mathématiques MPSI · Chapitre 11 · Exercice de TD
Le premier terme non nul décide
Analyse asymptotique · D. Études locales : tangentes, asymptotes, extremums · niveau 2
Énoncé
1) Soit de classe au voisinage de , et le plus petit entier tel que . Montrer que En déduire : si est pair, la courbe reste localement d'un même côté de sa tangente en (lequel ?) ; si est impair, elle la traverse (point d'inflexion). Si de plus : admet en un extremum local strict si et seulement si est pair.
2) Montrer que admet en un minimum local, bien que la condition suffisante d'ordre du cours ne s'applique pas.
3) Que se passe-t-il pour en ? Vérifier que la condition nécessaire d'ordre y est satisfaite sans qu'il y ait d'extremum.
Corrigé
Ce qu'on démontre. Le cours donne la condition d'ordre : et suffisent pour un minimum local, et un minimum impose . Quand , le cours ne conclut pas. L'exercice établit le critère général, qui contient celui du cours comme cas .
1) Le théorème général. Par Taylor–Young à l'ordre (licite : est avec ) : Par définition de , les dérivées sont nulles : la somme se réduit à son dernier terme, et Comme , le premier terme non nul du développement donne l'équivalent (c'est le cours : ) :
Position par rapport à la tangente. Un équivalent conserve le signe au voisinage : la différence entre la courbe et sa tangente a, pour assez petit non nul, le signe de .
- Si est pair, pour tout : le signe est celui de , constant des deux côtés. La courbe est au-dessus de sa tangente si , en dessous si .
- Si est impair, change de signe avec : la courbe est d'un côté de la tangente pour et de l'autre pour . Elle la traverse : point d'inflexion.
Extremum. Supposons : la tangente est horizontale et avec . Si est pair, il existe tel que ait le signe strict de pour : minimum local strict si , maximum local strict si . Si est impair, change de signe en : pas d'extremum. Donc, sous l'hypothèse qu'une dérivée en est non nulle, admet en un extremum local strict si et seulement si est pair. (Sans cette hypothèse, rien : c'est la fonction plate de l'exercice 2.)
2) Un minimum que l'ordre 2 ne voit pas. est , avec En : (point critique), (le critère d'ordre est muet), , et . Donc , pair, avec : minimum local strict en . On le lit aussi directement sur le développement , qui donne les termes en se sont exactement annulés, c'est toute l'astuce de l'énoncé, et le premier terme survivant est positif et pair. Contrôle numérique : contre .
3) Une inflexion qui satisfait la condition nécessaire. : , , . En : , , . Donc , impair : pas d'extremum, la courbe traverse sa tangente horizontale — c'est le développement , négatif à gauche, positif à droite (, ).
Et pourtant la condition nécessaire d'ordre est satisfaite : , comme l'exigerait un minimum — et , comme l'exigerait un maximum. Une condition nécessaire ne conclut jamais : elle élimine (si , pas de minimum), elle n'affirme pas.
Ce que l'exercice installe. Le critère général : le signe de est celui du premier terme non nul du développement, et c'est la parité de son exposant qui décide de l'extremum. La condition d'ordre du cours en est le cas . Quand elle est muette, on pousse le développement — et l'exercice 2 rappelle que si l'on peut le pousser indéfiniment sans rien trouver, le critère ne dit rien.
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