Différentiabilité d`une application définie sur un ouvert de Rn

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
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
h00
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
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 gfest diff´erentiable en aet
d(gf)a=dgf(a)dfa
Exemple. L’application ϕ:GLk(R)GLk(R), u 7→
u1est diff´erentiable sur GLk(R) et pour tout h
GLk(R)
u(h) = u1hu1.
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(ba)k ≤ kbaksup
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 k1, dk+1f=d(dkf).
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 k1, on dit que fest
de classe C.
Exemple. (x, y)7→ xy x2y2
x2+y2est C1non C2
Exemple. Une application multilin´eaire est C.
efinition. Soit a∈ U et hRnnon nul. On dit que
fadmet une d´eriv´ee directionnelle en asuivant hsi la
limite suivante existe
f0(a;h) = lim
t0
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.
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) = ifj1in
1jp
.
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 Jgf(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 inegral. 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.
efinition. On dit que f:U V est un
diff´eomorphisme si fest diff´erentiable , bijective et telle
que f1est aussi diff´erentiable.
Si fest de classe Ck, on dit alors que fest un Ck-
diff´eomorphisme.
Proposition. Soit ϕ:U → V un C1-diff´eomorphisme
et f:V Rint´egrable alors
ZV
f(x)dx =ZU
f[ϕ(t)].|det Jϕ(t)|dt.
Exemple. Soit U=]0,+[×]0,2π[ et V=R2\
{(x, 0) R2;x0}alors
ϕ:U → V,(r, θ)7→ (rcos θ, r sin θ)
est un diff´eomorphisme.
Application. Calcul de ZR
ex2dx.
Th´eor`eme d’inversion locale. Soit a∈ U et f:U →
Rnde classe C1telle que det Jf(a)6= 0 alors il existe un
voisinage ouvert U0⊂ U de aet un voisinage Vde f(a)
tels que f:U0→ V soit un diff´eomorphisme.
Th´eor`eme d’inversion globale. Soit f:U f(U)
de classe C1, injective et telle que det Jf(a)6= 0 pour
tout a∈ U alors fest un diff´eomorphisme.
Application (th´eor`eme de Brouwer).Toute applica-
tion continue de la boule unit´e ferm´ee de Rndans elle-
mˆeme admet un point fixe.
4. Cas particulier des fonctions `
a valeurs
r´
eelles
efinition. aest un point critique si dfa= 0
Proposition. Si fadmet un extremum en aalors aest
un point critique.
Contre-exemple. (x, y)7→ x2y2
Si fest de classe C2et a∈ U, on consid`ere la forme
quadratique
Qa(h) =
n
X
i=1
2
i,if(a)h2
i+ 2 X
1i<jn
2
i,j f(a)hihj.
Formule de Taylor-Young `a l’ordre 2.Si fest de
classe C2et a∈ U est un point critique, alors
f(a+h) = f(a) + 1
2Qa(h) + o(khk2)
Proposition. Si fest de classe C2et a∈ U est un
point critique, alors
(i)si Qaest d´efinie positive alors fadmet un mi-
nimum local en a,
(ii)si Qaest d´efinie n´egative alors fadmet un
maximum local en a,
(iii)si Qaest non d´eg´en´er´ee mais ni positive ni
egative alors fadmet un point-selle en a.
Exemple. x7→ hx, aie−kxk2
D´
eveloppements
Th´eor`eme de Liapounov.
Th´eor`eme de Motzkin.
Th´eor`eme d’inversion locale.
Th´eor`eme de Brouwer.
R´
ef´
erences
[1] A. Chambert-Loir et S. Fermigier, Exercices d’analyse 2, Du-
nod, 1999.
[2] A. Chambert-Loir, S. Fermigier et V. Maillot, Exercices d’ana-
lyse 1, Masson, 1997.
[3] P. Donato, Calcul diff´erentiel pour la licence, Dunod, 2000.
[4] S. Gonnord et N. Tosel, Calcul diff´erentiel, Ellipses, 1998.
[5] F. Rouvi`ere, Petit guide de calcul diff´erentiel `a l’usage de la
licence et de l’agr´egation, Cassini, 1999.
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