 sur R, donc la fonction (x,y)↦f(x)f(y) est de classe C1 sur R2 et on a (x∂y∂−y∂x∂)(f(x)f(y))=xf(x)f′(y)−yf′(x)f(y). La fonction (x,y)↦x2+y2 est de classe C1 sur D, à image dans ]0,+∞[. Or la fonction t↦t est de classe C1 sur ]0,+∞[. Par composition, on en déduit que (x,y)↦f(x2+y2) est de classe C1 sur D. Et on a : (x∂y∂−y∂x∂)f(x2+y2)=x2x2+y22y−y2x2+y22x=0.
On déduit des deux questions précédentes que ∀(x,y)∈D,xf(x)f′(y)−yf′(x)f(y)=f(0).0=0. Comme on a supposé que f(x)>0, on peut écrire l’équation précédente sous la forme ∀x=0,∀y=0,xf(x)f′(x)=yf(y)f′(y). Autrement dit la fonction x↦xf(x)f′(x) est constante sur R∗. En notant α cette constante, on obtient bien le résultat demandé, pour x=0. Le résultat est vrai pour x=0 car on a nécessairement f′(0)=0. En effet, on a 1f(1)f′(0)−0f′(1)f(0)=0, et comme f(1)=0 on trouve f′(0)=0.
Comme f est à valeurs dans R+∗, on peut considérer la fonction g=ln∘f, qui est de classe C1 sur R. On a : g′(x)=f(x)f′(x)=αx. Il existe donc une constante c∈R telle que g(x)=α2x2+c pour tout x∈R. Autrement dit la fonction f est s’écrit sous la forme f(x)=Cexp(−2αx2), avec C=exp(c)≥0. Si α≤0 alors f n’est pas intégrable sur R, donc ne peut pas satisfaire la propriété supplémentaire. Si α>0, la fonction f est bien intégrable sur R et on a ∫Rf(x)dx=C∫−∞∞exp(−2αx2)dx=Cα2π. (la valeur de la dernière intégrale est un résultat classique, et pas trivial, lorsque α=1 et on se ramène à ce cas par le changement de variables z=αx. Ainsi, les fonctions f qui satisfont toutes les hypothèses de l’énoncé sont exactement les fonctions s’écrivant sous la forme f(x)=2παexp(−2αx2), où α est un paramètre dans R+∗. Ce sont exactement les densités des lois N(0,α1).
Note : adapté du tout début d’un sujet d’écrit ENS 2013 (ça se complique après !).
Exercice 434 ⭐️⭐️ Fonction convexe, MP
Soit F:Rn→R une fonction de classe C1. Montrer que les deux définitions suivantes de convexité sont équivalentes : (1)∀x,y∈Rn,∀t∈[0,1],F((1−t)x+ty)≤(1−t)F(x)+tF(y). (2)∀u,v∈Rn,F(v)≥F(u)+⟨∇F(u),v−u⟩.
Réflexes
Si on ne comprend rien, on peut toujours tenter un dessin dans le cas où n=1…
Corrigé
On suppose que la fonction F vérifie la propriété (1). On fixe u,v∈Rn. La fonction g:[0,1]→R définie par g(t)=F((1−t)u+tv) est de classe C1 et on a g′(t)=⟨∇F((1−t)u+tv),(v−u)⟩. La formule de Taylor-Young à l’ordre 1 en 0 s’écrit alors g(t)=g(0)+tg′(0)+o(t), ou encore F((1−t)u+tv))=F(u)+t⟨∇F(u),(v−u)⟩+ot→0(t). Comme F vérifie la propriété (1), on peut écrire F(u)+t⟨∇F(u),(v−u)⟩+ot→0(t)≤(1−t)F(u)+tF(v). En retranchant F(u) de chaque côté et en divisant par t, on obtient F(v)−F(u)≥⟨∇F(u),(v−u)⟩+ot→0(1). En faisant tendre t vers 0, on a montré que F vérifie la propriété (2).
Réciproquement, on suppose que F vérifie la propriété (2). On se fixe x,y∈Rn et t∈[0,1]. On pose z=(1−t)x+ty. On applique la propriété (2) avec u=z et v=x, et donc v−u=−t(y−x) : F(x)≥F(z)−t⟨∇F(z),(y−x)⟩. On applique à nouveau la propriété (2) avec u=z et v=y, et donc ici v−u=(1−t)(y−x) : F(y)≥F(z)+(1−t)⟨∇F(z),(y−x)⟩. On combine ces deux inégalités : (1−t)F(x)+tF(y)≥(1−t+t)F(z)+(−t(1−t)+t(1−t))⟨∇F(z),(y−x)⟩. Comme t+1−t=1 et $ (-t(1-t)+t(1-t))=0$, on obtient bien F(z)≤(1−t)F(x)+tF(y) comme voulu.
