Adloun

La relation d'Euler des fonctions homogènes, et sa réciproque

Exercice de TD · niveau 3 (difficile) · mathématiques (MP/MPI), chapitre 11 — Calcul différentiel et optimisation · B. Règle de la chaîne et équations aux dérivées partielles

Énoncé

Soit .

a) Soit différentiable sur , homogène de degré : pour tout et tout . Montrer la relation d'Euler , c'est-à-dire .

b) Réciproquement, soit de classe C1 sur vérifiant en tout point. Montrer que est homogène de degré .

Corrigé

La stratégie : une seule fonction d'une variable, dérivée de deux façons. L'homogénéité est une identité en ; la différentiabilité permet de dériver le membre de gauche par la règle de la chaîne. On dérive donc la même fonction de des deux côtés, puis on évalue en : c'est à ce moment précis que apparaît. Pour la réciproque, on fabrique la quantité qui devrait être constante et l'on montre qu'elle l'est.

a) Le sens direct. Fixons et posons pour . Comme et , on a : est un arc de classe C1 tracé dans l'ouvert , de vitesse constante . C'est ici que servent et : sans quoi l'arc sortirait du domaine de . Posons , soit .

Première dérivation, par la chaîne. est différentiable sur l'ouvert et dérivable, donc est dérivable et, par la formule de dérivation le long d'un arc,

Seconde dérivation, par l'homogénéité. Par hypothèse , où est une constante ( est fixé). Donc .

Évaluation en . Les deux expressions coïncident sur , en particulier en où :

Le point délicat : ne pas dériver par rapport à la mauvaise variable. Dans , le membre de droite contient , qui ne dépend pas de : c'est un nombre. Croire devoir « dériver aussi » ne mène nulle part. Symétriquement, la dérivée du membre de gauche n'est pas tout court : la chaîne fait intervenir la vitesse de l'arc, ici , et c'est précisément ce facteur qui produit le voulu. Enfin n'est pas supposé entier : n'a de sens que pour , ce qui est exactement l'hypothèse.

b) La réciproque. Le domaine est un cône. est ouvert et stable par homothétie de rapport : si et , alors . Sans cette stabilité, n'aurait pas de sens pour tout et l'énoncé serait vide. C'est la première chose à vérifier dans tout énoncé d'homogénéité.

La fonction auxiliaire. Dire que est homogène de degré , c'est dire que ne dépend pas de . Fixons donc et posons, pour , L'arc est C1 à valeurs dans , de vitesse constante , et est C1 sur : par dérivation le long d'un arc et par la règle du produit, est dérivable sur et

L'hypothèse, appliquée au bon point. L'identité vaut en tout point de ; appliquons-la en : puis divisons par : .

La dérivée est nulle. En reportant,

Conclusion. est nulle sur , qui est un intervalle : y est constante, égale à . Donc , c'est-à-dire pour tout et tout : est homogène de degré .

Deux points délicats, invisibles si l'on rédige trop vite. Premier : l'hypothèse s'utilise en , point courant de l'arc, et non en ; écrire serait faux, et c'est le facteur divisé à l'étape précédente qui produit exactement le nécessaire à la simplification. Second : « dérivée nulle donc constante » exige un intervalle, ou en dimension supérieure un ouvert connexe par arcs — c'est l'objet de l'exercice suivant.

Contrôle chiffré. est homogène de degré : en , donc , et donne — égalité exacte. Contre-épreuve : a le même gradient, donc , alors que : la relation d'Euler distingue bien les fonctions homogènes. Pour la réciproque, vérifie , et la conclusion se vérifie sur : et .

Ce que l'exercice installe. Dériver le long du rayon échange une identité globale et une équation aux dérivées partielles ponctuelle, et l'échange se fait dans les deux sens : pour de classe C1 sur un cône ouvert connexe par arcs, homogène de degré équivaut à partout. C'est le schéma de la méthode des caractéristiques : ici les demi-droites issues de l'origine, le long desquelles l'équation dit comment varie, n'étant que lue le long de l'une d'elles et renormalisée.

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