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MP2I · Maths · semaine 41

Fonctions de deux variables

Continuité, dérivées partielles, gradient, différentielle, règle de la chaîne, extrema d'une fonction de deux variables.

Sommaire

Le cours

Résumé en cinq points

  1. Tout se passe sur un ouvert, c'est-à-dire un ensemble où chaque point dispose d'un petit disque autour de lui.
  2. Une dérivée partielle se calcule en figeant l'autre variable, mais leur existence seule ne garantit même pas la continuité. La bonne classe est C1C^1, définie par la continuité des dérivées partielles.
  3. Pour ff de classe C1C^1, l'accroissement s'approche par le produit scalaire du gradient avec le déplacement, ce qui donne le plan tangent.
  4. La règle de la chaîne dérive une composée le long d'un arc, et montre que le gradient est orthogonal aux lignes de niveau.
  5. Sur un ouvert, un extremum local est un point critique, mais un point critique peut être un point selle, et les critères d'ordre deux sont hors programme.
Pourquoi ce chapitre

Presque toutes les grandeurs physiques dépendent de plusieurs paramètres : une température dépend de deux coordonnées d'espace, une énergie dépend d'une position et d'une vitesse. Il faut donc savoir dériver par rapport à chaque variable, et savoir dériver une composée, ce que fait la règle de la chaîne. C'est l'outil de base des changements de variables en physique et en mathématiques.

Le chapitre installe aussi :

  • le gradient, vecteur qui rassemble les dérivées partielles, pointe dans la direction de plus forte croissance et est orthogonal aux lignes de niveau ;
  • la condition nécessaire d'extremum sur un ouvert, le point critique, analogue exact du cas d'une variable.

Tout sera repris et généralisé en deuxième année.

1Ouverts de KXF0FXK

1.1Norme et boules

On munit R2\R^2 de la norme euclidienne canonique.

Définition 1.1Norme et distance

Pour un point u=(x,y)u = (x, y), la norme de uu est ∥u∥=x2+y2\norm{u} = \sqrt{x^2 + y^2}. La distance entre deux points est la norme de leur différence : c'est la distance usuelle du plan.

Définition 1.2Boules

La boule ouverte de centre aa et de rayon r>0r > 0 est l'ensemble des points uu tels que ∥u−a∥<r\norm{u - a} < r. C'est un disque sans son bord. La boule fermée est définie avec l'inégalité large ∥u−a∥⩽r\norm{u - a} \leqslant r : c'est le disque avec son bord.

1.2Ouverts

Définition 1.3Ouvert

Une partie UU de R2\R^2 est un ouvert si, pour tout point aa de UU, il existe r>0r > 0 tel que la boule ouverte de centre aa et de rayon rr soit contenue dans UU.

Autrement dit, on peut se déplacer un peu dans toutes les directions à partir de n'importe quel point sans sortir de UU.

Exemple 1.4Ouverts

  • R2\R^2 tout entier et l'ensemble vide sont des ouverts.
  • Toute boule ouverte est un ouvert.
  • Un demi-plan défini par une inégalité stricte, comme x>0x > 0, est un ouvert.
  • L'ensemble des points où une fonction continue est strictement positive est un ouvert.

Exemple 1.5Contre-exemples

Une boule fermée n'est pas un ouvert : un point du bord n'admet aucune boule contenue dedans. Un segment, un cercle, une droite ne sont pas des ouverts de R2\R^2.

Toute la suite est écrite sur un ouvert, car c'est la condition qui permet de faire varier chaque variable librement autour d'un point, donc de dériver.

Attention

Sur un domaine avec bord, les résultats d'extremum de la section « Extremums » ne s'appliquent pas au bord.

1.3Continuité

Définition 1.6Continuité

Soit ff définie sur un ouvert UU de R2\R^2, à valeurs dans R\R. Elle est continue en un point aa de UU si f(u)f(u) tend vers f(a)f(a) quand uu tend vers aa, la proximité étant mesurée par la norme euclidienne. Elle est continue sur UU si elle l'est en tout point.

