Calcul différentiel — Mines-Ponts

Exercices corrigés des Mines-Ponts sur le thème « calcul différentiel », regroupés par filière.

MP–MPI


Exercice 1. (★★) changement de coordonnées ; règle de la chaîne ; dérivées partielles
Pour {(a,b)\ne(0,0)}, déterminer les fonctions {C^1} sur {\mathbb{R}^2} vérifiant {a\partial_1f+b\partial_2f=0}.
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Exercice 2. (★★★) changement de coordonnées ; règle de la chaîne ; dérivées partielles
Montrer que les solutions {C^1} sur {\mathbb{R}^2} de {2xyf_x+(1+y^2)f_y=0} sont exactement {f(x,y)=g(x/(1+y^2))}, {g\in C^1(\mathbb{R})}.
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Exercice 3. (★★★) dérivées partielles ; règle de la chaîne ; changement de coordonnées
Résoudre sur {\mathbb{R}_+^\star\times\mathbb{R}} l’équation {xf_x+yf_y=2xy}.
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Exercice 4. (★★★) minimum global ; gradient ; bornes atteintes
Calculer le gradient de {x\mapsto\langle a,x\rangle}.

Montrer qu’une fonction continue {f:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}} tendant vers {+\infty} à l’infini atteint son minimum.

Si {f} est {C^1} et {f(x)/\lVert x\rVert\to+\infty}, montrer que {\nabla f} est surjective.

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Exercice 5. (★★★) différentielle du déterminant ; exponentielle de matrice ; espaces tangents
Déterminer l’espace tangent à {SL_n(\mathbb{R})} en {I_n}, puis en tout point.
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Exercice 6. (★★★★) différentielle ; règle de la chaîne ; suites adjacentes
Soit {I} un intervalle ouvert et {f\in C^1(I^2,I)} symétrique, avec {f(x,x)=x}.
1) Calculer ses dérivées partielles et sa différentielle sur la diagonale.
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2) Soit {S\subset I} un segment tel que {|f_x-f_y|\leq1} sur {S^2}. Pour {x\leq y} dans {S}, poser {\varphi(t)=f(t,x+y-t)}.

Montrer {|\varphi(x)-\varphi((x+y)/2)|\leq(y-x)/2}.

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3) En déduire {f(S^2)\subset S}.
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4) Si {g} a les mêmes propriétés, montrer que toute suite {u_{n+1}=(f(u_n),g(u_n))}, {u_0\in S^2}, converge.
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Exercice 7. (★★) différentiabilité ; dérivées partielles ; continuité
Étudier la différentiabilité de {f(x,y)=xy^2/(x^2+y^2)} hors de l’origine, {f(0,0)=0}.
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Exercice 8. (★★★) dérivées partielles ; points critiques ; matrice hessienne
Poser {f(0,0)=1} et {f(x,y)=(x^2+y^2)^x} ailleurs.

Étudier continuité, régularité hors de l’origine, dérivées partielles en l’origine, variations de {g(x)=f(x,0)} et extrema de {f}.

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Exercice 9. (★★★) règle de la chaîne ; homogénéité ; gradient
Pour {f\in C^1(\mathbb{R}^3)} et {\alpha\in\mathbb{R}}, montrer que {f(tx,ty,tz)=t^\alpha f(x,y,z)} pour {t>0} équivaut à {xf_x+yf_y+zf_z=\alpha f}.
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Exercice 10. (★★★) dérivées partielles ; règle de la chaîne ; primitives
Résoudre {f_{xx}-3f_{xy}+2f_{yy}=0}. Indication : {(u,v)=(x+y,2x+y)}.
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Exercice 11. (★★★) formes linéaires ; Espaces vectoriels et applications linéaires ; différentielle
Pour {f\in C^1(\mathbb{R}^n)}, montrer {f(x)=f(0)+\sum\limits_i x_i\int_0^1\partial_if(tx)dt}. Sur {E=C^\infty(\mathbb{R}^n)}, soit {D} l’espace des formes linéaires {\varphi} telles que {\varphi(fg)=f(0)\varphi(g)+g(0)\varphi(f)}.

Montrer la liberté des évaluations {\varphi_i(f)=\partial_if(0)} et la dimension finie de {D}.

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Exercice 12. (★★★★) différentielle ; rang ; intégrité
Pour {x,y\in\mathbb{R}^{n+1}}, on pose {f(x,y)=(\sum\limits_{i+j=k}x_iy_j)_{0\leq k\leq2n}}.
1) Montrer que {f(x,y)\ne0} si {x,y\ne0}.

