Calcul différentiel — Centrale-Supélec

Exercices corrigés de Centrale-Supélec sur le thème « calcul différentiel », regroupés par filière.

MP–MPI


Exercice 1. (★★★) différentielle ; gradient ; Groupe symétrique, déterminants
1) Rappeler la différentielle et le gradient d’une fonction {C^1} sur un ouvert euclidien.
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2) Dans {M_n(\mathbb{R})} muni du produit scalaire canonique, montrer {\nabla\det(A)=\operatorname{Com}(A)}.
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3) Donner le coefficient de {X} dans {\chi_A(X)=\det(XI-A)}.
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4) Déterminer l’espace tangent à {SL_n(\mathbb{R})} en {I}.
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Exercice 2. (★★) gradient ; convexité ; matrices symétriques définies positives
Soient {A\in S_n^{++}(\mathbb{R})}, {b\in\mathbb{R}^n} et {J(x)=\tfrac12\langle Ax,x\rangle-\langle b,x\rangle}.

Montrer successivement que {J} est strictement convexe, tend vers {+\infty} quand {\lVert x\rVert\to\infty}, admet un minimum, puis calculer son gradient et ce minimum.

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Exercice 3. (★★★) différentielle ; rang ; matrices antisymétriques
Pour {f(A)=A^{\mathsf T}A} sur {M_n(\mathbb{R})} :
a) montrer {f\in C^1} et calculer sa différentielle ;
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b) donner la dimension de {\ker df(A)} en fonction du rang de {A}.
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Exercice 4. (★★★) Convexité, Optimisation ; gradient ; convergence d’une itération
Soient {A\in S_n^{++}(\mathbb{R})}, {b\in\mathbb{R}^n} et {f(x)=\frac12x^{\mathsf T}Ax-b^{\mathsf T}x}.
a) Montrer {f\in C^1} et calculer son gradient.
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b) Montrer {f(x)\to\infty} lorsque {\lVert x\rVert\to\infty} et que {f} atteint son minimum en un point {\omega}.
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c) Pour {x_{j+1}=x_j-\gamma\nabla f(x_j)}, montrer {x_{j+1}-\omega=(I-\gamma A)(x_j-\omega)}.
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d) Choisir {\gamma>0} pour assurer la convergence pour tout {x_0}, et optimiser sa vitesse.
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Exercice 5. (★★★★) gradient nul ; aires de segments circulaires ; extremums sous contrainte
a) Pour une fonction différentiable ayant un extremum intérieur, rappeler et prouver la valeur du gradient.
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b) Pour {A,B} sur le cercle unité, d’angle au centre {\theta\in[0,\pi]}, exprimer l’aire de la lunule extérieure au disque unité et intérieure au disque de diamètre {[AB]}.
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c) Pour trois points {A,B,C} dont les trois angles au centre successifs appartiennent à {[0,\pi]}, maximiser la somme des aires des trois lunules.
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PSI


Exercice 1. (★★) Tangentes ; Bornes atteintes ; Points critiques
Soit {F:t\mapsto(x(t),y(t))} de classe {C^1}, {2\pi}-périodique, injective sur {[0,2\pi[} et telle que {F'} ne s’annule pas. On note {C} son support.
1) Montrer que {C} est inclus dans un disque centré à l’origine.
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2) Montrer qu’il existe {P,Q\in C} réalisant le diamètre de {C}.

Montrer que les tangentes en {P,Q} sont orthogonales à {(PQ)}.

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Exercice 2. (★★) Maximum global ; Points critiques ; Plans tangents
Soient {D=\left\{(x,y,z)\in\mathbb{R}_+^3:x+y+z=\pi/2\right\},}{f(x,y,z)=\sin x\sin y\sin z} et {g=f_{|D}}.
1) Montrer que {g} atteint un maximum sur {D}.
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2) En paramétrant {D} par ses deux premières variables, déterminer l’ensemble {A} des points où ce maximum est atteint.
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3) Pour {(a,b,c)\in A}, poser {M=g(a,b,c)} et {V=\left\{(x,y,z):f(x,y,z)=M\right\}}.

Montrer que {D} est inclus dans le plan tangent à {V} en {(a,b,c)}.