Les fonctions construites à partir des coordonnées par sommes, produits, quotients à dénominateur non nul et composition avec des fonctions usuelles continues sont continues. Cela suffit en pratique : l'étude fine de la continuité n'est pas un objectif du programme, elle est introduite uniquement en vue du calcul différentiel.

Définition 1.7Graphe et ligne de niveau

Le graphe d'une fonction de deux variables est la surface d'équation z=f(x,y)z = f(x, y) dans l'espace. Une ligne de niveau est l'ensemble des points où ff prend une valeur donnée, analogue des courbes de niveau d'une carte topographique.

2Dérivées partielles

2.1Définition

Définition 2.1Dérivées partielles

Soit ff définie sur un ouvert UU et a=(x0,y0)a = (x_0, y_0) un point de UU. La dérivée partielle de ff par rapport à xx en aa est, quand elle existe, la dérivée en x0x_0 de la fonction d'une variable x↦f(x,y0)x \mapsto f(x, y_0). On la note ∂f∂x(x0,y0)\dfrac{\partial f}{\partial x}(x_0, y_0). De même pour ∂f∂y\dfrac{\partial f}{\partial y}, en figeant xx.

En pratique, on dérive par rapport à une variable en traitant l'autre comme une constante.

Exemple 2.2

Pour f(x,y)=x2y+sin⁡(x+y)f(x, y) = x^2 y + \sin(x + y) : ∂f∂x=2xy+cos⁡(x+y),∂f∂y=x2+cos⁡(x+y).\begin{aligned} \frac{\partial f}{\partial x} &= 2xy + \cos(x + y),\\ \frac{\partial f}{\partial y} &= x^2 + \cos(x + y). \end{aligned}

Attention

L'existence des deux dérivées partielles en un point n'entraîne pas la continuité en ce point. Les dérivées partielles ne regardent que deux directions, les axes, et ne disent rien du comportement le long des autres directions. Ce décalage avec le cas d'une variable est explicitement mentionné par le programme.

2.2Fonctions de classe C1C^1

Définition 2.3Classe C1C^1

Une fonction ff est de classe C1C^1 sur un ouvert UU si ses deux dérivées partielles existent en tout point de UU et sont continues sur UU.

C'est cette définition, et non la différentiabilité, qui est au programme.

Propriété 2.4Continuité des fonctions C1C^1

Toute fonction de classe C1C^1 sur un ouvert est continue sur cet ouvert.

Cela règle le problème du piège précédent. Les fonctions polynomiales en deux variables, les fractions rationnelles sur leur domaine, et toutes les compositions usuelles sont de classe C1C^1.

Remarque

Les dérivées partielles d'ordre deux ne sont pas au programme de PCSI, et le théorème de Schwarz non plus. Ils seront vus en deuxième année.

2.3Développement limité à l'ordre 1

Théorème 2.5Développement limité à l'ordre 1

Hypothèses

  • ff est de classe C1C^1 sur un ouvert UU ;
  • (x0,y0)(x_0, y_0) appartient à UU.

Alors, quand (h,k)→(0,0)(h, k) \to (0, 0) : f(x0+h,y0+k)=f(x0,y0)+h ∂f∂x(x0,y0)+k ∂f∂y(x0,y0)+o(∥(h,k)∥).\begin{aligned} f(x_0 + h, y_0 + k) &= f(x_0, y_0)\\ &\quad + h\,\frac{\partial f}{\partial x}(x_0, y_0)\\ &\quad + k\,\frac{\partial f}{\partial y}(x_0, y_0)\\ &\quad + o(\norm{(h, k)}). \end{aligned} Démonstration hors programme.

C'est l'approximation affine de ff au voisinage du point. La partie linéaire en (h,k)(h, k) est la meilleure approximation linéaire de l'accroissement f(x0+h,y0+k)−f(x0,y0)f(x_0 + h, y_0 + k) - f(x_0, y_0).