2) Calculer les différentielles de {u(x)=f(x,x)} et {v(x)=f(x,x)/\lVert f(x,x)\rVert}, pour {x\ne0}.

3) Calculer le rang de {dv(x)}.

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Exercice 13. (★★) continuité ; dérivées partielles ; différentielle
Poser {f(0,0)=0} et {f(x,y)=x^3y/(x^4+y^2)} ailleurs.

Étudier sa continuité et sa différentiabilité.

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Exercice 14. (★★) règle de la chaîne ; dérivées partielles ; premier ordre
Soient {f\in C^2(\mathbb{R}_+^\star,\mathbb{R})} et {g(x,y)=f((x^2+y^2)/2)} sur {(\mathbb{R}_+^\star)^2}.

Déterminer les {f} tels que {\partial_{xx}g+\partial_{yy}g=0}.

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Exercice 15. (★★) matrice jacobienne ; normes subordonnées ; accroissements finis
Sur {\mathbb{R}^2} euclidien, poser {f(x,y)=(\tfrac12\sin(x+y),\tfrac12\cos(x-y))}.
1) Calculer sa différentielle.

2) Montrer que {\lVert df(x,y)\rVert_{\mathrm{op}}\le1/\sqrt2}.

3) En déduire qu’elle possède au plus un point fixe.

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Exercice 16. (★★) accroissements finis ; dérivées partielles ; règle de la chaîne
1) Soient {U\subset\mathbb{R}^n} ouvert et {f:U\to\mathbb{R}} différentiable.

Pour {a\ne b} avec {[a,b]\subset U}, montrer qu’il existe {c\in]a,b[} tel que {f(b)-f(a)=df_c(b-a)}.

2) Pour connaître {\sqrt2/(e+\pi^3)} à la précision {10^{-20}}, avec quelle précision suffit-il de connaître {\sqrt2,e,\pi} ?

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Exercice 17. (★★★) différentielle ; produit scalaire ; rotations et réflexions
Pour {x\in\mathbb{R}^n\setminus\left\{0\right\}}, soit {f(x)} positivement colinéaire à {x} et tel que {\lVert x\rVert\lVert f(x)\rVert=1}.
1) Calculer sa différentielle.

2) L’interpréter à l’aide de la réflexion d’hyperplan {x^\perp}.

3) Montrer qu’elle conserve les angles.

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Exercice 18. (★★) règle de la chaîne ; dérivation et composition ; différentielle
Soient {\lambda\in\mathbb{R}} et {f\in C^1(\mathbb{R}^n\setminus\left\{0\right\},\mathbb{R})}.

Montrer l’équivalence entre {f(tx)=t^\lambda f(x)} pour {t>0}, et {\sum\limits_{i=1}^nx_i\partial_if(x)=\lambda f(x)} pour {x\ne0}.

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Exercice 19. (★★★) Gradient ; Dérivées directionnelles ; Lignes de niveau
Soient {f\in C^1(\mathbb{R}^2,\mathbb{R})}, {a\in\mathbb{R}^2} et {\gamma} un arc {C^1} tel que {\gamma(0)=a} et {\lVert \gamma'(t)\rVert=1}.

Poser {C_\lambda=f^{-1}(\left\{\lambda\right\})}.

1) Montrer que {\nabla f(a)} donne la direction de plus grande pente.

2) Si {\gamma'(0)\in\mathbb{R}_+\nabla f(a)}, montrer que pour {\lambda} proche de {\alpha=f(a)}, il existe un unique {t_\lambda} voisin de {0} avec {\gamma(t_\lambda)\in C_\lambda}.

Donner un équivalent de {\lVert \gamma(t_\lambda)-a\rVert}.

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Exercice 20. (★★★★) théorème de Schwarz ; matrice jacobienne ; bases orthonormées
Soit {f=(f_1,\ldots,f_n)\in C^2(\mathbb{R}^n,\mathbb{R}^n)}. Considérer (i) {\lVert df_x(h)\rVert=\lVert h\rVert} pour tous {x,h}, et (ii) {\lVert f(x+h)-f(x)\rVert=\lVert h\rVert} pour tous {x,h}.
1) Sous (i), poser {a_{ijk}=\sum\limits_m\partial_if_m\,\partial_{jk}f_m}.

Montrer {a_{ijk}=a_{ikj}=-a_{kij}}, puis {a_{ijk}=0}.

2) Montrer l’équivalence de (i) et (ii).

