Chapitre 27
Fonctions de deux variables
Objectifs
Rappeler la notion de norme, définir les parties bornées et les parties ouvertes de R2.
Notion de limite et de continuité pour les fonctions de deux variables.
Notions de dérivées partielles, de fonctions de classe C1.
Notion d’intégration, passage en coordonnées polaires, formule de Green-Riemann.
Sommaire
I) Fonctions continues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1) Définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2) Limite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
3) Continuité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
4) Extension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
II) Calcul différentiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1) Dérivées partielles premières . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2) Dérivée suivant un vecteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3) Fonctions de classe C1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
4) Dérivées partielles d’ordre 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
III) Calcul intégral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1) Intégration sur un pavé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2) Intégration sur un fermé borné . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3) Passage en coordonnées polaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4) Formule de Green-Riemann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
IV) Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
I) Fonctions continues
1) Définitions
On rappelle que
R2
est un
R
-espace vectoriel
1
muni du produit scalaire canonique : si
u
= (
x,y
)
et
v
= (
x0,y0
)alors (
u|v
) =
x x0
+
y y0
, et de la norme euclidienne :
kuk
=
px2+y2
, celle-ci ayant les
propriétés suivantes :
u= (x,y)R2,kuk¾0.
uR2,kuk=0u=0.
uR2,λR,kλuk=|λ|.kuk.
u,vR2,ku+vkkuk+kvk(inégalité triangulaire).
On définit alors les notions suivantes :
Distance euclidienne : la distance de
uR2
à
vR2
est la norme de la différence :
d
(
u,v
) =
kuvk
.
1. C’est aussi un espace affine
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Fonctions continues Chapitre 27 : Fonctions de deux variables
Partie bornée : une partie Ade R2est dite bornée lorsqu’il existe un réel Mtel que :
xA,kxkM.
Boule ouverte : soit
uR2
et
r>
0, la boule ouverte de centre
u
et de rayon
r
est l’ensemble
B(u,r) = {vR2/kuvk<r}. De même on peut définir les boules fermées et les sphères.
Remarque: Si u= (x,y)alors le pavé ouvert : ]xr
p2;x+r
p2[×]yr
p2;y+r
p2[est inclus dans B(u,r).
Partie ouverte : une partie
A
de
R2
est dite
ouverte
lorsque
A
est une réunion (quelconque) de boules
ouvertes, ou encore :
uA,r>
0
,B
(
u,r
)
A
. Par convention, l’ensemble vide est considéré
comme une partie ouverte.
Exemples:
R2est une partie ouverte de R2.
Une boule ouverte est une partie ouverte de R2.
Un demi-plan ouvert (i.e. bord exclu) est une partie ouverte.
Une réunion quelconque de parties ouvertes est une partie
ouverte.
Une intersection finie de parties ouvertes est une partie
ouverte.
Une boule fermée n’est pas une partie ouverte de R2.
A
ur
DÉFINITION 27.1 (applications partielles)
Soit
A
une partie de
R2
, soit
f
:
AR
une fonction, et soit
a
= (
x0,y0
)
A
. La première application
partielle de
f
en
a
est la fonction
f1,a
:
t7→ f
(
t,y0
)(on fixe la deuxième variable à
y0
), et la
deuxième application partielle de
f
en
a
est la fonction
f2,a
:
t7→ f
(
x0,t
)(on fixe la première
variable à x0).
Exemple
: Soit
f
(
x,y
) =
x2+y
x2+y2+1
, la première application partielle de
f
en
a
= (0
,
0)est
f1,a
(
t
) =
t2
1+t2
, et la deuxième
application partielle de fen aest f2,a(t) = t
1+t2.
Remarque: Les applications partielles permettent de se ramener aux fonctions d’une variable réelle.
2) Limite
DÉFINITION 27.2 (point adhérent)
Soit
A
une partie non vide de
R2
et
aR2
, on dit que
a
est adhérent à
A
lorsque
toute boule
ouverte de centre arencontre A:r>0, B(a,r)A6=;.