Exercice 435 ⭐️⭐️⭐️ Triangle inscrit dans une ellipse, Spé
Dans R2 euclidien, on se donne les trois points A=(1,0), B=(cos(β),sin(β)) et C=(cos(γ),sin(γ)), avec 0<β≤γ≤2π.
Exprimer l’aire du triangle ABC en fonction de β et γ.
Quelle est l’aire maximale du triangle ?
Trouver l’aire maximale d’un triangle inscrit dans l’ellipse d’équation a2x2+b2y2=1.
Réflexes
👉 tout va mieux avec un dessin !
Corrigé
Exercice 436 ⭐️⭐️⭐️ Fonctions harmoniques, MP
Soit f∈C2(R2,R) une fonction vérifiant : Δf:=∂x2∂2f+∂y2∂2f=0. Montrer que la fonction K:R+→R définie par K(r)=∫02πf(rcos(t),rsin(t))dt est constante.
Réflexes
Corrigé
Exercice 439 ⭐️⭐️ Fonction à deux variables, Spé/L2
Soit u:R2→R l’application définie par : u:(x,y)↦x4+y4−x2−xy−y2.
Montrer que u admet un minimum global sur R2 et le déterminer.
Montrer que u admet un maximum global sur [−1,1]×[−1,1] et le déterminer.
Etudier la nature des points critiques de u sur R2.
Réflexes
Corrigé
Exercice 440 ⭐️⭐️⭐️ Optimisation sur un simplexe, MP/L2
Soit n≥1 un entier. On considère l’ensemble : S={(p0,…,pn)∈]0,1[n+1:i=0∑npi=1}.
Soit f:[0,1]n+1→R une fonction de classe C1 et g:S→R la restriction de f à S. On suppose que g atteint son mimimum en un point p∗∈S∘. Montrer qu’il existe λ∈R tel que ∀0≤i≤n,(∂pi∂f)(p∗)=λ.
Pour un paramètre réel m∈]0,n[, on considère l’ensemble : Sm={(p0,…,pn)∈]0,1[n+1:i=0∑npi=1,i=0∑nipi=m}.
Avec les notations de la question 1, on note gm la restriction de f à Sm. Montrer que si g atteint son mimimum en un point p∗∈S∘, alors il existe λ,μ∈R tel que ∀0≤i≤n,(∂pi∂f)(p∗)=λ+iμ.
Application : on pose f(p0,…,pn)=−i=0∑npiln(pi). Trouver les (n+1)-uplets qui minimisent f sur S, puis sur Sm.
Réflexes
Corrigé
Exercice 441 ⭐️⭐️ Régression linéaire, Spé/L2
Soient (x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn) les coordonnées cartésiennes de n points du plan R2. On souhaite trouver la droite affine d’équation y=ax+b qui “se rapproche le plus” de ce n-uplet de points. Pour cela, on considère la fonction R:R2→R définie par R(a,b)=i=1∑n(yi−(axi+b))2.
Quel est le minimum de R si tous les points sont alignés ?
Montrer que R est convexe sur R2.
En déduire le minimum de R.
Réflexes
Corrigé
Exercice 444 ⭐️⭐️ Recherche d’extremum sur [0,1]2, Spé/L2
On souhaite calculer M=(x,y)∈Kmaxf(x), où K=[0;1]2 et f est la fonction définie sur K par : f(x,y)=(1+x2)(1+y2)x+y.
Justifier que M est bien défini, puis calculer M. On pourra commencer par calculer le maximum atteint par f sur la frontière de K.
Réflexes
Extremum local d’une fonction de plusieurs variables 👉 Condition nécessaire : point critique.
Attentions, ce n’est valable que sur un point intérieur au domaine !
Corrigé
★f est continue sur K, qui est fermé et borné, donc par théorème f est majorée et atteint son maximum sur K. Donc M est bien défini. ★ Calculons M1=(x,y)∈Fr(K)maxf(x,y).
Puisque f(x,y)=f(y,x) et que f(x,0)=1+x2x≤f(x,1)=2(1+x2)x+1, on a donc M1=x∈[0;1]maxf(x,1).
Notons v(x)=f(x,1). Pour x∈[0;1], v′(x)=2(1+x2)21(−x2−2x+1).