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Exercice 21. (★★★★) théorème de Schwarz ; matrice jacobienne ; gradient
Soit {f:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}^n}.
1) Pour {f} de classe {C^2}, montrer que {J_f(x)} est antisymétrique partout si et seulement si {f(x)=Ax+b} avec {A\in A_n(\mathbb{R})}.
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2) Pour {f} de classe {C^1}, montrer que {J_f(x)} est symétrique partout si et seulement s’il existe {\varphi\in C^2(\mathbb{R}^n,\mathbb{R})} telle que {f=\nabla\varphi}.
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Exercice 22. (★★★) norme d’opérateur ; différentiabilité ; applications bilinéaires continues
Soient {E,F,G} normés, avec {\lVert (x,y)\rVert=\max(\lVert x\rVert,\lVert y\rVert)}, et {B:E\times F\to G} bilinéaire continue.
1) Montrer l’existence de {\alpha>0} telle que {\lVert B(x,y)\rVert\le1} si {\lVert (x,y)\rVert\le\alpha}, puis {\lVert B(x,y)\rVert\le\lVert x\rVert\lVert y\rVert/\alpha^2}.
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2) Montrer la différentiabilité et calculer {dB}.
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3) Montrer que {(u,v)\mapsto u\circ v} sur les endomorphismes continus de {E} est différentiable et calculer sa différentielle.
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Exercice 23. (★★) Espaces vectoriels normés ; composition ; différentiabilité
On munit {E=\mathcal M_n(\mathbb{R})} d’une norme sous-multiplicative.
1) Montrer l’existence de {C\ge0} avec {|\operatorname{tr}X|\le C\lVert X\rVert}.
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2) Calculer la différentielle de {g(X)=X^2}.
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3) Calculer celle de {f(X)=\operatorname{tr}(X^2)}.
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4) Montrer {|\operatorname{tr}A^2-\operatorname{tr}B^2|\le2C\max(\lVert A\rVert,\lVert B\rVert)\lVert A-B\rVert}.
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Exercice 24. (★★★) règle de chaîne ; fonctions à différentielle nulle ; différentiabilité
Soient {f:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}} différentiable et {k\ge1} entier.

Montrer l’équivalence entre {f(tx)=t^kf(x)} pour {t\ge0}, et {df(x)(x)=kf(x)} pour tout {x}.

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Exercice 25. (★★★★) théorème du rang ; différentiabilité ; produit de polynômes
Pour {x,y\in\mathbb{R}^{n+1}}, on définit {f(x,y)=(\sum\limits_{i+j=k}x_iy_j)_{0\le k\le2n}}.
1) Montrer que {f(x,y)\ne0} si {x,y\ne0}.
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2) Pour {u(x)=f(x,x)} et {v(x)=f(x,x)/\lVert f(x,x)\rVert} hors de zéro, étudier la différentiabilité et calculer les différentielles.
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3) Déterminer le rang de {dv(x)} pour {x\ne0}.
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Exercice 26. (★★★) formule de Taylor à l’ordre deux ; hessienne ; développements limités
Soit {f\in C^2(\mathbb{R}^2,\mathbb{R})}.

Déterminer la limite lorsque {r\to0} de {\frac1{2\pi r^2}\int_{-\pi}^{\pi}f(r\cos t,r\sin t)\,dt.}

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Exercice 27. (★★★) gradient ; règle de chaîne ; majorations d’intégrales
Soit {f\in C^1(\mathbb{R}^n,\mathbb{R})} et {\alpha>0} telle que {\langle\nabla f(x)-\nabla f(y),x-y\rangle\ge\alpha\lVert x-y\rVert^2} pour tous {x,y}.

Montrer que {f(x)\to+\infty} lorsque {\lVert x\rVert\to\infty}.

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Exercice 28. (★★★★) matrice jacobienne ; théorème de Schwarz ; gradient
Soit {f:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}^n}.
1) Si {f} est {C^2}, montrer que sa jacobienne est antisymétrique partout si et seulement si {f(x)=Ax+b} avec {A} antisymétrique constante.
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2) Si {f} est {C^1}, montrer que sa jacobienne est symétrique partout si et seulement s’il existe {g\in C^2(\mathbb{R}^n,\mathbb{R})} avec {f=\nabla g}.
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Exercice 29. (★★★★) hessienne ; inégalité de Cauchy-Schwarz ; convexité
1) Pour {U\subset\mathbb{R}^n} ouvert convexe et {f\in C^2(U,\mathbb{R})}, montrer que {f} est convexe exactement lorsque ses Hessiennes sont symétriques positives.
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2) Pour {p>0}, à quelle condition {f(x)=(\sum\limits_{i=1}^nx_i^p)^{1/p}} est-elle convexe sur {(\mathbb{R}_+^\star)^n} ?
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Exercice 30. (★★) hessienne ; fonctions à différentielle nulle ; gradient
Soit {f\in C^2(\mathbb{R}^n,\mathbb{R})}.
1) Si {H_f(x)=0} partout, montrer que {f(x)=\langle a,x\rangle+b}.
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2) Si la Hessienne est constante, montrer que {f(x)=\frac12\langle u(x),x\rangle+\langle a,x\rangle+b}, avec {u} symétrique.
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PSI