DÉFINITION 27.3
Soit
f
:
AR
une fonction, et soit
aR2
un point adhérent à
A
, soit
`R
, on dit que
f
admet
pour limite `en alorsque : " > 0,α > 0,uA,kuak< α =⇒ |f(u)`)|< ".
Notation : lim
af=`
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Fonctions continues Chapitre 27 : Fonctions de deux variables
Remarques:
Pour que AB(a,α)ne soit jamais vide, il est nécessaire que asoit adhérent à A.
On peut remplacer les inégalités strictes par des inégalités larges, cela ne change pas le sens de la définition.
– lim
af=`lim
a|f`|=0.
Exemple
: Les fonctions coordonnées, soit
c1
:
R2R
définie par
c1
(
x,y
) =
x
et
c2
:
R2R
définie par
c2
(
x,y
) =
y
.
Soit a= (x0,y0)R2, on a : lim
ac1=x0=c1(a)et lim
ac2=y0=c2(a).
Propriétés : on retrouve les propriétés usuelles, à savoir :
Si la limite existe alors elle est unique.
Si fa une limite finie en a, alors fest bornée au voisinage de a.
Si lim
af=`et lim
ag=`0, alors :
– lim
a(f+g) = `+`0.
– lim
af×g=`×`0.
λR,lim
aλf=λ`.
Si `06=0, alors lim
a
f
g=`
`0.
Soit
f
:
AR
avec
lim
af
=
b
, et
g
:
JR
avec
Im
(
f
)
J
et
lim
bg
=
`
, alors
lim
agf
=
`
(composition des limites).
La limite (lorsqu’elle existe) ne dépend pas du « chemin » suivi.
Exemples:
La fonction
f
(
x,y
) =
x2+y2
x2y2
est définie continue sur
{
(
x,y
)
R2/|x| 6
=
|y|}
. Si on fait tendre (
x,y
)vers (0
,
0)
suivant la direction
u
= (1
,a
)[i.e.
y
=
ax
]avec
|a| 6
=1, alors on trouve
f
(
x,y
) =
1+a2
1a2
(x,y)(0,0)
1+a2
1a2
, on en
déduit que fn’a pas de limite en (0,0).
La fonction f(x,y) = x2y
x2+y2a pour limite 0 en (0,0), car |f(x,y)||y|.
3) Continuité
Soit
AR2
, l’ensemble des fonctions de
A
vers
R
est noté
F
(
A,R
), il est facile de voir que pour les
opérations usuelles sur les fonctions, c’est une R-algèbre.
DÉFINITION 27.4 (continuité)
Soit
f
:
AR
et soit
aA
, on dit que
f
est continue en
a
lorsque
lim
af
=
f
(
a
). Si
f
est continue
en tout point de
A
, on dit que
f
est continue sur
A
, l’ensemble des fonctions continues sur
A
est noté
C0(A,R).
Propriétés : théorèmes généraux
C0(A,R)est une R-algèbre.
Si f, g:ARsont continues sur Aet si gne s’annule pas, alors f
gest continue sur A.
Si
f
:
AR
est continue sur
A
, et si
g
:
JR
est continue sur
J
avec
Im
(
f
)
J
, alors
gf
est
continue sur A.
Il en découle en particulier que toute fonction polynomiale ou rationnelle en
x
et
y
, est continue sur
son ensemble de définition.
THÉORÈME 27.1
Ð
Ð
Ð
Ð
Ð
Ð
Ð
Ð
Soit f:R2Rune fonction continue, et soit λR, alors l’ensemble :
O=¦(x,y)R2/f(x,y)> λ©
est un ouvert.
