Calcul différentiel et équations différentielles , livre ebook

EDP Sciences - Jean-Baptiste Hiriart-Urruty , Guillaume Constans , Dominique Azé

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241 pages

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Description

Exercices originaux accompagnés par leurs corrigés, cet ouvrage s'adresse principalement aux étudiants de licence de Mathématiques (L3), et principalement du module d'enseignement "Calcul différentiel-Equations différentielles". Ce livre scientifique pourra également être utile aux éléves ingénieurs et aux étudiants préparant des masters ou des concours de recrutements (Capes, Agrégations).

Il s'agit d'une recueil de 36 devoirs, au sens premier de vocable, c'est à dire de travaux à effectuer, en temps limité ou chez soi, seul ou à plusieurs. La durée estimée moyenne est de 3 heures pour chaque devoir, lequel comporte généralement deux ou trois exercices indépendants. La plupart des problèmes et exercices proposés sont originaux, ils ont été posés durant les dernières années dans plusieurs universités, sous forme d'examens intermédiaires ou terminaux en temps limité ou à rendre rédigés après y avoir travailler chez soi. Les thèmes traités suivent globalement le déroulement d'un programme standard de module " Calcul différentiel-Equations différentielles", avec au fur et à mesure de l'avancée dans le livre, un retour sur les chapitres passés: une progression en spirale plutôt linéaire.

Sujets

Sciences & Techniques

Mathématiques

Sciences formelles

Mathématiques générales

Mathématiques fondamentales

Mathématiques pures

Mathematics

Sciences et techniques

Informations

Publié par	EDP Sciences
Date de parution	01 mars 2010
Nombre de lectures	20
EAN13	9782759808991
Langue	Français
Poids de l'ouvrage	1 Mo

Informations légales : prix de location à la page 0,3050€. Cette information est donnée uniquement à titre indicatif conformément à la législation en vigueur.