Exercice 1. (★★) Points critiques ; Extremums locaux et globaux
Déterminer les extrema sur {\mathbb{R}^2} de {f(x,y)=(x^2-4y^2)(x^2-4y^2-8)}.
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Exercice 2. (★★★) Points critiques ; Extremums locaux et globaux ; Étude du bord
Soit {f(x,y)=x^3+xy^2-x^2y-y^3}.

Étudier ses extrema sur {\mathbb{R}^2}, puis sur le triangle fermé délimité par {x=1}, {y=1} et {y=1-x}.

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Exercice 3. (★★★★) dérivées partielles ; dérivation terme à terme ; convergence normale
Pour {(x,y)\in\mathbb{R}^2}, on pose {f(x,y)=\sum\limits_{n=1}^\infty x^{2n}/(1+y^{2n})}.
1) Déterminer son domaine et le représenter graphiquement.
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2) Étudier l’existence des dérivées partielles d’ordre un.
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Exercice 4. (★★★) prolongement continu ; minimum global ; maximum global
Pour {x,y\geq0}, hors de l’origine, soit {f(x,y)=xy/((x+1)(y+1)(x+y))}, et {f(0,0)=0}.
1) Montrer que {f} est continue sur {[0,+\infty[^2}.
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2) Déterminer ses extrema.
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Exercice 5. (★★★★) prolongement continu ; formule de Taylor ; extremums globaux
Pour {(x,y)\ne(0,0)}, soit {f(x,y)=\frac{x^2y^2}{(1+x^2)(1+y^2)(x^2+y^2)}.}
1) Montrer que {f} est continue en {(0,0)}.
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2) La fonction ainsi prolongée est-elle {C^\infty} ?
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3) Montrer qu’elle admet un minimum global et le calculer.
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4) Montrer qu’elle admet un maximum global.
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PC


Exercice 1. (★★) Extremums globaux ; Points critiques ; Gradient
Étudier les extrema locaux et globaux de {f(x,y)=y(x^2+(\log y)^2)}. Le domaine étudié est {\mathbb{R}\times]0,+\infty[}.
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Exercice 2. (★★★) Gradient ; Dérivation le long d'un arc ; Bornes atteintes
Soit {n\geq2} et {f\in C^1(\mathbb{R}^n,\mathbb{R})} telle que {\sum\limits_{k=1}^nx_k\partial_kf(x)\geq\lVert x\rVert}.

Montrer {f(x)\to+\infty} lorsque {\lVert x\rVert\to+\infty}.

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Exercice 3. (★★★) Points critiques ; Dérivées partielles ; Cauchy-Schwarz
Soit {E} euclidien de dimension au moins {2}, {B} sa boule unité fermée et {S} sa sphère. On pose {A=\left\{\frac{\lVert u+v\rVert+\lVert u-v\rVert}{\max(\lVert u\rVert,\lVert v\rVert)}:u,v\neq0\right\}.}
1) Montrer {A=\left\{\lVert u+v\rVert+\lVert u-v\rVert:(u,v)\in S\times B\right\}}.

2) Montrer {A=\left\{|1+z|+|1-z|:|z|\leq1\right\}}.

3) Pour {F(x,y)=|1+x+iy|+|1-x-iy|}, déterminer le domaine {\Omega} d’existence des deux dérivées partielles et montrer {F\in C^1(\Omega)}.

4) Déterminer les points critiques dans le disque ouvert et expliciter {A}.

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Exercice 4. (★★) Dérivées partielles ; Continuité ; Théorème de Schwarz
Soit {f(x,y)=x^2y/(x^2+y^2)} hors de l’origine et {f(0,0)=0}.

Montrer sa continuité, étudier la propriété {C^1} et calculer les dérivées partielles mixtes en {0}.

