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Niveau Maths sup
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Fonction implicite

Posté par
matix
18-04-08 à 00:26

Bonsoir,

J'ai essayé de faire un exercice s'intitulant ainsi:

1°) Montrer qu'il existe une fonction \phi de \mathbb{R} dans \mathbb{R} de classe C^{\infty} sur un voisinage de 1, telle que \phi(1)=1 définie implicitement par:
ln(1+x-y^2)+e^{1-2x+y}-1=0.

2°) Calculer \phi'(1).

3°) Ecrire le DL de \phi à l'ordre 2 au voisinage de 1 et en déduire l'allure de la courbe C d'équation ln(1+x-y^2) + e^{1-2x+y} -1=0, au voisinage du point (1,1).


Pour la 1ère question, voici ce que j'ai fait, mais je n'en suis absolument pas sûr, spécialement d'un point de vue ... "rigueur".

J'ai considéré les points a=1 et b=1. En nommant f la fonction donnée précédemment dans l'énoncé, on a bien f(1,1)=0. De plus, f est de classe C^{\infty} sur ...??
Enfin, on s'aperçoit facilement que \frac{\partial f}{\partial y}(1,1) =-1 \not = 0.

Ainsi, on peut appliquer le théorème des fonctions implicites.
Donc il existe A voisinage ouvert de 1 et B voisinage ouvert de 1, et une fonction \phi allant de A dans B, C^{\infty}, telle que \phi(1)=1 (puisqu'on doit avoir \phi(a)=b) et telle que f(x,y)=0 ssi y=\phi(x) \forall x \in A.

Qu'en pensez-vous?

Pour la seconde question, j'ai trouvé \phi'(1)=-1. Etes-vous d'accord?

Enfin, pour ce qui est de la dernière question, je ne vois pas comment partir... Comment faire un DL alors qu'on a pas l'expression de la fonction??

Bonne soirée, merci d'avance.

Posté par
JJa
re : Fonction implicite 18-04-08 à 08:01

Premièrement :
exp(1-2x+y)-1 > 0 donc
ln(1+x-y²) < 0
donc 0 < 1+x+y² < 1
-> domaine de définition.
Deuxièmement :
Dans l'énoncé la fonction à une seule variable y=phi(x) est définie par l'équation donnée.
Ensuite, tu définis une autre fonction à deux variables :
f(x,y) = ln(1+x-y²)+exp(1-2x+y)-1
Il ne faut pas confondre f(x,y) et phi(x) !!!
On ne te demande pas la dérivée partielle de f(x,y) par rapport à y. On te demande la dérivée de phi(x). Ce n'est pas la même chose.
(ce qui ne veux pas dire que ta réponse phi'(1)=-1 soit fausse : par chance, tu pourrais être tombé juste.
Troisièmement :
On te demande le DL :
y(x)=phi(x)=a+b(x-1)+c(x-1)²+...
Tu sais déjà que a=1 puisque phi(1)=1
si tu a trouvé phi'(1), cela te donne la valeur de b.
Il ne te reste plus qu'à trouver c.
Pour simplifier, il est conseillé de faire le changement de variable x=1+epsilon
donc y = 1+b(epsilon)+c(epsilon)²+...
On reporte ces expressions de x et y dans f(x,y)=0
On développe, on néglige les termes d'ordre suppérieur à 2 et il reste de quoi calculer c.

Posté par
matix
re : Fonction implicite 18-04-08 à 19:28

Bonjour,

Merci pour ta réponse Jja.
Cependant, je n'ai vraiment pas tout saisi.

Pour la 1ère question, je ne comprends tout d'abord pas pourquoi tu mets exp(1-2x+y)-1 > 0, et pourquoi cela est vrai. Ensuite, je ne vois pas comment tu appliques le théorèmes des fonctions implicites. De mon côté, voici ce qu'on m'a appris. Pour montrer l'existence d'une telle fonction \phi, on doit montrer plusieurs points. En premier lieu, montrer qu'on a une fonction f de classe C^k, montrer qu'on a f(a,b)=0 pour je ne sais quels a et b d'ailleurs, puis enfin, montrer que \frac{\partial f}{\partial y}(a,b) \not = 0, c'est-à-dire montrer que la dérivée partielle de f par rapport à sa seconde variable est inversible (bijection). Et à partir de là, on en conclut l'existence de \phi.. Mais j'avoue que c'est loin d'être clair dans ma tête. Peut-être pourrait-on repréciser tout cela de façon un peu plus rigoureuse.

P.S.: concernant le calcul de \phi', comment ferais-tu?