Extrait

COLLECTION ENSEIGNEMENT SUP //// Mathématiques
L3
Calcul différentiel et
équations différentielles
EXERCICES CORRIGÉS
Dominique Azé, Guillaume Constans
et Jean-Baptiste Hiriart-UrrutyCALCUL DIFFÉRENTIEL
ET
ÉQUATIONS DIFFÉRENTIELLES
Exercices et problèmes corrigés
Dominique Azé, Guillaume Constans,
Jean-Babtiste Hiriart-Urruty
Collection dirigée par Daniel Guin
17, avenue du Hoggar
Parc d’activités de Courtabœuf, BP 112
91944 Les Ulis Cedex A, FranceIllustration de couverture : Transfert à faible poussée d’un satellite vers une
orbite géostationnaire, par J.-B. Caillau, J. Gergaud et J. Noailles
(ENSEEIHTToulouse).
Imprimé en France
ISBN : 978-2-7598-0413-9
Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés réservés pour tous
pays. Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des
pages publiées dans le présent ouvrage, faite sans l’autorisation de l’éditeur est illicite et constitue une
contrefaçon. Seules sont autorisées, d’une part, les reproductions strictement réservées à l’usage privé
du copiste et non destinées à une utilisation collective, et d’autre part, les courtes citations justiﬁées
par le caractère scientiﬁque ou d’information de l’œuvre dans laquelle elles sont incorporées (art. L.
122-4, L. 122-5 et L. 335-2 du Code de la propriété intellectuelle). Des photocopies payantes peuvent
être réalisées avec l’accord de l’éditeur. S’adresser au : Centre français d’exploitation du droit de copie,
3, rue Hautefeuille, 75006 Paris. Tél. : 01 43 26 95 35.
c 2010, EDP Sciences, 17, avenue du Hoggar, BP 112, Parc d’activités de Courtabœuf,
91944 Les Ulis Cedex A
TABLE DES MATIÈRES
Avant-Propos vii
Abréviations et Notations xi
1 Énoncés 1
1.1 Calcul diﬀérentiel sur des espaces de matrices. Transformation
deLegendre-Fenchel . . . . ... .. .. ... .. .. ... .. . 1
1.2 Caractérisation d’un opérateur gradient (lemme de Poincaré) 3
1.3 Convexité et diﬀérentiabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Un théorème de Rolle approché. Diﬀérentiation d’applications
radiales. Un système diﬀérentiel linéaire . . . . . . . . . . . . . 7
1.5 Diﬀérentielle d’une fonctionnelle intégrale. Calcul diﬀérentiel
surdesfonctionsàvaleursmatricielles. ... .. .. ... .. . 9
1.6 OpérateursdeNemycki . . ... .. .. ... .. .. ... .. . 11
11.7 Diﬀérentiabilité (et caractère C ) via les diﬀérentielles
partielles. Calcul diﬀérentiel (basique, Théorème
desaccroissementsﬁnis) . ... .. .. ... .. .. ... .. . 12
1.8 Dérivée de t −→ exp((1− t)A)exp(tB). Formules de Taylor
sur la fonction déterminant. Conditions d’extrémalité
du deuxième ordre sur un espace de Hilbert . . . . . . . . . . . 13
1.9 Conditions nécessaires d’optimalité du premier ordre
en l’absence de diﬀérentiabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.10 Méthodededescentelelongdugradient .. .. .. ... .. . 18
1.11 Conditions nécessaires d’optimalité en présence de contraintes
d’inégalité . . ... .. .. ... .. .. ... .. .. ... .. . 20
1.12 Diﬀérentielle de Gâteaux. Multiplicateurs de Lagrange . . . . . 23Calcul différentiel et équations différentielles
1.13 Minimisation d’une fonction convexe sous une contrainte
d’inégalitéconvexe.. ... .. .. ... .. .. ... .. ... . 25
1.14 Minimisation d’une fonction convexe sur un polyèdre convexe
nde R .. ... .. .. ... .. .. ... .. .. ... .. ... . 27
1.15 Détermination et nature des points critiques d’une fonction.
Diﬀérentiation de l’application exponentielle . . . . . . . . . . 29
1.16 Calcul diﬀérentiel d’ordre supérieur. Diﬀérentielle d’ordre 2
d’uneapplicationcomposée. . . . ... .. .. ... .. ... . 31
1.17 Résolution d’équations par la méthode de Newton I . . . . . . 33
1.18 Résolution de l’équation f(x)=0 par la méthode
de Newton II. Minimisation d’une fonction convexe
parlaméthodedugradient .. .. ... .. .. ... .. ... . 35
1.19 Un théorème de Rolle pour les fonctions à valeurs vectorielles.
Un problème de maximisation. Sensibilité des racines simples
d’unpolynôme .. .. ... .. .. ... .. .. ... .. ... . 37
1.20 Conditions d’optimalité exprimées à l’aide du cône tangent
à l’ensemble des contraintes. Applications à un problème
variationnel . .. .. ... .. .. ... .. .. ... .. ... . 39
1.21 Problème variationnel de minimisation d’une fonctionnelle
duCalculdesvariations. . . . . . ... .. .. ... .. ... . 43
1.22 Calcul diﬀérentiel d’ordre 2 sur un espace de matrices.
Surjectivité de la normale unitaire à une hypersurface
ncompacte de R . Ensemble des solutions possibles
d’une équation diﬀérentielle scalaire linéaire d’ordre n . ... . 45
1.23 Descente continue le long du gradient. Projection
3sur une surface de R ... .. .. ... .. .. ... .. ... . 47
31.24 Une surface conique de R . Monotonie des solutions
d’équations diﬀérentielles scalaires autonomes. Une équation
diﬀérentielle vectorielle linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.25 Un problème aux limites par le Théorème des fonctions
implicites. Équations diﬀérentielles linéaires à coeﬃcients
périodiques. . . . . . ... .. .. ... .. .. ... .. ... . 51
