Ce contrôle de maths spé porte sur le thème suivant : différentielle et règle de la chaîne.
Ce devoir surveillé de deux heures et demie porte sur le calcul différentiel dans les espaces normés de dimension finie. La question de cours relie la différentielle aux dérivées selon un vecteur, puis montre sur un exemple qu’une fonction peut avoir toutes ses dérivées directionnelles sans être différentiable.
Vous calculerez ensuite les différentielles de M², du déterminant et de l’inverse, puis des gradients pour le produit scalaire de la trace. Un exercice applique la règle de la chaîne en coordonnées polaires. Le problème final caractérise les fonctions de différentielle nulle sur un ouvert connexe par arcs et détermine des tangentes et un plan tangent.
- Niveau : maths spé (MP)
- Chapitre : Calcul différentiel dans les espaces normés
- Durée conseillée : 2 h 30
- Barème : sur 20 points (exercice 1 : 4 points ; exercice 2 : 5 points ; exercice 3 : 3 points ; exercice 4 : 3 points ; exercice 5 : 5 points)
- Compétences évaluées :
- Raisonner : relier différentielle, dérivées selon un vecteur et dérivées partielles, et construire un contre-exemple
- Calculer : différentier des applications matricielles (carré, déterminant, inverse) et en déduire des gradients
- Chercher : appliquer la règle de la chaîne à un changement de variables en coordonnées polaires
- Représenter : déterminer une tangente ou un plan tangent comme noyau d’une différentielle
Exercice 1 : Question de cours (4 points)
Calculatrice interdite.
Dans tout le sujet, \(E\) et \(F\) sont des espaces vectoriels normés de dimension finie, et \(U\) est un ouvert non vide de \(E\).
- Donnez la définition de la différentiabilité en \(a \in U\) d’une application \(f : U \to F\). Démontrez que si \(f\) est différentiable en \(a\), alors \(f\) admet en \(a\) une dérivée selon tout vecteur \(v\), égale à \(df(a)(v)\). Déduisez-en, lorsque \(E = \mathbb{R}^n\), l’expression de \(df(a)(h)\) à l’aide des dérivées partielles. (2 points)
- Soit \(f : \mathbb{R}^2 \to \mathbb{R}\) définie par \(f(x, y) = \dfrac{x^2 y}{x^2 + y^2}\) si \((x, y) \neq (0, 0)\) et \(f(0, 0) = 0\). Montrez que \(f\) est continue en \((0, 0)\) et admet en ce point une dérivée selon tout vecteur, mais qu’elle n’y est pas différentiable. (2 points)
Exercice 2 : Différentielles d’applications matricielles (5 points)
On munit \(\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\) d’une norme sous-multiplicative \(\|\cdot\|\) (telle que \(\|AB\| \leq\, \|A\|\, \|B\|\)).
- Montrez que \(f : M \mapsto M^2\) est différentiable sur \(\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\) et donnez \(df(M)(H)\). (1 point)
- Justifiez que \(\det\) est de classe \(\mathcal{C}^1\) sur \(\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\). En développant \(\det M\) selon la \(i\)-ème ligne, calculez \(\dfrac{\partial \det}{\partial m_{ij}}(M)\) et montrez que \(d\det(M)(H) = \operatorname{tr}({^t\operatorname{Com}(M)\, H)\). Précisez \(d\det(I_n)(H)\) et, pour \(M\) inversible, \(d\det(M)(H)\) à l’aide de \(M^{-1}\). (2 points)
- Justifiez que \(GL_n(\mathbb{R})\) est ouvert. Pour \(M \in GL_n(\mathbb{R})\) et \(H\) assez petite, établissez l’égalité \((M + H)^{-1} = M^{-1} – M^{-1} H M^{-1} + M^{-1} H M^{-1} H (M + H)^{-1}\), puis montrez que \(\operatorname{inv} : M \mapsto M^{-1}\) est différentiable en \(M\) avec \(d\operatorname{inv}(M)(H) = -M^{-1} H M^{-1}\). (2 points)
Exercice 3 : Gradients (3 points)
On munit \(\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\) du produit scalaire \(\langle A, B \rangle = \operatorname{tr}({^t A B)\), et \(\mathbb{R}^n\) de son produit scalaire canonique.
