1 Calcul Diff´erentiel dans Rn
Soit f:RnRm. On veut ´etudier des questions de
continuit´e,
d´erivabilit´e,
diff´erentiabilit´e;
leurs applications.
1.1 Propri´et´es de Rn
1.1.1 Rnensemble de points.
Definition 1.1 L’espace (topologique) Rnest l’ensemble des n-uplets de
r´eels x= (x1,···, xn),xiR, i = 1,···, n, appel´es points.
1.1.2 Rnespace vectoriel
.
Vecteurs-colonnes:
X=
x1
.
.
.
xn
.
Op´erations:
addition
X+Y=
x1+y1
.
.
.
xn+yn
,
multiplication externe
λX =
λx1
.
.
.
λxn
, λ R.
1
Vecteur position de xlorsque Rnest rapport´e `a un rep`ere (O;~ei)
d’origine O= (0,···,0) et de base (~ei) la base canonique de Rn:
~x :=
n
X
i=1
xi~ei.
1.1.3 Topologie asssoci´ee `a la norme euclidienne.
Pour ´evaluer la distance entre deux vecteurs, ou deux points x, y, on utilise
la norme euclidienne |·|:
d(x, y) := |~x ~y|=v
u
u
t
n
X
i=1 |xiyi|2.
Proposition 1.2 Tout sous-ensemble infini born´e de Rnadmet au moins
un point d’accumulation, c’est-`a-dire un point xpour lequel il existe une suite
(xn)n0de points de tels que
lim
n→∞ |~xn~x|= 0.
Un point aRnest inerieur `a Ω s’il existe une boule ouverte:
Br(a) = {xRn|;|~x ~a|< r} ⊂ .
Un point aΩ inerieur `a Ω est un point d’accumulation. La r´eciproque
est fausse.
1.2 Fonctions R Rm
Exemple: la repr´esentation param´etrique d’une courbe de Rm.
Pour toute application f:RRm, l’application vectorielle associ´ee
~
f:RRmse d´ecompose en
~
f(x) =
m
X
µ=1
fµ(x)~eµ
o`u fµest une application RR.
Une fonction f:RRmest continue en aDfsi ses composantes fµ
sont continues en a.
2
Definition 1.3 l’application f:RRmest dite diff´erentiable en aDf
si aest un point d’accumulation de Dfet si la limite
lim
xa
1
(xa)(~
f(x)~
f(a))
existe.
Cette limite, quand elle existe, est not´ee ~
f0(a)et appel´ee d´eriv´ee de fau
point a.
Une fonction f:RRmest d´erivable en aDfsi toutes ses com-
posantes fµsont d´erivables en a.
1.3 Fonctions RnR.
Exemples: champ des masses volumiques dans un solide; champ des temp´eratures
d’un corps `a un instant donn´e.
1.3.1 Continuit´e.
L’application f:RnRest continue en un point d’accumulation aDf
si pour toute suite ana(limn→∞ |~an~a|= 0) on a
lim
n→∞ f(an) = f(a).
1.3.2 Diff´erentiabilit´e.
On rappelle que f:RRest d´erivable en aDfsi aest inerieur `a Df
et si
lim
xa|f(x)f(a)f0(a)(xa)|
|xa|= 0.
Definition 1.4 Une application f:RnRest diff´erentiable en aDf
si aest un point int´erieur `a Dfet s’il existe une application lin´eaire dfa:
RnRtelle que
lim
xa|f(x)f(a)dfa(~x ~a)|
|~x ~a|= 0.
La forme lin´eaire
dfa:~
hRn7→ dfa(~
h)R
est appel´ee la diff´erentielle de fen a.
3
Si f:DfRnRest diff´erentiable en aDf, alors elle est continue
en a.
Remark 1.5 L’hypoth`ese ’apoint inerieur `a Dfassure l’unicit´e de la diff´erentielle
dfalorsqu’elle existe.
1.3.3 D´eriv´ee directionnelle
Si f:DfRnRest diff´erentiable en aDf, on peut calculer la eriv´ee
(directionnelle) de fdans la direction de ~u 6= 0:
lim
t0
f(a+t~u)f(a)
t=dfa(~u).
Il peut arriver que fnon diff´erentiable en aDfadmette n´eanmoins des
d´eriv´ees directionnelles dans des directions ~u 6=~
0.
Definition 1.6 Sous r´eserve de son existence, on appelle eriv´ee partielle
de fau point aDf, et on note f
xi
(a), la d´eriv´ee directionnelle de fen a
dans la direction du i`eme vecteur de base ~ei: (|~ei|= 1)
f
xi
(a) := lim
t0
f(a+t~ei)f(a)
t=dfa(~ei).
Tout ~a Rnest inerieur `a Rn(Rnest un ouvert). Donc, si ϕ:RnR
est une forme lin´eaire sur Rn, la relation
ϕ(~x)ϕ(~a) = ϕ(~x ~a)
et l’unicit´e de la diff´erentielle en ~a Rnentraˆınent ~a =ϕ.
Si ϕ=pi:~x Rn7→ xiest la projection sur la i`eme composante, on
note dpi
~a =dxide sorte que
dfa(~
h) =
n
X
i=1
hidfa(~ei) =
n
X
i=1
hi
f
xi
(a) = (n
X
i=1
f
xi
(a)dxi)(~
h),~
hRn,
c’est-`a-dire:
dfa=
n
X
i=1
f
xi
(a)dxi.
4
Theorem 1.7 Si les d´eriv´ees partielles f
xi
(a),i= 1,···, n, de f:Df
RnRsont bien d´efinies sur un sous-ensemble EDfet si les applica-
tions f
xi
:ER, x 7→ f
xi
(x)
sont continues sur E, alors fest diff´erenntiable sur E.
1.3.4 Gradient
Definition 1.8 Si f:DfRnRest diff´erentiable en aDf, on
appelle gradient de fau point ale vecteur:
gradf(a) :=
n
X
i=1
f
xi
(a)~ei.
En particulier:
dfa(~
h) = (
gradf·~
h),~
hRn.
Le vecteur gradient est une quantit´e intrins`eque, qui existe hors de tout
syst`eme de coordonn´ees:
Theorem 1.9 (Th´eor`eme de Riesz). Si ϕ:RnRest une forme
lin´eaire (continue) sur Rn, alors il existe ~ω Rn,~ω 6=~
0, tel que
ϕ(~
h) = (~ω ·~
h),~
hRn.
1.3.5 Interpr´etation g´eom´etrique
A toute application f:DfRnRon associe son graphe:
{(x, xn+1 =f(x))|xDf} ⊂ Rn+1
qui est un sous-ensemble de Rn+1. Si en outre fest diff´erentiable en aDf,
on peut ´ecrire, dans un voisinage Ude a:
f(x) = f(a)+(
gradf(a)·~x ~a) + ε(~x ~a)
o`u
lim
~x~a
ε(~x ~a)
|ε(~x ~a)|= 0.
5
1 / 44 100%
La catégorie de ce document est-elle correcte?
Merci pour votre participation!

Faire une suggestion

Avez-vous trouvé des erreurs dans linterface ou les textes ? Ou savez-vous comment améliorer linterface utilisateur de StudyLib ? Nhésitez pas à envoyer vos suggestions. Cest très important pour nous !