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Cours : Calcul différentiel à plusieurs variables

Soit (E,∥⋅∥)(E, \|\cdot\|) et (F,∥⋅∥F)(F, \|\cdot\|_F) deux espaces vectoriels normés (souvent de dimension finie, tels que Rn\mathbb{R}^n et Rp\mathbb{R}^p). Soit UU un ouvert de EE et f:U→Ff : U \to F une application.

On dit que ff est différentiable en un point a∈Ua \in U s’il existe une application linéaire continue L∈L(E,F)L \in \mathcal{L}(E, F) et une application ε:U→F\varepsilon : U \to F telles que, pour tout h∈Eh \in E tel que a+h∈Ua+h \in U : f(a+h)=f(a)+L(h)+∥h∥Eε(h)f(a+h) = f(a) + L(h) + \|h\|_E \varepsilon(h) avec lim⁡h→0ε(h)=0F\lim_{h \to 0} \varepsilon(h) = 0_F.

Si une telle application LL existe, elle est unique. On la note df(a)df(a) ou df(a)\text{d}f(a), appelée différentielle de ff en aa.

Si E=RnE = \mathbb{R}^n, la base canonique est notée (e1,…,en)(e_1, \dots, e_n). Si ff est différentiable en aa, alors ff admet des dérivées partielles par rapport à toutes ses variables en aa. La dérivée partielle par rapport à la ii-ème variable se note : ∂f∂xi(a)=lim⁡t→0f(a1,…,ai+t,…,an)−f(a)t\frac{\partial f}{\partial x_i}(a) = \lim_{t \to 0} \frac{f(a_1, \dots, a_i + t, \dots, a_n) - f(a)}{t}

Si F=RpF = \mathbb{R}^p et f=(f1,…,fp)f = (f_1, \dots, f_p), la matrice de l’application linéaire df(a)∈L(Rn,Rp)df(a) \in \mathcal{L}(\mathbb{R}^n, \mathbb{R}^p) dans les bases canoniques est la matrice jacobienne, notée Jf(a)∈Mp,n(R)J_f(a) \in \mathcal{M}_{p,n}(\mathbb{R}) :