Les racines de −X2−2X+1 sont −1±2, donc v est croissante sur [0,2−1], décroissante sur [2−1,1]. ConclusionM1=v(2−1)=2(1+(2−1)2)2=4(2−1)1. ★ Soit (x,y)∈A˚ (c’est-à-dire tel que x∈]0;1[ et y∈]0;1[). (x,y) est un point critique de f ssi : {(1+x2)2(1+y2)1−2xy−x2=0(1+x2)(1+y2)21−2xy−y2=0⇔{1−2xy−x2=01−2xy−y2=0⇔{x=y1−3x2=0⇔(x,y)=(31,31).
Conclusion Le seul point critique dans A˚ est (31,31).
Notons M2=f(31,31)=833. ★ Si f atteint son maximum en un point (x0,y0) alors (x0,y0) est soit sur la frontière de K, soit un point critique de f. Ainsi M=max(M1,M2).
Or on vérifie que M2>M1(⋆) donc M=M2.
(⋆) Ca ne saute pas aux yeux car ces deux réels sont proches. Un matheux allergique à la calculatrice aura besoin d’un petit calcul : 833>4(2−1)1⇔33(2−1)>2⇔27(3−22)>4⇔2<5477⇔2<29165929(ineˊgaliteˊ vraie)
Exercice 445 ⭐️⭐️ EDP et passage en polaire, Spé/L2
En passant en coordonnées polaires, déterminer l’ensemble des fonctions f:R+∗×R→R de classe C1 solutions de l’équation aux dérivées partielles : x∂x∂f+y∂y∂f=0.
Réflexes
Poser g(r,θ)=f(rcosθ,rsinθ) 👉 Règle de la chaîne.
Corrigé
La fonction ϕ:(r,θ)↦(rcosθ,rsinθ)
définit une bijection C1 du domaine D1=R+∗×]−π/2;π/2[ vers le domaine D2=R+∗×R. Rappelons que sur ce domaine sa réciproque est donnée par ϕ−1(x,y)=(x2+y2,arctan(y/x))
Posons g(r,θ)=f(rcosθ,rsinθ). La règle de la chaîne donne : ∂r∂g(r,θ)=cosθ∂x∂f(rcosθ,rsinθ)+sinθ∂y∂f(rcosθ,rsinθ).
Ainsi on a les équivalences suivantes : ∀(x,y)∈D2,x∂x∂f(x,y)+y∂x∂f(x,y)=0⇔∀(r,θ)∈D1,cos(θ)∂x∂f(rcos(θ),rsin(θ))+sin(θ)∂x∂f(rcos(θ),rsin(θ))=0⇔∃u∈C1(]−π/2,π/2[,R):∀(r,θ)∈D1,g(r,θ)=u(θ)⇔∃u∈C1(]−π/2,π/2[,R):∀(x,y)∈D2,f(x,y)=u(arctan(y/x))⇔∃v∈C1(R,R):∀(x,y)∈D2,f(x,y)=v(xy)(en posant v=arctan∘u)
Exercice 446 ⭐️⭐️ Etude de régularité : exemple de Peano, Spé/L2
Soit la fonction f définie sur R2 par : ⎩⎪⎨⎪⎧∀(x,y)=(0,0),f(x,y)=xyx2+y2x2−y2f(0,0)=0.
Montrer que f est de classe C1 sur R2.
Montrer que ∂x∂y∂2f(0,0) et ∂y∂x∂2f(0,0) existent et préciser leur valeur. f est-elle de classe C2 sur R2 ?
Réflexes
Comprendre que seul en (0,0) se pose véritablement une question.
En (0,0), revenir aux définitions.
Là aussi revenir à la définition.
Corrigé
f est C1 sur R2∖{(0,0)}, par opérations. f(x,0)=f(0,y)=0, par conséquent f a des dérivées partielles en (0,0), et ∂x∂f(0,0)=∂y∂f(0,0)=0.
Pour (x,y)=(0,0), ∂x∂f(x,y)=(x2+y2)2x4y+4x2y3−y5. Donc ∣∣∣∣∣∂x∂f(x,y)∣∣∣∣∣≤6∥(x,y)∥.
Ainsi ∂x∂f(x,y)(x,y)→(0,0)⟶0=∂x∂f(0,0). De même pour ∂y∂f. Conclusionf est de classe C1 sur R.
∂x∂f(0,y)=−y donc ∂y∂(∂x∂f)(0,0)=−1.
On trouve de même ∂x∂(∂y∂f)(0,0)=+1.
Le théorème de Schwarz n’est pas vérifié en (0,0) donc f ne peut pas être C2 sur R2.