Problèmes d'extremum

Exercice 217 ⭐️⭐️ Laplacien

Soit f:RnR\displaystyle f: \R^n \rightarrow \R de classe C2\displaystyle \mathcal{C}^2.
a) Si Δf>0\displaystyle \Delta f >0 sur B(0,1)\displaystyle B(0,1), montrer : xB(0,1), f(x)<maxy=1f(y)\displaystyle \forall x\in B(0,1), \ f(x)<\max_{\|y\|=1}f(y).
b) Si Δf=0\displaystyle \Delta f =0 sur B(0,1)\displaystyle B(0,1), montrer : xB(0,1), miny=1f(y)f(x)maxy=1f(y)\displaystyle \forall x\in B(0,1),\ \min_{\|y\|=1}f(y)\leqslant f(x)\leqslant \max_{\|y\|=1}f(y).

A venir !

Exercice 325 ⭐️⭐️ Continuité et extremum sur [0,1]2\displaystyle [0,1]^2, Spé/L2

Soit f(x,y)=xy(1x)(1y)1xy\displaystyle f(x,y)=\frac{xy(1-x)(1-y)}{1-xy} définie sur [0,1]×[0,1]{(1,1)}\displaystyle [0,1]\times[0,1]-\{(1,1)\}.

  1. Étudier la continuité de f\displaystyle f sur [0,1]×[0,1]\displaystyle [0,1]\times[0,1].
  2. Déterminer le ou les extrema de f\displaystyle f sur [0,1]×[0,1]\displaystyle [0,1]\times[0,1].
  1. Extrema 👉 Condition nécessaire : les dérivées partielles s’annulent.
  1. La fonction est continue sur [0,1]×[0,1]{(1,1)}\displaystyle [0,1]\times[0,1]-\{(1,1)\} comme produit et quotient de fonctions continues. Il faut étudier la continuité en (1,1)\displaystyle (1,1). On pose donc x=1a\displaystyle x=1-a et y=1b\displaystyle y=1-b avec a,b[0,1]\displaystyle a,b\in[0,1]. En utilisant 1(1a)(1b)=a+bab\displaystyle 1-(1-a)(1-b)=a+b-ab, on obtient
    f(x,y)=(1a)(1b)aba+bab.f(x,y)=\frac{(1-a)(1-b)ab}{a+b-ab}.
    On remarque que abb\displaystyle ab\le b car a[0,1]\displaystyle a\in[0,1], donc aa+bab\displaystyle a\le a+b-ab, d’où abb(a+bab)\displaystyle ab\le b(a+b-ab). Ainsi f(x,y)f(1,1)b=1y\displaystyle |f(x,y)-f(1,1)|\le b=1-y. On en déduit que lim(x,y)(1,1)f(x,y)=f(1,1)=0,\lim_{(x,y)\to(1,1)}f(x,y)=f(1,1)=0, ce qui permet de conclure que la fonction est continue sur [0,1]×[0,1]\displaystyle [0,1]\times[0,1].