Propriété 2.6Plan tangent

Avec z0=f(x0,y0)z_0 = f(x_0, y_0), la surface d'équation z=f(x,y)z = f(x, y) admet au point considéré un plan tangent, d'équation z−z0=∂f∂x(x0,y0)(x−x0)+∂f∂y(x0,y0)(y−y0).\begin{aligned} z - z_0 &= \frac{\partial f}{\partial x}(x_0, y_0)(x - x_0)\\ &\quad + \frac{\partial f}{\partial y}(x_0, y_0)(y - y_0). \end{aligned}

2.4Gradient

Définition 2.7Gradient

Le gradient de ff en (x0,y0)(x_0, y_0), noté ∇f(x0,y0)\nabla f(x_0, y_0), est le vecteur de R2\R^2 dont les composantes sont les deux dérivées partielles en ce point.

Avec cette notation, le développement limité s'écrit, où ⟨⋅,⋅⟩\langle\cdot,\cdot\rangle est le produit scalaire canonique de R2\R^2 : f(x0+h,y0+k)=f(x0,y0)+⟨∇f(x0,y0),(h,k)⟩+o(∥(h,k)∥).\begin{aligned} f(x_0 + h, y_0 + k) &= f(x_0, y_0)\\ &\quad + \langle \nabla f(x_0, y_0), (h, k)\rangle\\ &\quad + o(\norm{(h, k)}). \end{aligned}

Le gradient indique la direction dans laquelle ff croît le plus vite, et sa norme donne le taux de croissance dans cette direction. Cela se voit sur le produit scalaire, maximal à norme fixée quand le vecteur est colinéaire et de même sens que le gradient, par le cas d'égalité de Cauchy-Schwarz.

Exemple 2.8

Pour f(x,y)=x2+y2f(x, y) = x^2 + y^2, le gradient en (x,y)(x, y) est (2x,2y)(2x, 2y), soit deux fois le vecteur position. Il pointe vers l'extérieur, ce qui est cohérent : la fonction croît quand on s'éloigne de l'origine. En l'origine, le gradient est nul.

3Dérivée selon un vecteur et règle de la chaîne

3.1Dérivée selon un vecteur

Définition 3.1Dérivée selon un vecteur

Soit ff de classe C1C^1 sur un ouvert, aa un point de cet ouvert et uu un vecteur de R2\R^2. La dérivée de ff en aa selon uu est la dérivée en 00 de la fonction t↦f(a+tu)t \mapsto f(a + tu), bien définie pour tt assez petit puisque l'ouvert contient une boule autour de aa.

Théorème 3.2Dérivée selon un vecteur

Cette dérivée vaut ⟨∇f(a),u⟩\langle \nabla f(a), u\rangle.

En prenant pour uu les vecteurs de la base canonique, on retrouve les deux dérivées partielles : c'est une généralisation.

3.2Règle de la chaîne, cas d'un arc

Théorème 3.3Règle de la chaîne

Hypothèses

  • xx et yy sont deux fonctions de classe C1C^1 de tt, à valeurs réelles ;
  • ff est de classe C1C^1 sur un ouvert contenant les points (x(t),y(t))(x(t), y(t)).

Alors t↦f(x(t),y(t))t \mapsto f(x(t), y(t)) est de classe C1C^1 et ddtf(x(t),y(t))=∂f∂x(x(t),y(t)) x′(t)+∂f∂y(x(t),y(t)) y′(t).\begin{aligned} \frac{\dd}{\dd t} f(x(t), y(t)) &= \frac{\partial f}{\partial x}(x(t), y(t))\,x'(t)\\ &\quad + \frac{\partial f}{\partial y}(x(t), y(t))\,y'(t). \end{aligned}

Avec le gradient : si γ\gamma est l'arc défini par γ(t)=(x(t),y(t))\gamma(t) = (x(t), y(t)), de vecteur dérivé γ′(t)=(x′(t),y′(t))\gamma'(t) = (x'(t), y'(t)), alors (f∘γ)′(t)=⟨∇f(γ(t)),γ′(t)⟩.(f \circ \gamma)'(t) = \langle \nabla f(\gamma(t)), \gamma'(t)\rangle. On l'interprète comme la dérivée de ff le long de l'arc.

Propriété 3.4Gradient et lignes de niveau

Le gradient de ff est orthogonal aux lignes de niveau de ff.