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Calcul différentiel Chapitre 27 : Fonctions de deux variables
Preuve
: Soit
a∈ O
,
f
est continue en
a
et
f
(
a
)
> λ
, en prenant
"
=
f
(
a
)
λ >
0, il existe
r>
0 tel que
uB(a,r) =⇒ |f(u)f(a)|< ", ce qui entraîne f(u)> λ, donc B(a,r)⊂ O, ce qui prouve que Oest un ouvert.
THÉORÈME 27.2
Ð
Ð
Ð
Si
f
est continue en
a
= (
x0,y0
)
A
, alors la première application partielle de
f
en
a
est continue
en x0, et la deuxième est continue en y0. Mais la réciproque est fausse.
Preuve
: Soit
" >
0, il existe
r>
0 tel que
uA,kuak<r
=
⇒ |f
(
u
)
f
(
a
)
|< "
. Soit
tR
, si
|tx0|<r
, alors
k
(
t,y0
)
ak
=
|tx0|<r
, donc
|f
(
t,y0
)
f
(
a
)
|< "
, c’est à dire
|f1,a
(
t
)
f1,a
(
x0
)
|< "
, ce qui prouve que
f1,a
est
continue en x0. Le raisonnement est similaire pour f2,a.
Donnons un contre-exemple pour la réciproque :
f
(
x,y
) =
¨x y
x2+y2si (x,y)6= (0,0)
0 si (x,y) = (0,0)
, en considérant les
directions
u
= (1
,
1)et
v
= (1
,
1), on voit que la fonction
f
n’a pas de limite en (0
,
0), donc
f
n’est pas continue en
(0,0), par contre les deux applications partielles de fen (0, 0)sont continues en 0 car elles sont nulles.
4) Extension
Soit
A
un partie de
R2
et
f
:
AR2
, alors pour tout couple (
x,y
)de
A
,
f
(
x,y
)est un couple de réels
dont les deux composantes sont fonctions de
x
et
y
, par conséquent il existe deux fonctions :
f1,f2
:
AR
telles que :
(x,y)A,f(x,y) = ( f1(x,y),f2(x,y)).
Par définition, les fonctions f1et f2sont les fonctions composantes de f.
DÉFINITION 27.5
Une telle fonction
f
est dite
continue
en
aA
lorsque les
fonctions composantes sont continues
en a.
Soit
`
= (
`1,`2
)
R2
et soit
aR2
adhérent à
A
, on dit que
f
admet pour limite
`
en
a
lorsque
fonctions composantes admettent pour limite respectivement `1et `2en a.
Remarques:
Cela s’applique aussi aux fonctions à valeurs complexes.
Cette définition se généralise aux fonctions à valeurs dans Rn.
THÉORÈME 27.3
Ð
Ð
Ð
Ð
Ð
Ð
Ð
Ð
Soit f:AR2,aR2adhérent à A, et `= (`1,`2)alors lim
af=`ssi :
" > 0,α > 0,uA,kuak< α =⇒ kf(u)`k< ".
Preuve: maxn|f1(u)f1(a)|,|f2(u)f2(a)|okf(u)f(a)k=p|f1(u)f1(a)|2+|f2(u)f2(a)|2.
Remarque: On en déduit que fest continue en aAssi lim
af=f(a).
Il est facile de vérifier que
C0
(
A,R2
)est un
R
-espace vectoriel pour les opérations usuelles [c’est même
une
C
-algèbre si on remplace
R2
par
C
], et que
la composée de deux fonctions continues est continue
.
II) Calcul différentiel
1) Dérivées partielles premières
Soit
U
un ouvert de
R2
et soit
a
= (
x0,y0
)
U
, il existe
" >
0 tel que
B
(
a,p2"
)
A
, par conséquent le
pavé ouvert ]
x0"
;
x0
+
"
[
×
]
y0"
;
y0
+
"
[est inclus dans
U
, donc la première application partielle de
f
en aest définie au moins sur l’intervalle ]x0";x0+"[, et la deuxième sur ]y0";y0+"[.