  2. La fonction f\displaystyle f est symétrique en x,y\displaystyle x,y. Calculons fx(x,y)=y(1y)(12x)(1xy)(y)xy(1x)(1y)(1xy)2.\frac{\partial f}{\partial x}(x,y)=\frac{y(1-y)(1-2x)(1-xy)-(-y)xy(1-x)(1-y)}{(1-xy)^2}. On cherche des points cirtiques sur l’ouvert ]0,1[×]0,1[\displaystyle ]0,1[\times ]0,1[, i.e. des solutions à fx(x,y)=0\displaystyle \frac{\partial f}{\partial x}(x,y)=0 et fy(x,y)=0\displaystyle \frac{\partial f}{\partial y}(x,y)=0. On a fx(x,y)=0\displaystyle \frac{\partial f}{\partial x}(x,y)=0     \displaystyle \iff (12x)(1xy)+xy(1x)=0\displaystyle (1-2x)(1-xy)+xy(1-x)=0     \displaystyle \iff 1xy2x+2x2y+xyx2y=0\displaystyle 1-xy-2x+2x^2y+xy-x^2y=0     \displaystyle \iff 12x+x2y=0\displaystyle 1-2x+x^2y=0. Et donc fy(x,y)=0\displaystyle \frac{\partial f}{\partial y}(x,y)=0     \displaystyle \iff 12y+y2x=0\displaystyle 1-2y+y^2x=0. En écrivant y2xy+x2y2=0\displaystyle y-2xy+x^2y^2=0 et x2xy+x2y2=0\displaystyle x-2xy+x^2y^2=0, on obtient x=y\displaystyle x=y, d’où 12x+x3=0\displaystyle 1-2x+x^3=0. Comme 1\displaystyle 1 est une racine évidente, on a 12x+x3=(x1)(x2+x1)\displaystyle 1-2x+x^3=(x-1)(x^2+x-1). Donc les racines sont 1\displaystyle 1, 1+520,68\displaystyle \frac{-1+\sqrt{5}}{2}\simeq 0,68 et 152\displaystyle \frac{-1-\sqrt{5}}{2}.
    La seule racine admissible est alors z=512\displaystyle z=\frac{\sqrt{5}-1}{2}.
    Remarquons pour finir que la fonction f\displaystyle f est positive sur le carré [0,1]×[0,1]\displaystyle [0,1]\times[0,1], qu’elle atteint son minimum sur les bords du carré. Comme elle continue sur le carré qui est un compact, elle y atteint donc aussi son maximum, en un point qui est nécessairement à l’intérieur du carré. Ce point est parmi les points critiques, et ne peut donc être que (z,z)\displaystyle (z,z).
    On a f(z,z)=z2(1z)21z2=z2(1z)1+z=(1z)21+z=12(35)21+5\displaystyle f(z,z)= \frac{z^2(1-z)^2}{1-z^2}=\frac{z^2(1-z)}{1+z}=\frac{(1-z)^2}{1+z}=\frac12\frac{(3-\sqrt{5})^2}{1+\sqrt{5}}.

Exercice 392 ⭐️⭐️ Fonction harmonique sur le disque, L3

Soit D\displaystyle D le disque ouvert de centre 0 et de rayon β>0\displaystyle \beta>0, et D(z,r)\displaystyle \partial D(z,r) le bord du disque D(z,r)\displaystyle D(z,r) de centre z\displaystyle z et de rayon r\displaystyle r. Soit f:R2R\displaystyle f : \mathbb{R}^2 \mapsto \mathbb{R} une fonction de classe C2\displaystyle C^2 telle que Δf=0\displaystyle \Delta f = 0 sur D\displaystyle D.

