Différentielle et jacobienne en L2 de maths : exercices corrigés

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Ces exercices différentielle L2 suivent la progression du cours. Les premiers énoncés entraînent les calculs de base : dérivées partielles, gradient, matrice jacobienne et dérivée le long d’un chemin. Ensuite, la partie centrale demande d’étudier la différentiabilité en un point, de manipuler la règle de la chaîne et d’utiliser les accroissements finis.

Enfin, les derniers exercices font travailler les contre-exemples, une famille de fonctions dépendant d’un paramètre et un problème de synthèse. Pour chaque énoncé, commencez par écrire le candidat pour la différentielle, puis cherchez à contrôler le reste. Le corrigé détaillé est publié dans un article séparé. Ainsi, vous pouvez chercher sans être tenté de lire la solution, puis comparer votre rédaction ligne à ligne.

Pour démarrer

Exercice 1 – Calculer des dérivées partielles et des gradients

Calculer les dérivées partielles premières et le gradient de chaque fonction sur son domaine.

  1. \(f(x,y)=x^3y^2-4xy+y\) sur \(\mathbb{R}^2\).
  2. \(g(x,y)=e^{x}\cos(2y)\) sur \(\mathbb{R}^2\).
  3. \(h(x,y,z)=xyz+\ln(1+z^2)\) sur \(\mathbb{R}^3\).
  4. \(k(x,y)=\arctan\frac{y}{x}\) sur le demi-plan \(x>0\).

Exercice 2 – Une dérivée directionnelle par la définition

On pose \(f(x,y)=x^2-xy+2y\), \(a=(1,-1)\) et \(v=(3,1)\).

  1. Calculer \(D_vf(a)\) en revenant à la définition.
  2. Ensuite, retrouver ce résultat à l’aide du gradient de \(f\) en \(a\).

Exercice 3 – Gradient et lignes de niveau d’une ellipse

On considère \(f(x,y)=x^2+4y^2\) et le point \(A=(2,1)\).

  1. Calculer \(\nabla f(A)\).
  2. Ensuite, donner une équation de la tangente en \(A\) à la ligne de niveau de \(f\) qui passe par \(A\), et vérifier qu’elle est orthogonale au gradient.
  3. Enfin, déterminer le vecteur unitaire \(v\) qui rend \(D_vf(A)\) maximale, ainsi que cette valeur maximale.

La figure représente quelques lignes de niveau de \(f\) et le point \(A\).

Lignes de niveau elliptiques de x carré plus quatre y carré avec le point A de coordonnées deux et un

Exercice 4 – Deux matrices jacobiennes

  1. Écrire la matrice jacobienne de \(F(x,y)=\big(xy,\;x+y^2,\;e^{x-y}\big)\) en tout point, puis au point \((1,1)\).
  2. De même, calculer la jacobienne et le jacobien de \(G(u,v)=\big(u^2-v,\;uv^2\big)\). Préciser les points où ce jacobien s’annule.

Exercice 5 – Différentielle d’un polynôme par la définition

On pose \(f(x,y)=x^2y\) et \(a=(2,1)\).

  1. Développer \(f(2+u,1+w)\) et identifier une application linéaire candidate.
  2. Ensuite, montrer par une majoration que le reste est un \(o\big(\|(u,w)\|\big)\), et conclure.

Exercice 6 – Variation d’une fonction sur le cercle unité

On pose \(f(x,y)=x^2+xy\) et \(\gamma(t)=(\cos t,\sin t)\) pour \(t\in\mathbb{R}\).

  1. Calculer la dérivée de \(\varphi=f\circ\gamma\) à l’aide de la règle de la chaîne.
  2. Ensuite, vérifier le résultat en calculant directement \(\varphi(t)\).
  3. Enfin, trouver les valeurs de \(t\) où \(\varphi^{\prime}(t)=0\).

Pour s’entraîner

Exercice 7 – Relation d’Euler pour les fonctions homogènes

Soit \(\alpha\) un réel et \(f\) différentiable sur \(\mathbb{R}^2\setminus\{(0,0)\}\), homogène de degré \(\alpha\) : pour tout \(t>0\) et tout point \(X\neq(0,0)\), \(f(tX)=t^{\alpha}f(X)\).

  1. En dérivant par rapport à \(t\), montrer que \(x\,\partial_1f(x,y)+y\,\partial_2f(x,y)=\alpha\,f(x,y)\).
  2. Ensuite, vérifier cette relation sur \(f(x,y)=\sqrt{x^4+y^4}\), en précisant \(\alpha\).