- Déterminez le gradient en \(M\) de \(\varphi : M \mapsto \operatorname{tr}(M^2)\). (1 point)
- Déterminez le gradient en \(M\) de \(\det\), à l’aide de l’exercice 2. (1 point)
- Déterminez le gradient en \(x \neq 0\) de \(N : x \mapsto \|x\|\) sur \(\mathbb{R}^n \setminus \{0\}\). (1 point)
Exercice 4 : Règle de la chaîne en coordonnées polaires (3 points)
Soit \(U = \{(x, y) \in \mathbb{R}^2 : x > 0\}\), \(V = ]0, +\infty[ \times ]-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}[\) et \(\Phi : (r, \theta) \mapsto (r\cos\theta, r\sin\theta)\). On admet que \(\Phi\) est une bijection de \(V\) sur \(U\), de réciproque \((x, y) \mapsto (\sqrt{x^2 + y^2}, \arctan\dfrac{y}{x})\), et que \(\Phi\) et sa réciproque sont de classe \(\mathcal{C}^1\). Pour \(f\) de classe \(\mathcal{C}^1\) sur \(U\), on pose \(g = f \circ \Phi\).
- Exprimez \(\dfrac{\partial g}{\partial r}\) et \(\dfrac{\partial g}{\partial \theta}\) à l’aide des dérivées partielles de \(f\). (1 point)
- Montrez que \(x \dfrac{\partial f}{\partial x}(x, y) + y \dfrac{\partial f}{\partial y}(x, y) = r \dfrac{\partial g}{\partial r}(r, \theta)\) lorsque \((x, y) = \Phi(r, \theta)\). (0,5 point)
- Déterminez toutes les fonctions \(f\) de classe \(\mathcal{C}^1\) sur \(U\) telles que \(x \dfrac{\partial f}{\partial x} + y \dfrac{\partial f}{\partial y} = 0\) sur \(U\). (1,5 point)
Exercice 5 : Problème : fonctions constantes et espace tangent (5 points)
Soit \(f : U \to F\) différentiable sur l’ouvert \(U\).
- Soit \(a, b \in U\) tels que le segment \([a, b]\) soit inclus dans \(U\). Montrez que \(\varphi : t \mapsto f(a + t(b – a))\) est dérivable sur \([0, 1]\) et calculez \(\varphi^{\prime}(t)\). Déduisez-en que si \(df = 0\) sur une boule ouverte incluse dans \(U\), alors \(f\) est constante sur cette boule. (1 point)
- On suppose \(U\) connexe par arcs et \(df(x) = 0\) pour tout \(x \in U\). Soit \(a, x \in U\) et \(\gamma : [0, 1] \to U\) continue avec \(\gamma(0) = a\), \(\gamma(1) = x\). En considérant \(s = \sup\{t \in [0, 1] : f(\gamma(t)) = f(a)\}\), montrez que \(f(x) = f(a)\). (1,5 point)
- Montrez par un exemple que le résultat de b tombe en défaut si \(U\) n’est pas connexe par arcs. (0,5 point)
- Soit \(\mathcal{C} = \{(x, y) \in \mathbb{R}^2 : x^2 + xy + y^2 = 3\}\). Vérifiez que \((1, 1)\) et \((2, -1)\) appartiennent à \(\mathcal{C}\), puis déterminez la tangente à \(\mathcal{C}\) en chacun de ces points comme noyau d’une différentielle. (1 point)
- Déterminez une équation du plan tangent en \((1, 1, 1)\) à la surface \(\Sigma\) d’équation \(x^2 + y^2 – z^2 = 1\). (1 point)
Réviser avant le contrôle : différentielle et règle de la chaîne
Avant de faire ce contrôle, relisez le cours « Calcul différentiel » en maths spé puis entraînez-vous avec les exercices corrigés calcul différentiel.
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