Analyse 15 – Diff´erentiabilit´e d’une application d´efinie sur un ouvert de Rn.
Exemples et applications.
Soit Uun ouvert de Rn,Vun ouvert de Rpet f:U →
Rp.
1. G´
en´
eralit´
es sur la diff´
erentiabilit´
e
D´efinition. On dit que fest diff´erentiable en a∈ U
s’il existe L∈ L(Rn,Rp) telle que
kf(a+h)−f(a)−L(h)k
khk−−−→
h→00
Cette application est unique et on la note dfa.
Exemple. x7→ kxk2
Remarque. La notion de diff´erentiabilit´e en aest
ind´ependante de la norme choisie.
Application. Th´eor`eme de Liapounov
D´efinition. Si fest diff´erentiable en tout a∈ U, on dit
que fest diff´erentiable sur Uet on appelle application
diff´erentielle de fl’application
df :U → L(Rn,Rp), a 7→ dfa.
Proposition. Une application diff´erentiable en a∈ U
est continue en a∈ U.
Proposition. (i)La diff´erentiation est un op´erateur
lin´eaire.
(ii)Si f:U → V et g:V → W ⊂ Rqsont telles que
fest diff´erentiable en a∈ U et gest diff´erentiable en
f(a)∈ V alors g◦fest diff´erentiable en aet
d(g◦f)a=dgf(a)◦dfa
Exemple. L’application ϕ:GLk(R)→GLk(R), u 7→
u−1est diff´erentiable sur GLk(R) et pour tout h∈
GLk(R)
dϕu(h) = −u−1◦h◦u−1.
Th´eor`eme de la moyenne. Si fest diff´erentiable sur
Uet si [a, b]⊂ U alors
kf(b)−f(a)k ≤ sup
x∈[a,b]kdfx(b−a)k ≤ kb−aksup
x∈[a,b]kdfxk
Si p= 1, on retrouve l’in´egalit´e des accroissements finis.
Application. Si Uest connexe et si df ≡0 sur Ualors
fest constante sur U.
Application (lemme de Sard).Si f:U → Rnest
diff´erentiable de diff´erentielle continue alors l’image par
fde l’ensemble des x∈ U tels que rgdfx< p est de
mesure nulle.
2. Diff´
erentielles partielles et
diff´
erentielles d’ordre sup´
erieur
On pose d1f=df et, pour tout k≥1, dk+1f=d(dkf).
D´efinition. L’application dkfs’appelle la diff´erentielle
d’ordre kde f.
Si dkfest continue sur U, on dit que fest de classe Ck.
Si fest de classe Ckpour tout k≥1, on dit que fest
de classe C∞.
Exemple. (x, y)7→ xy x2−y2
x2+y2est C1non C2
Exemple. Une application multilin´eaire est C∞.
D´efinition. Soit a∈ U et h∈Rnnon nul. On dit que
fadmet une d´eriv´ee directionnelle en asuivant hsi la
limite suivante existe
f0(a;h) = lim
t→0
1
t(f(a+t.h)−f(a)) .
En particulier, si hest le i-`e vecteur eide la base cano-
nique
∂if(a) = f0(a;ei)
est appel´e la i-`e diff´erentielle partielle de fen a.
Proposition. Si fest diff´erentiable en aalors fadmet
des d´eriv´ees directionnelles dans toutes les directions et
on a pour tout h= (h1, . . . , hn)∈Rn
dfa(h) = ∂1f(a).h1+··· +∂nf(a).hn
Exemple (th´eor`eme de Rolle).Si Uest born´e et si f
est continue sur U, diff´erentiable sur Uet nulle sur U\U
alors il existe a∈ U tel que dfa= 0.
Exemple (th´eor`eme de Motzkin).Soit Fun ferm´e de
Rnalors x7→ d(x, F ) est diff´erentiable sur Rn\Fsi et
seulement si Fest convexe.
D´efinition. Si f= (f1, . . . , fp) est diff´erentiable en a,
on appelle matrice jacobienne de fen ala matrice Jf(a)
de dfadans la base canonique i.e. Jf(a) = ∂ifj1≤i≤n
1≤j≤p
.
Remarque. Si f:U → V et g:V → W ⊂
Rqsont telles que fest diff´erentiable en a∈ U et
gest diff´erentiable en f(a)∈ V alors Jg◦f(a) =
Jg(f(a)).Jf(a).
Proposition. fest de classe C1sur Usi et seulement
si ses diff´erentielles partielles existent et sont continues.
Th´eor`eme de Schwarz. Si fest deux fois
diff´erentiable sur Ualors pour tout a∈ U et pour tous
h, k ∈Rn, on a ∂i(∂jf) (a)(h, k) = ∂j(∂if) (a)(h, k).
Remarque. L’ordre de diff´erentiation pour une fonc-
tion de classe C2n’intervient donc pas et on
note indiff´eremment ∂2
i,j f(a) ou ∂2
j,if(a) l’application
∂i(∂jf) (a) = ∂j(∂if) (a).
Formule de Taylor avec reste int´egral. Si fest de
classe Cn+1 sur Uet si [a, a +h]⊂ U alors
f(a+h) =
n
X
k=0
dkfa(h)k
k!+Z1
0
(1 −t)n
n!dn+1fx+th(h)n+1dt
3. Diff´
eomorphismes
On suppose dans cette section que p=n.
D´efinition. On dit que f:U → V est un
diff´eomorphisme si fest diff´erentiable , bijective et telle
que f−1est aussi diff´erentiable.
Si fest de classe Ck, on dit alors que fest un Ck-
diff´eomorphisme.