Le maximum de sur le triangle ouvert
Exercice de TD · niveau 2 · mathématiques (PTSI), chapitre 18 — Fonctions de deux variables · D. Extremums
Énoncé
Soit et .
a) Justifier que est un ouvert, et déterminer les points critiques de dans .
b) Montrer que admet sur un maximum global, en préciser la valeur et le point où il est atteint, de deux façons : en appliquant l'inégalité () à , et , puis par une réduction à une variable.
c) Que deviennent le maximum et le minimum de sur le triangle fermé ?
Corrigé
La stratégie. Sur un ouvert, un extremum local est un point critique : on résout pour dresser la liste des candidats. Mais cette liste ne dit rien de la nature du point ; c'est une inégalité extérieure qui prouve le maximum, et le prouve global.
a) L'ouvert et le point critique. Soit , et le plus petit des trois nombres , et . Pour tout point de la boule de centre et de rayon , on a et ; donc , , et . La boule est incluse dans : est un ouvert. En développant : Sur , et , donc équivaut au système linéaire , . La différence donne , puis . Unique point critique dans : , avec .
Le point délicat. Sur tout entier, a quatre points critiques : , , et . Les trois premiers sont sur le bord de , donc hors de : ils ne sont pas candidats. C'est la restriction à l'ouvert qui rend le point critique unique, et c'est elle aussi qui autorise le théorème.
b) C'est un maximum, et il est global.
Première voie : l'inégalité . Posons . Sur , les trois nombres sont strictement positifs et de somme . Pour tout , , avec égalité si et seulement si : c'est l'inégalité du chapitre de calcul différentiel et intégral, avec ; le cas d'égalité se voit sur , de dérivée , strictement négative sur et strictement positive sur : décroît strictement puis croît strictement, atteint en son minimum et ne s'annule qu'en ce point. Appliquons cette inégalité à , et , puis ajoutons : Le membre de gauche vaut ; l'exponentielle étant croissante, , donc avec égalité si et seulement si les trois inégalités sont des égalités, c'est-à-dire : . Au passage, on vient de démontrer, sans l'avoir supposée, l'inégalité entre moyenne géométrique et moyenne arithmétique de trois nombres positifs de somme — elle n'est pas au cours, et on n'en a pas eu besoin.
Seconde voie : réduire à une variable. Fixons la somme . Comme , on a , avec égalité si et seulement si . Donc . La fonction est dérivable sur , avec , positive sur et négative sur : atteint son maximum en , et . Ainsi sur , avec égalité si et seulement si et , soit .
Les deux voies concluent : Contrôle. et , tous deux inférieurs à .
c) Le triangle fermé. Sur le bord de — les trois segments , , — l'un des facteurs , , est nul, donc ; à l'intérieur, les trois facteurs sont strictement positifs, donc . Le maximum sur est donc encore , atteint à l'intérieur ; le minimum est , atteint en tout point du bord. Et ces points du bord ne sont pas, pour la plupart, des points critiques : en par exemple, . La condition nécessaire « extremum implique point critique » ne vaut que sur un ouvert, et le bord n'en fait pas partie.
Ce que l'exercice installe. Le schéma complet d'un problème d'extremum : vérifier qu'on est sur un ouvert, résoudre , puis trouver l'argument qui décide — ici l'inégalité , ou une réduction à une variable. Le point critique désigne, l'inégalité confirme. Et la remarque de fond : le produit de trois nombres positifs de somme fixée est maximal à l'équilibre — la même inégalité qui fait du carré le rectangle d'aire maximale à périmètre donné, et qui dimensionne au moindre coût une pièce ou un réservoir en sciences industrielles.
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