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Exercice 5. (★★★) Changement de variables ; Règle de la chaîne ; Dérivées partielles
Déterminer les fonctions {f\in C^1(\mathbb{R}^2,\mathbb{R})} telles que {\partial_xf-xy\partial_yf=0}. Indication : utiliser le changement {(u,v)=(x,ye^{x^2/2})}.
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Exercice 6. (★★★) Dérivées partielles ; Règle de la chaîne ; Premier ordre
Pour {f\in C^1(\mathbb{R}^2,\mathbb{R})} et {n\in\mathbb{N}}, montrer l’équivalence entre {f(tx,ty)=t^nf(x,y)} pour tout {t\geq0} et {x\partial_xf+y\partial_yf=nf}.
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Exercice 7. (★★★) points critiques ; extrema locaux ; lignes de niveau
Poser {f(x,y)=(x^2+y^2)^x} pour {(x,y)\ne(0,0)}, et {f(0,0)=1}.

Déterminer le lieu {f=1}, montrer l’absence d’extremum en zéro, trouver les points critiques hors zéro, puis les uniques maximum et minimum locaux.

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Exercice 8. (★★★) dérivées partielles ; points critiques ; Espaces euclidiens
Dans un espace euclidien de dimension au moins deux, soient {S} la sphère unité, {B} la boule unité et {A=\left\{(\lVert u+v\rVert+\lVert u-v\rVert)/\max(\lVert u\rVert,\lVert v\rVert):u,v\ne0\right\}}.

Montrer {A=\left\{\lVert u+v\rVert+\lVert u-v\rVert:u\in S,v\in B\right\}}, puis {A=\left\{|1+z|+|1-z|:|z|\leq1\right\}}.

Étudier le domaine des dérivées partielles et les points critiques de {f(x,y)=|x+1+iy|+|x-1+iy|}, puis déterminer {A}.

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Exercice 9. (★★) ouverts ; fonctions de classe C1 ; convexité
Soient {\Omega=\left\{(x,y,z):|x-y|\lt z\lt x+y\right\}} et {f(x,y,z)=\arccos((x^2+y^2-z^2)/(2xy))}.

Montrer que {\Omega} est ouvert convexe et que {f} est {C^1} sur {\Omega}.

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Exercice 10. (★★) gradient ; dérivée directionnelle ; inégalités de convexité
Soit {f\in C^1(E,\mathbb{R})} sur un espace euclidien, telle que {f((1-t)x+ty)\leq(1-t)f(x)+tf(y)-\frac{t(1-t)}2\lVert x-y\rVert^2.}Montrer {\langle\nabla f(x),y-x\rangle\leq f(y)-f(x)-\lVert x-y\rVert^2/2}, puis {\langle\nabla f(y)-\nabla f(x),y-x\rangle\geq\lVert x-y\rVert^2}.
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Exercice 11. (★★) dérivées partielles ; théorème de Schwarz ; primitives
Déterminer les {f\in C^2(\mathbb{R}^2,\mathbb{R})} telles que {\partial^2f/\partial x\partial y=0}.
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Exercice 12. (★★) points critiques ; dérivées partielles ; extremums locaux et globaux
Déterminer les extrema de {f(x,y)=x\log y-y\log x} sur {(\mathbb{R}_+^\star)^2}.
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Exercice 13. (★★★) Points critiques ; Extremums globaux ; Positivité et majorations
Déterminer les extrema de {f(x,y)=x^4+y^4-2(x-y)^2} sur {\mathbb{R}^2}.
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Exercice 14. (★★) dérivées partielles et directionnelles ; théorème fondamental
Déterminer les {f\in C^2(\mathbb{R}^2,\mathbb{R})} telles que {\partial^2f/(\partial x\partial y)=0}.
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Exercice 15. (★★) dérivées partielles et directionnelles ; différentielle d’une fonction numérique de classe C1 ; limites
Soit {f(x,y)=x^2y/(x^2+y^2)} hors de l’origine, et {f(0,0)=0}.
1) Montrer la continuité sur {\mathbb{R}^2}.
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2) Est-elle {C^1} ?
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3) Calculer les deux dérivées mixtes en l’origine si elles existent.
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Exercice 16. (★★★) règle de la chaîne ; dérivées partielles et directionnelles ; premier ordre
Soient {f\in C^1(\mathbb{R}^2,\mathbb{R})} et {n\in\mathbb{N}}.

Montrer l’équivalence entre : (i) {f(tx,ty)=t^nf(x,y)} pour tout {(x,y)} et {t\geq0} ;

(ii) {x\partial_xf+y\partial_yf=nf}.

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Exercice 17. (★★★) points critiques ; extremums locaux et globaux ; Taylor-Young à l’ordre deux
Étudier les extrema de {f(x,y,z)=x^2+y^2+z^2-2xyz}.
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Author: Jean-Michel Ferrard

Professeur de mathématiques en classe préparatoire aux grandes écoles.