Adloun

Le gradient, normal à la ligne de niveau

Exercice de TD · niveau 2 · mathématiques (PT), chapitre 10 — Courbes et Surfaces · A. Courbes implicites du plan et tangentes

Énoncé

Soit et .

Corrigé

Ce que l'on démontre. Que la tangente en est , que le vecteur tangent obtenu par paramétrage est bien orthogonal au gradient, et que la plus forte croissance de se fait dans la direction de , au taux .

1. Le niveau et la tangente. On a , donc , la ligne de niveau . La fonction est polynomiale, donc de classe , et est un point régulier. La tangente en est la droite orthogonale au gradient passant par :

2. Le contrôle par un paramétrage. L'équation s'écrit : c'est une ellipse de demi-axes et , que le cours paramètre par On a bien pour tout . Le point correspond à , car et . Alors et l'on vérifie .

C'est exactement la démonstration du cours, exécutée sur un exemple : dériver l'identité donne . La droite passant par et dirigée par est bien .

3. La direction de plus forte croissance. Pour un vecteur unitaire , la dérivée de en vaut . L'inégalité de Cauchy-Schwarz donne avec égalité si et seulement si est colinéaire à . La croissance est donc maximale dans la direction et le taux de croissance y vaut .

Conclusion. Le gradient est normal à la ligne de niveau — c'est le point un — et il pointe vers les valeurs croissantes : en effet en avançant depuis d'un pas dans cette direction on arrive en , où vaut . Les deux énoncés du cours se lisent sur la même flèche.

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