Exercice 8 – Différentiable ou non à l’origine

Chaque fonction est prolongée par 0 en \((0,0)\). Étudier sa différentiabilité en l’origine.

  1. \(f(x,y)=\frac{xy^3}{x^2+y^2}\).
  2. \(g(x,y)=\frac{x^2y}{x^2+2y^2}\).
  3. \(h(x,y)=\sqrt{|xy|}\), définie sur \(\mathbb{R}^2\) tout entier.

Exercice 9 – Différentiable sans être de classe C1

On pose \(f(x,y)=(x^2+y^2)\cos\frac{1}{x^2+y^2}\) pour \((x,y)\neq(0,0)\) et \(f(0,0)=0\).

  1. Montrer que \(f\) est différentiable en \((0,0)\) et donner \(\mathrm{d}f(0,0)\).
  2. Ensuite, calculer \(\partial_1f(x,y)\) pour \((x,y)\neq(0,0)\).
  3. Enfin, montrer que \(\partial_1f\) n’est pas continue en l’origine.

Exercice 10 – Une équation aux dérivées partielles linéaire

On cherche les fonctions \(f\) de classe \(C^1\) sur \(\mathbb{R}^2\) qui vérifient \(2\,\partial_1f-\partial_2f=0\).

  1. Pour une telle \(f\), on pose \(g(u,v)=f(u-2v,\,v)\). Justifier que \(g\) est \(C^1\) et que \(f(x,y)=g(x+2y,\,y)\).
  2. Ensuite, exprimer \(\partial_vg\) à l’aide des dérivées de \(f\), et en déduire que \(\partial_vg=0\).
  3. Enfin, conclure : décrire toutes les solutions, puis vérifier qu’elles conviennent.

Exercice 11 – Jacobienne d’une composée

On pose \(F(x,y)=(x+y,\;xy)\) et \(G(u,v)=(u^2-2v,\;e^{v})\).

  1. Calculer \(J_F(1,2)\) et \(J_G\big(F(1,2)\big)\), puis en déduire \(J_{G\circ F}(1,2)\) par la règle de la chaîne.
  2. Ensuite, expliciter \(G\circ F\) et retrouver directement cette matrice.

Exercice 12 – Différentielle nulle et accroissements finis

  1. Soit \(U\) un ouvert convexe de \(\mathbb{R}^n\) et \(f:U\to\mathbb{R}\) différentiable de différentielle nulle en tout point. Montrer que \(f\) est constante.
  2. Ensuite, construire une fonction différentiable de différentielle nulle sur l’ouvert \(\{(x,y)\in\mathbb{R}^2 : x\neq0\}\) qui ne soit pas constante.
  3. Enfin, on pose \(f(x,y)=e^{x}\sin y\) sur le carré ouvert \(]0\,;1[^2\). Montrer que \(|f(a)-f(b)|\leqslant e\,\|a-b\|\) pour tous points \(a,b\) de ce carré.

Exercice 13 – Fonctions radiales

Une fonction radiale ne dépend que de la distance \(r=\sqrt{x^2+y^2}\) à l’origine. On se donne donc \(\varphi\in C^1\big(]0\,;+\infty[\big)\), puis on définit \(f\) hors de l’origine par \(f(x,y)=\varphi(r)\).

  1. Montrer que \(f\) est de classe \(C^1\) et que \(\nabla f(x,y)=\frac{\varphi^{\prime}(r)}{r}\,(x,y)\).
  2. Ensuite, en déduire que \(x\,\partial_2f-y\,\partial_1f=0\).
  3. Enfin, trouver toutes les fonctions radiales dont le gradient vaut \(\frac{1}{x^2+y^2}(x,y)\).

Exercice 14 – Différentielle de la norme euclidienne

Sur \(\mathbb{R}^n\), on note \(N(x)=\|x\|^2\) et \(\nu(x)=\|x\|\).

  1. En développant \(N(a+h)\), montrer que \(N\) est différentiable en tout point et donner \(\mathrm{d}N(a)\).
  2. Ensuite, en déduire que \(\nu\) est différentiable en tout \(a\neq0\), et calculer son gradient.
  3. Enfin, montrer que \(\nu\) n’est pas différentiable en 0.

Exercice 15 – Approximation affine et plan tangent

On pose \(f(x,y)=x^3\sqrt{y}\) sur \(\mathbb{R}\times\,]0\,;+\infty[\).

  1. Justifier que \(f\) est de classe \(C^1\) et calculer \(\nabla f(2,4)\).
  2. Ensuite, écrire le plan qui approche au mieux le graphe \(z=f(x,y)\) près de \((2,4,16)\), c’est-à-dire son plan tangent.
  3. Enfin, en déduire une valeur approchée de \((1{,}98)^3\sqrt{4{,}03}\), puis la comparer à la valeur donnée par la calculatrice.

