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Exposé 75 : Applications du calcul differentiel à la recherche d'extremums d'une fonction numerique d'une variable réelle. Exemple+calto
Pre requis :
-Continuité et derivabilité d'une fonction numerique à une variable reelle -" l'image d'un segment par une application continue est un segment » -Formule de taylor-young ( à l'ordre 2 )en ox : ()21 2( ), ''( ) , , ( ) ( ) ( ) '( ) ''( ) ( )2o
o o o o o o ox xf C f x existe x I x I f x f x x x f x f x o x x-Î Þ" Î = + - + + -Cadre : Iintervalle de ¡,:f I®¡
'( )f anombre dérivé de f en a s'il existe.1)Extrema d'une fonction Soit
a IÎ.Definition :
1.fadmet un maximum (resp. minimum) global ,ou dits absolu, au point asur
I si :
{}\ , ( ) ( )x I a f x f a" Î £(resp.( ) ( )f x f a³). Il est dit maximum global stricte (minimum global stricte ) si {}\ , ( ) ( )x I a f x f a" Î <( resp.( ) ( )f x f a>).2.fadmet un maximum (resp. minimum) local au point asur
I s'il existe un ouvert Jcontenant a tel que :
{}\ , ( ) ( )x I J a f x f a" Î Ç £(resp.( ) ( )f x f a³). Il est dit maximum local stricte (minimum global stricte ) si {}\ , ( ) ( )x I J a f x f a" Î Ç < ( resp.( ) ( )f x f a>).3.Si fadmet au point a un maximum ou un minimum, on dit que
fadmet un extremum en a. Remarque : Un extremum global est un extremum local. Dans la suite de l'exposé, on ne cherchera que des extremums locauxUne fonction peut admettre un extremun :
-soit à l'xtremité de son intervalle -soit en un point où elle n'est pas derivable. -soit en un point aoù '( ) 0f a= remarque : attention il ya des fonctions qui n'ont pas d'extremum.Exemple :
3:fx x®aeçè¡ ¡
a But : Avoir des conditions nécessaires et des conditions suffisantes quand à l'existence des extremas d'une fonction.2)Recherche d'extrema
a)Une condition nécessaire localeTheoreme : Iintervalle ouvert de ¡,a IÎ. Soit fune fonction derivable en a. Si fpresente un extremum en
aalors '( ) 0f a=.Preuve : Si
aest un minimum local ][0, , , ( ) ( )x a a f x f ae e e$ > " Î - + ³d'où ( ) ( )0, , ( ) ( )0, , f x f ax a ax a f x f ax a ax a e e fdérivable en a donc ' ''( ) ( ) ( )g df a f a f a= =donc '( ) 0f a=.Remarque : la reciproque est fausse
3:fx x®aeçè¡ ¡
aExtremum localÞderivabilité en
a:fx x®aeçè¡ ¡ aExtremum localÞcontinuité en
a [][]21,1 0,1 :, 01, 0fx xxxae- ®çae¹ççç=èèa
Le theoreme n'est plus valable si
aest une extremité : [[[[0, 0,:fx xae+¥ ® +¥çèaCorollaire : théoreme de Rolles (soit
a b<) Soit []: ,f a b®¡continue sur [],a b et dérivabilité sur ][,a btelle que ( ) ( )f a f b=Alors il existe
][,c a bÎtel que '( ) 0f c=.Preuve : (a faire)
fcontinue sur [],a bdonc ,m M$ Ρtels que [][]( , ) ,f a b m M=zvec m M£. -si m M= :la fonction fest constante sur [],a b, donc ][, , '( ) 0x a b f x" Î = -si m M< l'un des réels, au moins, metMest different de ( )f a. Supposons par exemple ( )m f a¹, ][,c a b$ Î tel que ( )f c m= donc fadmet un minimum en cdonc '( ) 0f c=avec ][,c a bÎCorollaire : Theoreme des accroissements finis.
Soit []: ,f a b®¡continue sur [],a b et dérivabilité sur ][,a b,Alors il existe
][,c a bÎ,( ) ( ) '( )( )f b f a f c b a- = - . Preuve (a faire) on applique le théoreme de Rolles à la fonction ( ) ( )( ) ( ) ( )f b f ah x f x x ab a-= - --, hcontinue,.... b)Une condition suffisante globaleTheoreme : Iintervalle ouvert de ¡,
a IÎ. :f I®¡continue. Si fest derivable en tout point de {}/I aet si pour tout {}/x I aÎ,( ) '( ) 0x a f x- £(resp.( ) '( ) 0x a f x- ³ alors fadmet un maximum global (resp. minimum global) en a.Preuve : On applique le T.A.F à
fen xet en a. c)Conditions suffisantes localesTheoreme : Soit
Iun ouvert contenant aSoit :f I®¡ dérivable sur I. Si '( ) 0f a= et si 'fchange de signe en a, alors fadmet un extremum local en aPreuve : Supposons que '( ) 0, ,f x x I x a< " Î <,'( ) 0, ,f x x I x a> " Î > - on restreint fà l'intervalle ]],I aÇ -¥que l'on nommera °f , alors °fest decroissante donc aest un minimum global de °f. - on restreintfà l'intervalle [[,I aÇ +¥que l'on nommera °f , alors °fest croissante donc aest un minimum global de