Adloun

Ce qu'une droite prouve, et ce qu'elle ne prouve pas

Exercice de TD · niveau 3 (difficile) · mathématiques MPSI, chapitre 20 — Fonctions de deux variables · D. Extremums

Énoncé

a) En quels points le plan tangent à la surface est-il horizontal ? S'agit-il d'un extremum ?

b) Même question pour . Écrire cette fonction en coordonnées polaires et décrire la surface autour de l'origine.

c) Soit . Montrer que est un point critique de , que la restriction de à toute droite passant par l'origine admet en un minimum local strict, et que pourtant n'est pas un minimum local de .

d) Que prouve, et que ne prouve pas, l'étude de la restriction d'une fonction à une droite ?

Corrigé

La stratégie. Plan tangent horizontal équivaut à gradient nul : on résout , puis on décide de la nature de chaque candidat à la main, par des restrictions à des chemins bien choisis — des droites d'abord, puis, au c), une parabole, parce que les droites ne suffisent pas.

a) La selle. Le plan tangent en a pour équation ; il est horizontal si et seulement si ses deux pentes sont nulles, c'est-à-dire si et seulement si . Pour : si et seulement si . Unique point, l'origine, où et le plan tangent est .

Ce n'est pas un extremum. Pour , ; pour , . Aussi près de l'origine qu'on veut, prend des valeurs strictement positives et strictement négatives, alors que : ni maximum ni minimum local. C'est le point selle, ou col, du cours : minimum le long de l'axe des abscisses, maximum le long de l'axe des ordonnées.

b) La selle de singe. . La seconde équation impose ou ; la première, , force alors l'autre coordonnée à s'annuler. Unique point critique : l'origine, où . Ce n'est pas un extremum : change de signe en .

En polaires. Pour , : par la formule de triplication du cosinus. Le signe de est celui de : positif sur trois secteurs d'ouverture (autour des directions , , ), négatif sur les trois secteurs intercalés. Autour de l'origine, la surface a trois crêtes et trois vallées — une selle de cheval a deux places pour les jambes, celle-ci en a une troisième pour la queue, d'où son nom.

c) Un minimum sur toutes les droites, et pourtant. Développons : , d'où , qui s'annule en : point critique, avec .

Sur la droite verticale : pour . Minimum local strict.

Sur une droite : . Si , pour , les deux facteurs et ont le signe de , donc leur produit est strictement positif, et . Si , pour . Dans tous les cas, minimum local strict en .

Sur chaque droite du plan passant par l'origine, sans exception, la restriction de admet en un minimum local strict.

Et pourtant. Suivons la parabole : Le point tend vers l'origine quand : dans tout voisinage de , il existe des points où . n'est pas un minimum local de .

Pourquoi les droites ne le voient pas. est strictement négative exactement sur la région , comprise entre les deux paraboles où elle s'annule. Cette région touche l'origine, mais elle est aplatie contre l'axe des abscisses : sur la droite avec , la condition impose , donc les points de la région sur cette droite sont à distance au moins de l'origine ; sur les deux axes, il n'y en a aucun. Aucune droite issue de l'origine ne pénètre la région négative au voisinage de l'origine — elles ne la traversent qu'en un point, l'origine elle-même.

d) L'asymétrie à retenir. Une restriction à une droite — ou à n'importe quel chemin — sert à prouver qu'un point n'est pas un extremum : une seule direction où cela rate suffit, et c'est concluant, comme au a) et au b). Elle ne prouve jamais qu'un point en est un : il faudrait examiner tous les chemins, et « toutes les droites » n'en recouvre qu'une partie infime. C'est exactement le phénomène de l'exercice 1, où les deux axes ne suffisaient pas à décider de la continuité.

Contrôle numérique. , en un point situé à environ de l'origine ; et , conforme à .

Ce que l'exercice installe. Un point critique n'est pas un extremum : la condition est nécessaire sur un ouvert, jamais suffisante. Et en deux variables, un voisinage n'est pas une réunion de droites : entre les droites passent les paraboles. Ce contre-exemple, dû à Peano, est celui qu'on opposera en seconde année aux conditions du second ordre, qui elles aussi ne regardent que des directions.

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Un blocage sur cet exercice ? Le tuteur d'Adloun guide par questions, sans donner la réponse.