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 .
- Déterminer le niveau tel que appartienne à la ligne de niveau , et écrire une équation de la tangente à en .
- Vérifier le résultat en paramétrant et en dérivant.
- Dans quelle direction, au départ de , la fonction croît-elle le plus vite ? De combien croît-elle par unité de longueur dans cette direction ?
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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Un blocage sur cet exercice ? Le tuteur d'Adloun guide par questions, sans donner la réponse.