Pour approfondir

Exercice 16 – Une famille de fonctions selon un paramètre

Pour \(\alpha>0\), on pose \(f_\alpha(x,y)=|xy|^{\alpha}\) sur \(\mathbb{R}^2\).

  1. Montrer que \(f_\alpha\) est continue en l’origine et calculer ses dérivées partielles en ce point.
  2. Ensuite, prouver que \(f_\alpha\) est différentiable en l’origine si et seulement si \(\alpha>\frac12\).
  3. Enfin, pour \(\alpha>1\), montrer que \(f_\alpha\) est de classe \(C^1\) sur \(\mathbb{R}^2\).

Exercice 17 – Accroissements finis pour une fonction vectorielle

  1. On pose \(F(t)=(\cos t,\sin t)\). Montrer qu’aucun \(c\in\,]0\,;2\pi[\) ne vérifie \(F(2\pi)-F(0)=2\pi\,F^{\prime}(c)\).
  2. Soit \(U\) un ouvert convexe de \(\mathbb{R}^n\) et \(f:U\to\mathbb{R}^p\) de classe \(C^1\). On suppose \(\|\mathrm{d}f(x)(h)\|\leqslant k\|h\|\) pour tous \(x\in U\) et \(h\in\mathbb{R}^n\). Soit \(a,b\in U\) avec \(f(a)\neq f(b)\). En appliquant le théorème des accroissements finis à \(\psi(t)=\big\langle f\big(a+t(b-a)\big),w\big\rangle\), où \(w=\frac{f(b)-f(a)}{\|f(b)-f(a)\|}\), montrer que \(\|f(b)-f(a)\|\leqslant k\|b-a\|\).
  3. Enfin, on pose \(G(x,y)=\big(\sin x+\frac{y}{2},\;\cos y-\frac{x}{2}\big)\). Montrer que \(G\) est \(\sqrt{5/2}\)-lipschitzienne sur \(\mathbb{R}^2\).

Exercice 18 – Changement de variables dans une équation aux dérivées partielles

On note \(Q=\,]0\,;+\infty[^2\) le quart de plan ouvert. Le but est de résoudre, parmi les fonctions \(C^1\) sur \(Q\), l’équation \(x\,\partial_1f(x,y)-y\,\partial_2f(x,y)=0\).

  1. On pose \(\Phi(x,y)=(xy,\,x)\) et \(\Psi(u,v)=\big(v,\frac{u}{v}\big)\). Vérifier que \(\Phi\) et \(\Psi\) envoient \(Q\) dans \(Q\) et sont réciproques l’une de l’autre.
  2. Ensuite, pour une solution \(f\), on pose \(g(u,v)=f\big(v,\frac uv\big)\). Calculer \(\partial_vg\) et montrer qu’elle est nulle.
  3. Enfin, en déduire toutes les solutions, et vérifier la réponse.

Exercice 19 – Problème : une fonction homogène de degré 1 non différentiable

On pose \(f(x,y)=\frac{x(x^2-y^2)}{x^2+y^2}\) pour \((x,y)\neq(0,0)\) et \(f(0,0)=0\).

  1. Montrer que \(|f(x,y)|\leqslant\|(x,y)\|\), puis que \(f\) est continue sur \(\mathbb{R}^2\).
  2. Ensuite, vérifier que \(f(tv)=t\,f(v)\) pour tout réel \(t\) et tout vecteur \(v\). En déduire que \(D_vf(0,0)\) existe pour tout \(v\) et vaut \(f(v)\).
  3. Par conséquent, calculer \(\partial_1f(0,0)\) et \(\partial_2f(0,0)\), puis montrer que \(f\) n’est pas différentiable en l’origine.
  4. De plus, calculer \(\partial_1f\) et \(\partial_2f\) sur \(\mathbb{R}^2\setminus\{(0,0)\}\), et montrer que \(\partial_1f\) n’a pas de limite en l’origine.
  5. Finalement, on pose \(\gamma(t)=(t,t)\). Comparer la dérivée de \(f\circ\gamma\) en 0 avec \(\partial_1f(0,0)\,\gamma_1^{\prime}(0)+\partial_2f(0,0)\,\gamma_2^{\prime}(0)\). Commenter.

La figure représente quelques lignes de niveau de \(f\) ainsi que les deux bissectrices.

Lignes de niveau de la fonction x fois x carré moins y carré sur x carré plus y carré

Pour aller plus loin

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