  1. Montrer que la fonction définie sur ]0,β[\displaystyle ]0, \beta[ par F(r)=02πf(rcosθ,rsinθ)dθ\displaystyle F(r)=\int_0^{2\pi}f(r \cos\theta, r \sin \theta)d\theta est de classe C1\displaystyle C^1 et que pour tout r]0,β[\displaystyle r \in]0, \beta[,  rF(r)=D(0,r)fxdyfydx\displaystyle \ rF'(r)=\oint_{\partial D(0,r)} \frac{\partial f}{\partial x}dy - \frac{\partial f}{\partial y}dx.
  2. En déduire la valeur de F(r)\displaystyle F(r) pour tout r]0,β[\displaystyle r \in]0, \beta[.
  3. En déduire la formule de la moyenne f(0)=1πβ2Df(x,y)dxdy\displaystyle f(0)= \frac{1}{\pi \beta^2}\iint_D f(x,y)dxdy.
  4. Soit U\displaystyle U un ouvert connexe et borné de R2\displaystyle \mathbb{R^2} et supposons que Δf=0\displaystyle \Delta f =0 sur U\displaystyle U. Montrer que si fUˉ\displaystyle f_{|\bar{U}} atteint son maximum dans U\displaystyle U alors f\displaystyle f est constante sur U\displaystyle U.
  1. Utiliser la formule de Green-Riemann ;
  2. Utiliser la formule de changement de variable ;
  3. Utiliser la formule de la moyenne.
  1. La fonction f\displaystyle f et ses dérivées partielles sont bornées et continues sur D\displaystyle D, donc f\displaystyle f est de classe C1\displaystyle C^1 et on peut appliquer le théorème de dérivation sous le signe intégrale : F(r)=02π(fx(rcosθ,rsinθ)cosθ+fy(rcosθ,rsinθ)sinθ)dθ.F'(r)=\int_0^{2\pi} \left(\frac{\partial f}{\partial x}(r \cos\theta, r \sin \theta)\cos \theta + \frac{\partial f}{\partial y}(r \cos\theta, r \sin \theta)\sin \theta\right) d\theta. On pose x=rcosθ\displaystyle x=r\cos\theta et y=rsinθ\displaystyle y=r\sin\theta. Sur le cercle de 0\displaystyle 0 et de rayon r\displaystyle r, on a l’expression suivante des formes différentielles : dx=rsinθ dθ\displaystyle dx=-r\sin\theta\ d \theta et dy=rcosθ dθ\displaystyle dy=r\cos\theta\ d \theta. Ainsi on peut écrire, en remplaçant dans l’intégrale ci-dessus et par définition de l’intégration de formes différentielles sur un contour : rF(r)=D(0,r)fxdyfydx.rF'(r)=\oint_{\partial D(0,r)} \frac{\partial f}{\partial x}dy - \frac{\partial f}{\partial y}dx.
  2. La formule de Green-Riemann nous donne alors : rF(r)=D(0,r)(2fx2+2fy2)dxdy.rF'(r)=\iint_{D(0,r)} \left(\frac{\partial^2 f}{\partial x^2}+ \frac{\partial^2 f}{\partial y^2}\right)dxdy. Comme f\displaystyle f est harmonique sur D\displaystyle D par définition, il vient rF(r)=0\displaystyle rF'(r)=0, i.e. F(r)=F(0)=2πf(0),F(r)=F(0)=2\pi f(0),en prolongeant F\displaystyle F par continuité en 0\displaystyle 0.
  3. On a par la formule de changement de variables en polaire dxdy=rdrdθ\displaystyle dxdy=rdrd\theta,
    0βrF(r)dr=0β02πf(rcosθ,rsinθ)rdrdθ=Df(x,y)dxdy.\begin{aligned} \int_0^\beta rF(r)dr&=\int_0^\beta\int_0^{2\pi}f(r \cos\theta, r \sin \theta)rdr d\theta \\ &=\iint_D f(x,y)dxdy. \end{aligned} Mais 0βrF(r)dr=2πf(0)0βrdr=πβ2f(0)\displaystyle \int_0^\beta rF(r)dr=2\pi f(0)\int_0^\beta rdr=\pi\beta^2 f(0), ce qui permet d’obtenir la formule de la moyenne.
  4. Supposons que f\displaystyle f atteint son maximum en P=(x0,y0)\displaystyle P=(x_0,y_0) dans U\displaystyle U et que f\displaystyle f n’est pas constante dans un voisinage D(P,β)U\displaystyle D(P,\beta)\subset U. On a alors 1πβ2D(P,β)f(x,y)dxdy<1πβ2D(P,β)f(P)dxdy=f(P).\frac{1}{\pi \beta^2}\iint_{D(P,\beta)} |f(x,y)|dxdy<\frac{1}{\pi \beta^2}\iint_{D(P,\beta)}|f(P)|dxdy=|f(P)|. L’inégalité est stricte car f\displaystyle f est continue (on peut e.g. appliquer cet exercice à la fonction positive f(P)f(x,y)\displaystyle |f(P)|-|f(x,y)|). La formule de la moyenne appliquée en P\displaystyle P donne f(P)1πβ2D(P,β)f(x,y)dxdy,|f(P)|\le\frac{1}{\pi \beta^2}\iint_{D(P,\beta)} |f(x,y)|dxdy, ce qui contredit l’inégalité stricte précédente. Donc f\displaystyle f est constante.

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}