Posté par
JJa
re : Fonction implicite 19-04-08 à 09:25

En effet, il y avait une erreur :
ln(1+x-y²)+exp(1-2x+y)-1=0
exp(1-2x+y) = 1-ln(1+x-y²)
Exp est toujours positif donc :
1-ln(1+x-y²)>0
ln(1+x-y²)<1
0 < (1+x-y²) < e
Ceci n'était qu'une information sur le domaine de définition, rien de plus.
Pour la dérivée :
la différentielle totale de l'équation:
ln(1+x-y²)+exp(1-2x+y)-1=0
est :
(dx-2y dy)/(1+x-y²)+(-2dx+dy)exp(1-2x+y)=0
On regroupe les dx et les dy sous la forme
F(x,y) dx + G(x,y) dy = 0
la dérivée est :
phi' = dy/dx = - F(x,y)/G(x,y)
Avec x=1 et y=1 on trouve phi'(1)

Posté par
matix
re : Fonction implicite 19-04-08 à 14:24

Merci pour tes précisions.
Cependant, on me demande de montrer l'existence d'une fonction \phi qui doit être C^{\infty}, et pour cela, il faudrait montrer, je crois, que f aussi est C^{\infty}, ce qui ne semble pas être le cas non?

Posté par
matix
re : Fonction implicite 19-04-08 à 17:08

Quelques problèmes demeurent:

- Pour le DL, j'ai du mal à trouver le coefficient c par exemple. En effet, d'une part remplacer l'expression de \phi(x)=y dans f(x,y)=0 est plutôt long et fastidieux (avec tous les DL), et d'autre part, même après toutes les simplifications, je en vois pas comment obtenir c! On obtient en général une égalité du genre, par exemple (mais pas pour ce cas précis): (-\frac{1}{2}-c)x^2+x-2=0. Comment trouver c avec ça?? N'y a-t-il pas une méthode moins...fastidieuse?

- Enfin, en admettant que j'ai réussi à obtenir le DL final de \phi, comment, à partir de là, donner une allure de la courbe au voisinage du point considéré?

Merci d'avance.

Posté par
carpediem
fonction implicite 19-04-08 à 17:48

regarde ta formule comme une "fonction composée" de x
dérive une première fois et fais apparaître y'
puisque y(1)=1 (ou (x,y)=(1,1)) tu obtiens une équation d'inconnue y'=y'(1)
dérive à nouveau cette formule et fais apparaître y''=y''(1) et resoud à nouveau ton équation sachant que x=y=1 et y'=-1 (oui ta la solution) tu trouve y''(1)=0 (si je ne me suis pas trompé) donc y=1-x+0+h²(h) au voisinage de 1
il est donc facile de tracer cette courbe (droite) au voisinage de 1

Posté par
matix
re : Fonction implicite 19-04-08 à 19:28

Dans ce cas, ça va parce qu'on a l'équation d'une droite, mais dans d'autres cas, il me reste des termes en x^2 et x^3..comment s'y prendre dans de tels cas?

Posté par
matix
re : Fonction implicite 19-04-08 à 20:13

carpediem, je n'ai pas compris ta technique pour obtenir le coeff du DL...

Posté par
carpediem
fonction implicite 19-04-08 à 20:16

c'est la même chose mais en un peu +(!) compliqué: si tu avais eu des x² tu aurais obtenu une (morceau de) parabole
un dl n'est qu'une approximation polynomiale au voisinage de 1
au fait je me suis trompé: y=1-h+0+... avec h=x-1
donc soit tu gardes h et tu prends pour origine le point (1,1) soit tu mets les x
essaie d'aller à l'ordre 3 ou 4 pour mieux voir ta courbe

Posté par
matix
re : Fonction implicite 19-04-08 à 20:23

Ok, ok. Désolé d'insister sur un point, mais je n'ai pas compris ta technique pour obtenir le coeff du DL...

Posté par
carpediem
fonction implicite 19-04-08 à 20:27

quand tu dérives ta formule tu gardes x, y, y'...puis seulement après tu remplaces par les valeurs que tu as trouvé précédemment
lorsqu'on dérive 2x on trouve:
[1-2yy']/[1+x-y²] +e1-2x+y(y'-2)=0 (1)
[-2(y'²+yy')(1+x-y²)-(1-2yy')²]/(1+x-y²)² +e1-2x+y[y"-2+(y'-2)²]=0                        (2)

avec (1) tu fais x=y=1 et tu trouves y'(1)
avec (2) tu fais x=y=1 et y'=1 et tu trouves y"

et ainsi de suite...

Posté par
carpediem
fonction implicite 19-04-08 à 20:31

avec (2) ... et y'=-1...
ton égalité est vraie sur un voisinage de 1 donc en 1
puis après tu appliques la formule du dl



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