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Exercice 3. (★★) Fonctions de classe C1 ; Règle de la chaîne ; Dérivées partielles
Soient {\varphi(x,y)=(xy,x+y)} et {V=\left\{(x,y):0\lt x\lt y\right\}}.
1) Montrer que {V} est ouvert et {\varphi(V)=\left\{(p,s)\in(\mathbb{R}_+^\star)^2:s^2>4p\right\}.}Justifier que {\varphi} est de classe {C^1}.

On admet qu’elle est bijective sur son image, de réciproque {C^1}.

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2) Si {f\in C^1(V)} vérifie {x\frac{\partial f}{\partial x}-y\frac{\partial f}{\partial y} =x^2-y^2,}montrer que {g=f\circ\varphi^{-1}} vérifie {\partial g/\partial s=s}.
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3) Montrer que les solutions sont exactement {f(x,y)=\frac12(x+y)^2+K(xy),\qquad K\in C^1(\mathbb{R}_+^\star,\mathbb{R}).}
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Exercice 4. (★★★) Extremums locaux et globaux ; Lignes de niveau ; Gradient
Python. Soit {f(x,y)=(2x^2+3y^2)e^{-(x^2+y^2)}} sur {\mathbb{R}^2}, et {D_R=\left\{(x,y):x^2+y^2\leq R^2\right\}}.
1) Représenter la surface {z=f(x,y)} sur {[-2,2]^2}.
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2) Montrer que {f} admet un minimum et le calculer.
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3) Pour {a>0}, montrer l’existence de {R_a} tel que {f(x,y)\leq a} hors de {D_{R_a}}.
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4) Déterminer le maximum global et les autres extrema locaux.
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5) Pour {c\in\mathbb{R}}, poser {\Gamma_c=\left\{f=c\right\}}.
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6) Tracer ces courbes pour {c\in\left\{0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.75,0.8,0.9\right\}}.
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7) Pour quels {c} la courbe {\Gamma_c} admet-elle une tangente horizontale en dehors de l’axe des ordonnées?
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Exercice 5. (★★) Matrice hessienne ; Minimum global ; Règle de la chaîne
Soit {f\in C^2(\mathbb{R}^n,\mathbb{R})} dont la hessienne a toutes ses valeurs propres dans {[1,\infty[} en chaque point.
1) Pour {x} fixé, poser {\varphi(t)=f(tx)} et exprimer {\varphi''}.
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2) Avec {\psi(t)=f(tx)-\langle\nabla f(0),tx\rangle-t^2\lVert x\rVert^2/2}, établir l’inégalité {f(x)\geq f(0)+\langle\nabla f(0),x\rangle+\lVert x\rVert^2/2}.
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3) En déduire la coercivité et l’existence d’un minimum.
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Exercice 6. (★★) plan tangent ; minimum global ; points critiques
Soit {f(x,y)=1/x+1/y+xy} sur {(\mathbb{R}_+^\star)^2}.
a) Donner le plan tangent à son graphe en {(a,b,c)}.
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b) Montrer qu’elle est minorée et possède un minimum atteint en un point critique à déterminer.
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Exercice 7. (★★) plan tangent ; minimum global ; gradient
Soit {f:(x,y)\in(\mathbb{R}_+^\star)^2\mapsto1/x+1/y+xy}.
1) Soit {S=\left\{(x,y,z):z=f(x,y)\right\}}.

Déterminer le plan tangent à {S} en {(a,b,c)\in S}.

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2) Montrer que {f} est minorée puis qu’elle admet un minimum atteint en un point que l’on déterminera.
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Exercice 8. (★★) plan tangent ; gradient ; Espaces vectoriels normés
On munit {\mathbb{R}^2} de la norme {\lVert (x,y)\rVert_\infty=\max(|x|,|y|)}. On note {B(0,1)=\left\{(x,y):\lVert (x,y)\rVert_\infty\lt 1\right\}} et {\overline B(0,1)=\left\{(x,y):\lVert (x,y)\rVert_\infty\leq1\right\}}.
1) Exprimer ces deux ensembles comme produits de deux ensembles.
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2) Soit {f(x,y)=-(x^2+y^2)^2+\tfrac32(x^2+y^2)}.

Montrer que {f} est de classe {C^1}, calculer son gradient et trouver ses points critiques.

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3) Soit {\widehat S=\left\{(x,y,f(x,y)):(x,y)\in B(0,1)\right\}}.

Déterminer le plan tangent à {\widehat S} et orthogonal au vecteur {(0,-1,1)}.

