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Dériver la norme, sauf là où la fonction s'annule

Exercice de TD · niveau 2 · mathématiques (PT), chapitre 8 — Fonctions Vectorielles, Arcs Paramétrés et Géométrie Différentielle · A. Dérivabilité et opérations

Énoncé

Soit euclidien et dérivable ne s'annulant pas. Montrer que est dérivable, de dérivée , et donner un contre-exemple en un zéro de (composer avec , dérivable sur ; en : donne ).

Corrigé

Ce que l'on montre. est euclidien et est dérivable sur l'intervalle , avec pour tout . Alors est dérivable sur , avec . On montre ensuite que l'hypothèse « ne s'annule pas » n'est pas un confort de rédaction.

Ce qu'on s'autorise. Deux résultats du cours : le produit scalaire de deux fonctions vectorielles dérivables est dérivable, avec ; et la composée d'une fonction dérivable par une fonction dérivable est dérivable.

Stratégie. Ne pas dériver directement : la norme n'est pas dérivable en , et le calcul buterait aussitôt sur une racine carrée. On dérive , qui est un produit scalaire, puis on remonte par .

Étape 1 — le carré. Posons , fonction de dans . La dérivation du produit scalaire donne : est dérivable et

Étape 2 — la racine, et l'endroit exact où sert l'hypothèse. Puisque ne s'annule pas, pour tout : la fonction est à valeurs dans , ouvert sur lequel est dérivable, de dérivée . La composée est donc dérivable, et C'est là, et uniquement là, que l'hypothèse a servi : n'est pas dérivable en .

Étape 3 — le contre-exemple en un zéro. Prenons , et . Cette fonction est dérivable — chaque coordonnée l'est — et . Or dont le taux d'accroissement en vaut à droite et à gauche : n'est pas dérivable en . L'hypothèse tombe, la conclusion aussi.

Le point délicat. Ce contre-exemple ne dit pas que est toujours non dérivable en un zéro de : pour , on a , parfaitement dérivable en . En un zéro, le théorème ne dit simplement plus rien — et la formule elle-même perd son sens, son dénominateur s'annulant.

Une conséquence à retenir. L'inégalité de Cauchy-Schwarz appliquée au numérateur donne, en tout point où ne s'annule pas, la vitesse à laquelle varie la distance à l'origine ne dépasse jamais la norme de la vitesse. Le cas d'égalité est celui où est colinéaire à , c'est-à-dire un déplacement radial ; le cas est celui où , et l'on retrouve la relation « constante » du mouvement à distance constante.

Acquis. Deux réflexes, valables bien au-delà de cet énoncé : on dérive un carré scalaire, jamais une norme ; et une hypothèse de non-annulation, dans un énoncé de dérivabilité, se lit comme le domaine où la fonction extérieure de la composée est dérivable.

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