\frac{\partial f_1}{\partial x_1}(a) & \frac{\partial f_1}{\partial x_2}(a) & \cdots & \frac{\partial f_1}{\partial x_n}(a) \\ \frac{\partial f_2}{\partial x_1}(a) & \frac{\partial f_2}{\partial x_2}(a) & \cdots & \frac{\partial f_2}{\partial x_n}(a) \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ \frac{\partial f_p}{\partial x_1}(a) & \frac{\partial f_p}{\partial x_2}(a) & \cdots & \frac{\partial f_p}{\partial x_n}(a) \end{pmatrix}$$ --- ## 📐 2. Théorèmes fondamentaux & Démonstrations clés ### Théorème de Schwarz (Symétrie des dérivées secondes) **Énoncé :** Soit $U$ un ouvert de $\mathbb{R}^n$ et $f : U \to \mathbb{R}$ une fonction de classe $\mathcal{C}^2$ sur $U$. Alors pour tout $a \in U$ et pour tout $(i, j) \in \{1, \dots, n\}^2$, on a l'égalité des dérivées partielles croisées : $$\frac{\partial^2 f}{\partial x_i \partial x_j}(a) = \frac{\partial^2 f}{\partial x_j \partial x_i}(a)$$ --- ### Théorème de composition (Dérivation des fonctions composées) **Énoncé :** Soit $U$ un ouvert de $\mathbb{R}^n$, $V$ un ouvert de $\mathbb{R}^p$, $f : U \to V$ une application différentiable en $a \in U$, et $g : V \to \mathbb{R}^m$ une application différentiable en $b = f(a)$. Alors l'application composée $g \circ f : U \to \mathbb{R}^m$ est différentiable en $a$, et sa différentielle est donnée par la formule de composition : $$\text{d}(g \circ f)(a) = \text{d}g(f(a)) \circ \text{d}f(a)$$ **Traduction matricielle :** Les matrices jacobiennes se multiplient : $$J_{g \circ f}(a) = J_g(f(a)) \times J_f(a) \quad \text{avec} \quad J_{g \circ f}(a) \in \mathcal{M}_{m,n}(\mathbb{R}), \, J_g(f(a)) \in \mathcal{M}_{m,p}(\mathbb{R}), \, J_f(a) \in \mathcal{M}_{p,n}(\mathbb{R})$$ --- ## 💡 3. Méthodes de calcul & Algorithmes ### Algorithme de calcul de la différentielle 1. **Vérifier le domaine :** Préciser l'ouvert $U$ sur lequel la fonction est définie et étudier la régularité (les fonctions usuelles construites par sommes, produits, quotients de fonctions coordonnées sont de classe $\mathcal{C}^\infty$ sur leur domaine). 2. **Calculer les dérivées partielles :** Pour chaque variable $x_i$, dériver la fonction en considérant les autres variables comme des constantes. 3. **Écrire la différentielle sous forme de forme linéaire :** $$\text{d}f(a) = \sum_{i=1}^{n} \frac{\partial f}{\partial x_i}(a) \, \text{d}x_i$$ où les $\text{d}x_i$ désignent les formes coordonnées de $\mathbb{R}^n$. ### Recherche d'extremums locaux Soit $f : U \to \mathbb{R}$ une fonction de classe $\mathcal{C}^1$ sur un ouvert $U$ de $\mathbb{R}^n$. 1. **Conditions nécessaires d'extremum local :** Si $a \in U$ est un extremum local (maximum ou minimum), alors $a$ est un **point critique** de $f$, c'est-à-dire : $$\text{d}f(a) = 0_{\mathcal{L}(E, \mathbb{R})} \iff \forall i \in \{1, \dots, n\}, \, \frac{\partial f}{\partial x_i}(a) = 0$$ 2. **Étude au voisinage d'un point critique (si $f$ est $\mathcal{C}^2$) :** On introduit la matrice hessienne $H_f(a) \in \mathcal{M}_{n,n}(\mathbb{R})$ définie par $(H_f(a))_{i,j} = \frac{\partial^2 f}{\partial x_i \partial x_j}(a)$. - Si les valeurs propres de $H_f(a)$ sont toutes strictement positives, $f$ présente un **minimum local** strict en $a$. - Si les valeurs propres de $H_f(a)$ sont toutes strictement négatives, $f$ présente un **maximum local** strict en $a$. - Si $H_f(a)$ possède des valeurs propres strictement positives et strictement négatives (et pas de valeur propre nulle), $a$ est un **point selle** (ou point col). --- ## ⚠️ 4. Pièges classiques aux Concours 1. **Confondre continuité, existence des dérivées partielles et différentiabilité :** Une fonction peut admettre des dérivées partielles en un point sans y être continue (donc non différentiable). Pire, une fonction peut admettre des dérivées partielles partout sur un ouvert et **ne pas être continue** en un point. Pour garantir la différentiabilité, le théorème de continuité des dérivées partielles (classe $\mathcal{C}^1$) est suffisant mais non nécessaire. 2. **Oublier de préciser l'ouvert :** La notion de différentiabilité n'a de sens que sur les **ouverts** d'un espace vectoriel normé. Mentionner systématiquement que le domaine d'étude est un ouvert. 3. **Mauvaise manipulation des dimensions dans la règle de chaine :** Lors du calcul de $J_{g \circ f}(a) = J_g(f(a)) J_f(a)$, veillez scrupuleusement à la conformité des dimensions des matrices. Une erreur d'inversion entre lignes et colonnes dans la matrice jacobienne invalide immédiatement tout le calcul ultérieur de physique ou de mathématiques appliquées. 4. **Conclure hâtivement pour les points critiques :** Si la matrice hessienne est non inversible (présence d'au moins une valeur propre nulle), le test de second ordre est inopérant. Il faut alors recourir à l'étude locale directe de la fonction (par exemple, par développement limité ou par minoration/majoration le long de droites ou de paraboles passant par le point critique).