1.26 Du Théorème des fonctions implicites au Théorème
deCauchy-Lipschitz . ... .. .. ... .. .. ... .. ... . 53
1.27 Intégrales premières. Utilisation du Théorème des fonctions
implicites. Une équation aux dérivées partielles . . . . . . . . . 54
iv
Table des matières
1.28 Diﬀérentiabilité de la fonction distance à un ensemble.
Une équation diﬀérentielle scalaire non linéaire du deuxième
ordre. Système diﬀérentiel linéaire où les valeurs propres
de A(t) ne dépendent pas de t . . . . . ... .. .. ... .. . 56
1.29 Équations diﬀérentielles scalaires. Équation diﬀérentielle
vectorielle linéaire à coeﬃcients périodiques . . . . . . . . . . . 59
31.30 Distance de l’origine à une courbe de R . Comportement
asymptotique des solutions d’une équation diﬀérentielle
scalaire .. .. ... .. .. ... .. .. ... .. .. ... .. . 60
21.31 Équation diﬀérentielle y = xy . Comportement asymptotique
des solutions d’une équation diﬀérentielle linéaire vectorielle 63
1.32 Formule de Thermodynamique sur les dérivées partielles.
Équation diﬀérentielle x = t sin x. Équation diﬀérentielle
linéaireàcoeﬃcientspériodiques. . . . ... .. .. ... .. . 65
1.33 Équations diﬀérentielles non linéaires. Comportement
asymptotique des solutions d’une équation diﬀérentielle
linéairesouslaconditiondeLiapounov ... .. .. ... .. . 68
1.34 Une équation diﬀérentielle scalaire autonome. Calcul
de la hauteur d’une courbe. Diﬀérentiation de la fonction
déterminant . ... .. .. ... .. .. ... .. .. ... .. . 70
1.35 Équationsdiﬀérentiellesavecretard . . ... .. .. ... .. . 72
1.36 Méthodes d’approximation de solutions d’équations
diﬀérentielles . ... .. .. ... .. .. ... .. .. ... .. . 74
2 Solutions 77
2.1 Calcul diﬀérentiel sur des espaces de matrices. Transformation
deLegendre-Fenchel . . . . ... .. .. ... .. .. ... .. . 77
2.2 Caractérisation d’un opérateur gradient (lemme de Poincaré) 82
2.3 Convexité et diﬀérentiabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
2.4 Un théorème de Rolle approché. Diﬀérentiation d’applications
radiales. Un système diﬀérentiel linéaire . . . . . . . . . . . . . 88
2.5 Diﬀérentielle d’une fonctionnelle intégrale. Calcul diﬀérentiel
surdesfonctionsàvaleursmatricielles. ... .. .. ... .. . 92
2.6 OpérateursdeNemycki . . ... .. .. ... .. .. ... .. . 98
12.7 Diﬀérentiabilité (et caractère C ) via les diﬀérentielles
partielles. Calcul diﬀérentiel (basique, Théorème
desaccroissementsﬁnis) . ... .. .. ... .. .. ... .. . 99
2.8 Dérivée de t −→ exp((1− t)A)exp(tB). Formules de Taylor
sur la fonction déterminant. Conditions d’extrémalité
du deuxième ordre sur un espace de Hilbert . . . . . . . . . . . 104
vCalcul différentiel et équations différentielles
2.9 Conditions nécessaires d’optimalité du premier ordre
en l’absence de diﬀérentiabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
2.10 Méthodededescentelelongdugradient . . . ... .. ... . 112
2.11 Conditions nécessaires d’optimalité en présence de contraintes
d’inégalité . . . . . . ... .. .. ... .. .. ... .. ... . 116
2.12 Diﬀérentielle de Gâteaux. Multiplicateurs de Lagrange . . . . . 119
2.13 Minimisation d’une fonction convexe sous une contrainte
d’inégalitéconvexe.. ... .. .. ... .. .. ... .. ... . 122
2.14 Minimisation d’une fonction convexe sur un polyèdre convexe
nde R .. ... .. .. ... .. .. ... .. .. ... .. ... . 126
2.15 Détermination et nature des points critiques d’une fonction.
Diﬀérentiation de l’application exponentielle . . . . . . . . . . 132
2.16 Calcul diﬀérentiel d’ordre supérieur. Diﬀérentielle d’ordre 2
d’uneapplicationcomposée. . . . ... .. .. ... .. ... . 136
2.17 Résolution d’équations par la méthode de Newton I . . . . . . 140
2.18 Résolution de l’équation f(x)=0 par la méthode
de Newton II. Minimisation d’une fonction convexe
parlaméthodedugradient .. .. ... .. .. ... .. ... . 144
2.19 Un théorème de Rolle pour les fonctions à valeurs vectorielles.
Un problème de maximisation. Sensibilité des racines simples
d’unpolynôme .. .. ... .. .. ... .. .. ... .. ... . 147
2.20 Conditions d’optimalité exprimées à l’aide du cône tangent
à l’ensemble des contraintes. Applications à un problème
variationnel . .. .. ... .. .. ... .. .. ... .. ... . 153
2.21 Problème variationnel de minimisation d’une fonctionnelle
duCalculdesvariations. . . . . . ... .. .. ... .. ... . 158
2.22 Calcul diﬀérentiel d’ordre 2 sur un espace de matrices.
Surjectivité de la normale unitaire à une hypersurface
ncompacte de R . Ensemble des solutions possibles
d’une équation diﬀérentielle scalaire linéaire d’ordre n . ... . 163
2.23 Descente continue le long du gradient. Projection
3sur une surface de R ... .. .. ... .. .. ... .. ... . 166
32.24 Une surface conique de R . Monotonie des solutions
d’équations diﬀérentielles scalaires autonomes. Une équation
diﬀérentielle vectorielle linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
2.25 Un problème aux limites par le Théorème des fonctions
implicites. Équations diﬀérentielles linéaires à coeﬃcients
périodiques.