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CALCUL DIFF´ERENTIEL
ETEQUATIONS DIFF´ERENTIELLES
LICENCEDEMATH´EMATIQUES ANN´EES 2000-2004
Georges COMTE
Laboratoire J. A. Dieudonn´e,
UMR CNRS 6621,
Universit´e de Nice-Sophia Antipolis,
28, avenue de Valrose,
06108 Nice Cedex 2,
e-mail : comte@unice.fr bureau : 821I-CALCULDIFF´ERENTIEL
Introduction1
Chapitre 0- Rappels d"alg`ebre multilin´eaire4
0.1-Continuit´eetalg`ebre multilin´eaire4
0.2-Graphe d"une application6
Chapitre 1- Applications diff´erentiables 8
1.1-Insuffisance de la d´eriv´ee suivant un vecteur8
1.2-Diff´erentielle en un point et sur un ouvert10
1.3-D´eriv´ees partielles11
1.4-Diff´erentielles d"ordres sup´erieurs12
1.5-Exemples d"applications diff´erentiables13
Exercices du Chapitre 1 14
Corrig´e des exercices du Chapitre 1 15
Chapitre 2- Calculs sur les diff´erentielles 212.1-Th´eor`eme des applications compos´ees21
2.2-Structure d"espace vectoriel22
2.3-Applications `a valeurs dans un produit, matrice jacobienne23
2.4-Th´eor`eme de la moyenne24
2.5-Th´eor`emesC
k 28Exercices du Chapitre 2 33
Corrig´e des exercices du Chapitre 2 35
Chapitre 3- Isomorphismes topologiques et diff´eomorphismes 453.1-Isomorphismes topologiquesd"espaces vectoriels norm´es45
3.2-´Etude deIsom(E;E) au voisinage deId
E 463.3-
´Etude deIsom(E;F)47
3.4-Diff´eomorphismes48
3.5-Classe de diff´erentiabilit´e d"un diff´eomorphisme48
Exercices du Chapitre 3 49
Corrig´e des exercices du Chapitre 3 49
Chapitre 4- Th´eor`emes limites. Points critiques et extrema 524.1-Rappels sur la convergence uniforme52
4.2-Suites de fonctions diff´erentiables53
4.3-Formules de Taylor57
4.3.1-Formule de Taylor-Young57
4.3.2-Formule de Taylor avec reste int´egral58
4.4-Points critiques et extrema60
Exercices du Chapitre 4 64
Corrig´e des exercices du Chapitre 4 65
Chapitre 5- Fonctions implicites. Inversion locale 735.1-Diff´erentielles partielles73
5.2-Famille de contractions d´ependant uniform´ement d"un param`etre74
5.3-Le th´eor`eme de la fonction implicite76
5.4-La g´eom´etrie du th´eor`eme de la fonction implicite79
5.5-Th´eor`eme d"inversion locale et d"inversion globale85
5.6-La dimension finie: des preuves sans th´eor`eme du point fixe88
Exercices du Chapitre 5 89
Corrig´es des exercices du Chapitre 5 90
II -´EQUATIONS DIFF´ERENTIELLES
Chapitre 6-´Equations diff´erentielles ordinaires 966.1-D´efinitions g´en´erales. R´eduction au cas r´esolu du premier ordre96
6.2-Solutions maximales98
6.3-Interpr´etation g´eom´etrique. Champs de vecteurs99
6.4-Le probl`eme de Cauchy100
6.5-Th´eor`eme de Cauchy-Lipschitz : existence et unicit´elocalepourleprobl`eme de Cauchy
1006.6-Th´eor`eme de Cauchy-Arzel`a : existence locale pour le probl`eme de Cauchy103
6.7-Solutions maximales et feuilletage deU103
6.8-Retour sur l"´equation (?)104
Exercices du Chapitre 6 105
Corrig´e des exercices du Chapitre 6 105
R´ef´erences108
III - SUJETS ET CORRIG´ES D"EXAMENS
Tests corrig´es109
Probl`eme : G´eom´etrie du graphe d"une application diff´erentiable 110´Enonc´es ann´ee 2000-2001 111
´Enonc´es ann´ee 2001-2002 115
´Enonc´es ann´ee 2002-2003 119
´Enonc´es ann´ee 2003-2004 127
Corrig´es ann´ee 2000-2001 134
Corrig´es ann´ee 2001-2002 140
Corrig´es ann´ee 2002-2003 145
Corrig´es ann´ee 2003-2004 153
I- Calcul Diff´erentiel
Introduction
Nous commen¸cons par des rappels sur la notion de d´eriv´ee, et tout d"abord dans le cas le plus simple des
fonctions `a variables et valeurs r´eelles (le cas des fonctions `a variables et valeurs complexes est plus sp´ecifiquement
trait´e dans le cours de variable complexe.)D´efinition (fonction r´eelle d´erivable).SoitIun intervalle ouvert deRetf:I→Rune fonction r´eelle.
On dit quefestd´erivable ena?Issi le rapportf(x)-f(a) x-a, admet une limite lorsquextend versadans I\{a}. Cette limite, comme toute limite de fonction si elle existe est alors unique; on la notef (a). Il s"agit d"un nombre r´eel. On dit quef (a)estla d´eriv´ee defena.Sifest d´erivable en tout pointadeI,onen d´eduit une fonctionI?a?→f (a)?R,appel´eela fonction d´eriv´ee def. Remarquons que dire quefest d´erivable ena´equivaut `a dire qu"il existe un r´eelf (a)(quis"av`ere etre unique en tant que limite), tel que la fonctionI\{a}?x?→1 (x-a)[f(x)-f(a)-f (a)(x-a)]?Rtende vers0lorsquextend versa. Ceci revient encore `a dire qu"il existe un r´eelf
(a)(quis"av`ere etre unique) et une fonction? a :I→Rqui tend vers 0 lorsquextend versatels que : pour toutx?I:f(x)-f(a)-f (a)(x-a)=(x-a)? a (x)(?).Dans cette introduction, on se concentre sur l"aspectg´eom´etriquede la d´efinition de la d´erivabilit´e: le
graphe de l"applicationI?x?→f(a)+f (a)(x-a) est la partie de la droite Δ deR 2 (au-dessus des abscisses x?I)depentef(a) et passant par (a,f(a)). Ce que nous apprend l"´egalit´e(?)surlag´eom´etrie du graphe
Γdefau voisinage de (a,f(a)) est que la distanceδ x repr´esent´ee sur la figure ci-dessous est de l"ordre de |(x-a)? a(x)|, et donc tend vers 0 plus vite que|x-a|(). Autrement dit le graphe Γ vient "s"´ecraser" sur la
droite Δ au point (a,f(a)). f(x) f(a)+f"(a)(x-a) f(a)δx=|(x-a)εa (x)| ax |x-a| ()Soientu 1 etu 2 deux fonctions d´efinies sur un intervalleI,a?Iet supposons queu 2 ne s"annule pas surI\{a}et que lim x→0 u 1 (x) = lim x→0 u 2 (x)=0.Onditalorsqueu 1 tend vers 0 plus vite queu 2 lorsquex tennd versassi le rapportu 1 /u 2 tend vers 0 ena.2Introduction
Consid´erons maintenant le cas un peu plus g´en´eral des fonctions `a variables dans le corpsK=R(ouC)et
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