Calcul différentiel — ENS

Exercices corrigés des ENS sur le thème « calcul différentiel », regroupés par filière.

MP–MPI


Exercice 1. (★★★★★) Intégration par parties ; Dérivées partielles ; Inégalités différentielles
Soient {a\lt 2} et {u\in C^3(\mathbb{R}_+^\star\times\mathbb{R})} vérifiant {u(t,0)=u(t,1)=0} et {u_t=u_{xx}+au}.

Montrer, pour {0\leq k\leq3}, que {\int_0^1(\partial_x^ku(t,x))^2dx\to0} lorsque {t\to\infty}.

Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

Exercice 2. (★★★★) Gradient ; Convexité, Optimisation ; Intégration sur un segment
Pour {f\in C^1(\mathbb{R}^n)} et {L>0}, montrer l’équivalence entre : {f} convexe à gradient {L}-lipschitzien ; et {\langle\nabla f(x)-\nabla f(y),x-y\rangle\geq L^{-1}\lVert \nabla f(x)-\nabla f(y)\rVert^2.}
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

Exercice 3. (★★) Différentielle ; Matrice jacobienne ; Applications linéaires
a) Donner le domaine, la continuité et la différentiabilité de {f(x,y)=(\log(x^2+y^2),\arctan(y/x))}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
b) En identifiant {\mathbb{R}^2} à {\mathbb{C}}, montrer que {df_{(x,y)}} est {\mathbb{C}}-linéaire.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

Exercice 4. (★★★★) Convexité, Optimisation ; Inégalité de support ; Gradient
Soit {f:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}} différentiable convexe.
a) Montrer que {\langle\nabla f(y)-\nabla f(x),y-x\rangle\ge0}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
b) Si {\nabla f} est {L}-lipschitzienne, montrer que cette quantité est au moins {L^{-1}\lVert \nabla f(y)-\nabla f(x)\rVert^2}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

Exercice 5. (★★★★) Matrice hessienne ; Suites numériques ; Gradient
Soient {d\in\mathbb{N}^\star} et {f:\mathbb{R}^d\to\mathbb{R}} de classe {C^2}. Soient {L\ge\ell>0}. On suppose qu’en tout point la hessienne de {f} a son spectre inclus dans {[\ell,L]}. Soient {\tau\in]0,2/L[} et une suite {(u_n)} telle que {u_{n+1}=u_n-\tau\nabla f(u_n)}.

Montrer que {(u_n)} converge.

Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

Exercice 6. (★★★★) Changement de coordonnées ; Dérivées partielles ; Périodicité
Soit {f:\mathbb{R}^2\to\mathbb{R}} de classe {C^2}. On dit que {f} est harmonique si {\partial_x^2f+\partial_y^2f=0}, et homogène de degré {\lambda\ge0} si {f(tx,ty)=t^\lambda f(x,y)} pour tous {x,y\in\mathbb{R}} et {t\in\mathbb{R}_+}. Soit {\lambda>0}.

Déterminer les fonctions harmoniques et homogènes de degré {\lambda}.

Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :


PSI


Exercice 1. (★★) Limites ; Prolongement par continuité
Soit {f(0,0)=0} et, pour {(x,y)\ne(0,0)}, {f(x,y)=\frac{x\sin y-y\sin x}{x^2+y^2}.}La fonction est-elle continue sur {\mathbb{R}^2} ?
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

Exercice 2. (★) Limites ; Caractérisation séquentielle
Soit {f(0,0)=0} et, pour {(x,y)\ne(0,0)}, {f(x,y)=\frac{xy}{x^4+y^2}.}La fonction est-elle continue sur {\mathbb{R}^2} ?
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

Exercice 3. (★★★★) Gradient ; Extremums globaux ; Théorème des valeurs intermédiaires
Soit {n\ge1} et {u:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}} de classe {\mathcal C^1} telle que {\frac{|u(x)|}{\lVert x\rVert}\longrightarrow+\infty \quad\text{lorsque }\lVert x\rVert\to\infty.}Pour {r>0}, posons {B_r=\left\{x:\lVert x\rVert\lt r\right\}}. On étudie la surjectivité de {\nabla u}.
1) Le résultat est-il toujours vrai pour {n=1} ?
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
2) Pour {n\ge2}, supposons {\nabla u} non surjectif.

Montrer qu’il existe {c\in\mathbb{R}^n} tel que {f(x)=u(x)-\langle x,c\rangle} vérifie la même croissance et possède un gradient ne s’annulant pas.

Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
3) Pour {a,b\in\mathbb{R}^n\setminus B_r}, construire un chemin continu les reliant dans ce complément et en déduire que {f(\mathbb{R}^n\setminus B_r)} est un intervalle.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
4) Montrer que {f} garde un signe constant hors d’une boule assez grande. Si {f} était majorée sur le complément d’une boule, montrer qu’elle atteindrait un maximum global et obtenir une contradiction.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
5) Montrer que {f(\mathbb{R}^n\setminus B_r)=\mathbb{R}}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
6) En déduire une suite {f(u_j)=0}, {\lVert u_j\rVert\to\infty}, et conclure.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

Exercice 4. (★★★★) gradient ; Règle de la chaîne ; matrice hessienne
Soit {\mathcal Q} l’ensemble des fonctions {C^1} sur {\mathbb{R}^n} telles que {f(\lambda x+(1-\lambda)y)\le\max(f(x),f(y))} pour {0\le\lambda\le1}.
1) En dimension {1}, donner un exemple non affine.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
2) Calculer la dérivée de {g(t)=f(x+th)-f(x)}.

Montrer que {f\in\mathcal Q} équivaut à : {f(y)\le f(x)\Longrightarrow\langle\nabla f(x),y-x\rangle\le0}.

Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
3) Si {f\in C^2}, calculer {g''(0)} et étudier son signe lorsque {\langle\nabla f(x),h\rangle=0} et {f\in\mathcal Q}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

Exercice 5. (★★★★) Différentielle ; minimum global ; orthogonalité
Soit {(E,\langle\cdot,\cdot\rangle)} un espace préhilbertien réel.
a) i) Montrer que la norme est {C^1} sur {E\setminus\left\{0\right\}} et calculer sa différentielle.

ii) Si {H} est un sous-espace et {x\in H} minimise {\lVert x-a\rVert}, montrer que {x-a\in H^\perp}.

Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
b) Pour {\varphi(x)=\lVert x-a\rVert+\lVert x-b\rVert}, calculer la différentielle là où elle existe, trouver ses points critiques puis ses extrema.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
c) Déterminer les extrema de {\rho(x,y)=\sqrt{(1-x)^2+y^2}+\sqrt{x^2+(1-y)^2}}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
d) i) Si {A,B,C} forment un triangle aigu, montrer que {\Psi(M)=AM+BM+CM} a un minimum en un point {O} tel que les trois angles entre {\overrightarrow{OA},\overrightarrow{OB},\overrightarrow{OC}} valent {2\pi/3}.

ii) Que se passe-t-il pour un triangle équilatéral ?

iii) Que conclure dans le cas général ?

Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :


Retour aux planches par thème

Author: Jean-Michel Ferrard

Professeur de mathématiques en classe préparatoire aux grandes écoles.