Démonstration

Si γ\gamma est un arc tracé sur une ligne de niveau, alors f∘γf \circ \gamma est constante, donc sa dérivée est nulle. Ainsi le gradient est orthogonal au vecteur tangent.

La direction de plus forte croissance est perpendiculaire aux directions où rien ne varie.

3.3Règle de la chaîne, cas de deux variables

Théorème 3.5Règle de la chaîne à deux variables

Sous les hypothèses appropriées de classe C1C^1, si φ\varphi et ψ\psi sont deux fonctions de deux variables, la fonction (u,v)↦f(φ(u,v),ψ(u,v))(u, v) \mapsto f(\varphi(u, v), \psi(u, v)) admet des dérivées partielles données par la même règle : ∂∂u=∂f∂x ∂φ∂u+∂f∂y ∂ψ∂u,\begin{aligned} \frac{\partial}{\partial u} &= \frac{\partial f}{\partial x}\,\frac{\partial \varphi}{\partial u}\\ &\quad + \frac{\partial f}{\partial y}\,\frac{\partial \psi}{\partial u}, \end{aligned} où les dérivées de ff sont évaluées au point image. Formule analogue pour vv.

Exemple 3.6Coordonnées polaires

On pose x=rcos⁡θx = r\cos\theta, y=rsin⁡θy = r\sin\theta et g(r,θ)=f(rcos⁡θ,rsin⁡θ)g(r, \theta) = f(r\cos\theta, r\sin\theta). Alors ∂g∂r=cos⁡θ ∂f∂x+sin⁡θ ∂f∂y,∂g∂θ=−rsin⁡θ ∂f∂x+rcos⁡θ ∂f∂y.\begin{aligned} \frac{\partial g}{\partial r} &= \cos\theta\,\frac{\partial f}{\partial x} + \sin\theta\,\frac{\partial f}{\partial y},\\ \frac{\partial g}{\partial \theta} &= -r\sin\theta\,\frac{\partial f}{\partial x}\\ &\quad + r\cos\theta\,\frac{\partial f}{\partial y}. \end{aligned} Ces deux formules sont le point de départ de tous les exercices de changement de variables.

Attention

Quand on change de variables, il faut distinguer la fonction ff et la fonction composée gg, et préciser en quel point chaque dérivée partielle est évaluée. Écrire les deux fonctions avec la même lettre est la source d'erreur numéro un.

Exemple 3.7Application type

Chercher les fonctions ff de classe C1C^1 telles que ∂f∂x=∂f∂y\dfrac{\partial f}{\partial x} = \dfrac{\partial f}{\partial y}. On pose u=x+yu = x + y et v=x−yv = x - y, on exprime les dérivées partielles de la composée, et l'équation devient une condition sur une seule variable, que l'on intègre.

4Extremums

4.1Définitions

Définition 4.1Extremums

Soit ff définie sur une partie AA de R2\R^2 et aa un point de AA. La fonction ff admet en aa :

  • un maximum global sur AA si f(u)⩽f(a)f(u) \leqslant f(a) pour tout uu de AA ;
  • un maximum local s'il existe une boule ouverte centrée en aa sur laquelle cette inégalité est vraie.

Définitions analogues pour les minimums. Un extremum est un maximum ou un minimum.

Global entraîne local, la réciproque est fausse.

4.2Points critiques

Définition 4.2Point critique

Un point critique de ff, fonction de classe C1C^1 sur un ouvert, est un point où le gradient est nul, c'est-à-dire où les deux dérivées partielles s'annulent simultanément.

Théorème 4.3Condition nécessaire d'extremum

Hypothèses

  • ff est de classe C1C^1 sur un ouvert UU ;
  • ff admet un extremum local en un point aa de UU.

Alors aa est un point critique de ff.

Démonstration

Les fonctions partielles x↦f(x,y0)x \mapsto f(x, y_0) et y↦f(x0,y)y \mapsto f(x_0, y) sont dérivables et admettent un extremum local en un point intérieur à leur intervalle de définition, puisque UU est ouvert. Leur dérivée y est donc nulle, ce qui est exactement l'annulation des deux dérivées partielles.