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Calcul différentiel Chapitre 27 : Fonctions de deux variables
DÉFINITION 27.6
Si la première (respectivement la deuxième) application partielle de
f
en
a
est dérivable en
x0
(respectivement
y0
), on dit que
f
admet une dérivée partielle par rapport à
x
(respectivement par
rapport à
y
) en
a
, on la note :
f
x
(
a
)(respectivement
f
y
(
a
)). Si
f
admet une dérivée partielle par
rapport à
x
en tout point de
U
, alors on définit la fonction :
f
x:UR
(x,y)7→ f
x(x,y)
,
(même
chose par rapport à y).
Les applications partielles sont des fonctions de
R
dans
R
, on peut donc utiliser les théorèmes généraux
pour étudier leur dérivabilité, et les règles de dérivation usuelles pour les calculs.
Exemple
: Soit
f
(
x,y
) =
x2+y
x2+y2+1
et soit
a
= (
x,y
), on a
f1,a
(
t
) =
t2+y
t2+y2+1
qui est dérivable sur
R
d’où
f
x
(
a
) =
2x
(x2+y2+1)2; d’autre part f2,a(t) = x2+t
x2+t2+1qui est dérivable sur R, d’où f
y(a) = x2(12y)y2+1
(x2+y2+1)2.
THÉORÈME 27.4 (première application)
Ð
Ð
Ð
Ð
Si
f
:
UR
admet un extremum local en
a
= (
x0,y0
)
U
, et si
f
admet ses deux dérivées
partielles en a, alors f
x(a) = 0et f
y(a) = 0, mais la réciproque est fausse.
Preuve
: Supposons que
a
soit un maximum local, il existe donc
r>
0 tel que
B
(
a,r
)
U
et
uB
(
a,r
)
,f
(
u
)
f
(
a
),
par conséquent
t
]
x0r
;
x0
+
r
[
,f
(
t,y0
)
f
(
a
), c’est à dire
f1,a
(
t
)
f1,a
(
x0
), or la fonction
f1,a
(
t
)est dérivable
en
x0
et
x0
est à l’intérieur de l’intervalle ]
x0r
;
x0
+
r
[, d’où
f0
1,a
(
x0
) = 0, c’est à dire
f
x
(
a
) = 0, le raisonnement
est le même pour la deuxième variable.
x
2
1
0
1y
1
0
1
2
z
3
2
1
0
1
2
3
4
5
6
7
z=x2+3y2+2x4y
minimum en M(1, 2
3,7
3)
x
2
1
0
1
2y
2
1
0
1
2
z
4
3
2
1
0
1
2
3
4
z=x2y2,
pas d’extrêmum en (0,0)(point col)
Exemples:
Soit
f
(
x,y
) =
x2
+3
y2
+2
x
4
y
,
f
admet ses deux dérivées partielles sur
R2
, qui sont
f
x
(
x,y
) = 2
x
+2 et
f
y
(
x,y
) = 6
y
4, ces deux fonctions s’annulent pour
x
=
1 et
y
=2
/
3, donc le seul point où il peut y avoir
un extremum est
a
= (
1
,
2
/
3). On a
f
(
x,y
) = (
x
+1)
2
+3(
y
2
/
3)
2
7
/
3, or
f
(
1
,
2
/
3) =
7
/
3, on voit
donc que f(x,y)¾f(a),fprésente donc un minimum global en a.
Soit
f
(
x,y
) =
x2y2
,
f
admet ses deux dérivées partielles sur
R2
et
f
x
(
x,y
) = 2
x
et
f
y
(
x,y
) =
2
y
, donc
le seul point où
f
peut présenter un extremum est
a
= (0
,
0), on a
f
(
a
) = 0, or si
t>
0, on a
f
(
t,
0) =
t2>
0
et
f
(0
,t
) =
t2<
0, donc
f
ne présente pas d’extremum en
a
(ce qui fournit un contre-exemple pour la
réciproque du théorème).
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