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\title{Fonctions à deux variables}
\author{William Hergès\thanks{Sorbonne Université - Faculté des Sciences, Faculté des Lettres}}
\begin{document}
\maketitle
\tableofcontents
\newpage
\section{Fonctions, graphes et courbes de niveau}
Dans ce chapitre, nous n'allons traiter que les fonctions à deux variables.
\begin{defn}
Une fonction $f$ de $D\subset\mathbb{R}^2$ dans $E\subset\mathbb{R}$ est définie telle que :
$$(x,y)\longmapsto f(x,y)$$
On appelle ce type de fonction une fonction à deux variables.
\end{defn}
\begin{defn}
Le graphe de $f$ une fonction à deux variables l'ensemble des points
$$ \Gamma_f = \{((x,y),z)|(x,y)\in D,z=f(x,y)\} $$
\end{defn}
On peut avoir que $f$ ne dépend qu'une des deux variables, $x$ par exemple. On a alors que son graphe ne dépend pas de $y$, i.e.
$$ \forall (y,y')\in I\subset\mathbb{R}, f(x,y) = f(x,y') $$
\begin{defn}
On définit $C_t$ tel que :
$$C_t = \{(x,y)\in\mathbb{R}^2|f(x,y)=t\}$$
$C_t$ est une courbe de niveau.
\end{defn}
\section{Dérivée partielle}
\begin{defn}
Soit $f$ une fonction de $D_1\times D_2$ dans $I$.
On note $f_{y_0}$ la fonction de $D_1$ dans $I$ tel que :
$$ \forall s\in D_1,\quad f_{y_0} = f(s,y_0) $$
\textit{Mutadis mutandis} pour $f_{x_0}$.
\end{defn}
\begin{defn}
La dérivée partielle de $f$ par rapport à $x$ (resp. $y$) est la dérivée de $f_{y_0}$ (resp. $f_{x_0}$). On la note :
$$ \frac{\partial f}{\partial x} = f'_{y_0} $$
\end{defn}
\begin{thm}
On a :
\begin{align*}
\frac{\partial}{\partial x}\left( \frac{\partial f}{\partial y} \right) &= \frac{\partial^2 f}{\partial x\partial y} \\
\frac{\partial}{\partial y}\left( \frac{\partial f}{\partial x} \right) &= \frac{\partial^2 f}{\partial y\partial x}
\end{align*}
Ce qui est la même chose ! Ainsi :
$$ \frac{\partial^2 f}{\partial x\partial y} = \frac{\partial^2 f}{\partial y\partial x}$$
\end{thm}
\begin{lititle}
Plan tangent
\end{lititle}
L'équation du plan tangent par $f$ est $(x_0,y_0)$ :
$$ z = f(x_0,y_0)+\frac{\partial f}{\partial x}(x-x_0)+\frac{\partial f}{\partial y}(y-y_0) $$
\begin{defn}
On pose $\nabla f$ le gradient de $f:D_1\times D_2\to I$ (où $D_1\times D_2\subset\mathbb{R}^2$ et $I\subset\mathbb{R}$) tel que :
$$ \forall (x,y)\in D_1\times D_2,\quad\nabla f (x,y) = \begin{pmatrix} \frac{\partial f}{\partial x} (x,y)\\ \frac{\partial f}{\partial y} (x,y)\end{pmatrix} $$
\end{defn}
\fbox{
\begin{minipage}{\dimexpr\textwidth-2\fboxsep-2\fboxrule\relax}
\begin{lititle}
\centering Notations de Monge
\end{lititle}
On note $$p=\frac{\partial f}{\partial x}\quad;\quad q=\frac{\partial f}{\partial y}$$
On note $$ r=\frac{\partial^2 f}{\partial^2 x}\quad;\quad s = \frac{\partial^2 f}{\partial x\partial y}\quad;\quad t = \frac{\partial^2 f}{\partial^2 y} $$
\end{minipage}
}
\section{Extrémum}
\begin{thm}
$f$ possède un extremum en $(x_0,y_0)$ implique que :
$$ \frac{\partial f}{\partial x}(x_0,y_0) = \frac{\partial f}{\partial y}(x_0,y_0) = 0$$
\end{thm}
\begin{thm}
Soient $f$ une fonction à deux variables et $(x_0,y_0)$ est un point critique. \\
On pose $$ D = rt-s^2$$
avec $r,t,s$ les notations de Monge.
\begin{itemize}
\item Si $D>0$, alors $(x_0,y_0)$ est un extrémum. Il s'agit d'un maximum si $r<0$ ou d'un minimum si $r>0$.
\item Si $D<0$, alors $(x_0,y_0)$ n'est pas un extrémum.
\item Si $D=0$, alors tout est possible.
\end{itemize}
\end{thm}
\begin{props}
Soit $f:D\to I$ de classe $\mathcal{C}^1$. \\
Soit $c\in I$ et $f^{-1}(c)$ un ensemble de niveau de $f$.\\
Soit $X: I\to D$ telle que $X(t)\in f^{-1}(c)$ pour tout $t\in I$.
Alors :
$$ X'(t)\nabla f(X(t)) = 0 $$
pour tout $t\in I$.
\end{props}
\begin{proof}
\AQT
\end{proof}
\end{document}
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