Attention

Deux hypothèses sont cruciales. L'ouvert : sinon un extremum peut être atteint au bord sans que le gradient s'annule, comme pour f(x,y)=xf(x, y) = x sur le disque fermé. Et le caractère C1C^1, qui donne l'existence des dérivées partielles.

4.3La réciproque est fausse

Un point critique n'est pas nécessairement un extremum.

Exemple 4.4Point selle

Pour f(x,y)=x2−y2f(x, y) = x^2 - y^2, le gradient est (2x,−2y)(2x, -2y), qui s'annule seulement en l'origine. Pourtant ff vaut x2>0x^2 > 0 sur l'axe des abscisses et −y2<0-y^2 < 0 sur l'axe des ordonnées, arbitrairement près de l'origine. Il n'y a donc ni maximum ni minimum. On parle de point selle, ou point col, la surface ayant la forme d'une selle de cheval.

Les critères d'ordre deux ne sont pas au programme de PCSI. On étudie donc le signe de f(a+h)−f(a)f(a + h) - f(a) à la main, par factorisation, par une inégalité, ou en se restreignant à des directions bien choisies pour prouver qu'il n'y a pas d'extremum.

Exemple 4.5

Pour f(x,y)=x2+y2−2xf(x, y) = x^2 + y^2 - 2x, le gradient est (2x−2,2y)(2x - 2, 2y) et le seul point critique est (1,0)(1, 0). On écrit f(x,y)=(x−1)2+y2−1,f(x, y) = (x - 1)^2 + y^2 - 1, qui est toujours supérieur ou égal à −1-1, avec égalité seulement en (1,0)(1, 0). C'est donc un minimum global.

Méthodes

MéthodeCalculer une dérivée partielle

  1. Figer l'autre variable.
  2. Dériver comme en première année.
  3. Vérifier que le domaine est bien un ouvert.

MéthodeObtenir un plan tangent

  1. Calculer le gradient au point.
  2. Écrire l'équation affine du plan tangent.

MéthodeChanger de variables

  1. Écrire explicitement la composée.
  2. Appliquer la règle de la chaîne terme à terme.
  3. Garder trace des points d'évaluation.

MéthodeDirection de plus forte pente et ligne de niveau

  1. Calculer le gradient : il donne la direction de plus forte pente.
  2. Pour une ligne de niveau, se rappeler que le gradient lui est orthogonal, ce qui donne aussi la tangente à la ligne de niveau.

MéthodeChercher des extremums sur un ouvert

  1. Résoudre le système des deux dérivées partielles nulles.
  2. Étudier chaque point critique séparément, par l'étude directe du signe de l'accroissement.

MéthodeExtremums sur un domaine fermé borné

  1. Traiter l'intérieur par les points critiques.
  2. Traiter le bord séparément, souvent par paramétrage, ce qui ramène à une fonction d'une variable.

Ce qu'il faut savoir refaire en khôlle

  1. Définir une boule ouverte et un ouvert de R2\R^2, et décider si un ensemble donné est ouvert.
  2. Calculer les dérivées partielles et le gradient d'une fonction explicite, et donner l'équation du plan tangent.
  3. Énoncer le développement limité à l'ordre 1 d'une fonction de classe C1C^1, avec le reste en o(∥(h,k)∥)o(\norm{(h, k)}).
  4. Expliquer pourquoi l'existence des dérivées partielles n'entraîne pas la continuité.
  5. Démontrer que la dérivée selon un vecteur est le produit scalaire du gradient par ce vecteur.
  6. Appliquer la règle de la chaîne à un arc, et en déduire que le gradient est orthogonal aux lignes de niveau.
  7. Effectuer le passage en coordonnées polaires et exprimer les dérivées partielles de la fonction composée.
  8. Démontrer que tout extremum local sur un ouvert est un point critique, et donner un point critique qui n'est pas un extremum.

Fiche de cours rédigée à partir du programme officiel de PCSI (2021), deuxième semestre, section « Fonctions de deux variables ». Le point de vue du programme est essentiellement pratique, l'objectif étant de manier les dérivées partielles et la règle de la chaîne, et de développer une vision géométrique. Toute extension théorique est hors programme, en particulier la notion de fonction différentiable.