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Exercice 9. (★★★) maximum global ; points critiques ; minimum global
Soient {a\in]0,1[} et {f(x,y)=(x^2+2axy+y^2)e^{-(x^2+y^2)/2}} sur {\mathbb{R}^2}.
1) Justifier que {f} est de classe {C^2} et trouver ses points critiques.
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2) Montrer que {f} admet en {(0,0)} un extrémum local.

Est-il global ?

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3) Montrer que {f} admet en {(1,1)} un maximum global.
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Exercice 10. (★★) plan tangent ; continuité ; différentiabilité
On définit {K:[0,1]^2\to\mathbb{R}} par {K(x,y)=\begin{cases}x(1-y)&\text{si }x\leq y,\\[4pt]y(1-x)&\text{si }x>y.\end{cases}}
1) Montrer que {K} est continue et bornée.
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2) Soit {z\in\mathbb{R}}.

Trouver l’équation du plan tangent à la surface d’équation {K(x,y)=z}.

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PC


Exercice 1. (★★) Points critiques ; Gradient ; Extremums globaux
(Python) Soit {f(x,y)=x^3-3x(1+y^2)}.
a) Montrer que {f} est {C^1} et calculer son gradient.
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b) Tracer les niveaux entiers {-3\leq h\leq3} sur {[-2,2]^2} et conjecturer les points critiques.
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c) Les déterminer.
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d) Tracer {g(x)=f(1+x,x)} et conjecturer la nature d’un point critique.
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e) Utiliser la symétrie orthogonale par rapport au second axe pour l’autre point.
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f) Montrer que les extrema sur le disque unité sont atteints sur son bord.
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Exercice 2. (★★★★) Gradient ; Différentielle ; Extremums globaux
Sur {M_n(\mathbb{R})} muni de la norme de Frobenius, poser {f(M)=\lVert M\rVert^2}, {g(M)=\det M-1} et {SL_n=\left\{M:\det M=1\right\}}.
a) Montrer que {f,g} sont {C^1} et que {f} atteint son minimum sur {SL_n}.
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b) Calculer {\nabla f}.
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c) Pour un minimiseur {M_0} et {H\in M_n(\mathbb{R})} tel que {\operatorname{tr}(M_0^{-1}H)=0}, construire une courbe {\gamma} dans {SL_n} telle que {\gamma(0)=M_0}, {\gamma'(0)=H}.
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d) Utiliser, pour {M\in SL_n}, {\nabla g(M)=(M^T)^{-1}} pour montrer que les minimiseurs sont exactement les matrices orthogonales directes.
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Exercice 3. (★★★) Règle de la chaîne ; Dérivées partielles ; Premier ordre
Déterminer les {f\in C^2(\mathbb{R}^\star,\mathbb{R})} telles que {\Phi(x,y,z)=f((x^2+y^2)/z^2)} ait un laplacien nul sur {(\mathbb{R}^\star)^3}.
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Exercice 4. (★★) gradient ; extremums locaux et globaux ; endomorphismes positifs et définis positifs
Pour {A\in S_n^{++}(\mathbb{R})}, {b\in\mathbb{R}^n}, poser {f(x)=\frac12\langle Ax,x\rangle-\langle b,x\rangle}.
a) Montrer {f\in C^1} et calculer son gradient.
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b) Montrer l’existence d’un minimum global et donner son point d’atteinte.
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Exercice 5. (★★) conditions au second ordre ; extremums locaux et globaux ; théorème des bornes atteintes
Soit {f} continue sur la boule fermée {\overline B(a,r)} et {C^2} sur la boule ouverte.
a) Si {\Delta f>0} dans la boule, montrer qu’un maximum existe et ne peut être intérieur.
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b) Si {\Delta f\ge0}, montrer que le supremum sur la boule est celui sur sa frontière, en considérant {f_\varepsilon=f+\varepsilon\lVert x-a\rVert^2}.
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Exercice 6. (★★★) extremums locaux et globaux ; points critiques ; théorème des bornes atteintes
Soit {f(x,y)=(x-y)^3+6xy}.
1) Admet-elle des extrema globaux sur {\mathbb{R}^2} ?
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2) Montrer qu’elle admet un minimum et un maximum sur {D=\left\{(x,y):x^2+y^2\leq1\right\}} et les déterminer.
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3) Étudier ses extrema locaux sur {\mathbb{R}^2}.
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Author: Jean-Michel Ferrard

Professeur de mathématiques en classe préparatoire aux grandes écoles.