(b). Calculons les dérivées partielles de f. Nous obtenons f x (x, y) = 2x(1 + x2 + y 2 ) 4x(x 2 + y 2 ) (1 + x 2 + y 2 ) 3 4x 2

Transcription

1 CORRECTION DU MODÈLE D EXAMEN 2 Exercice 1 (). L fonction f est un quotient de deux fonctions polynomiles et le dénominteur ne s nnulle ps sur R 2, donc f est de clsse C et en prticulier de clsse C 2. (b). Clculons les dérivées prtielles de f. Nous obtenons f x (x, y) = 2x(1 + x2 + y 2 ) 4x(x 2 + y 2 ) = 2x(1 x2 y 2 ) (1 + x 2 + y 2 ) 3 (1 + x 2 + y 2 ). 3 L fonction f étnt symétrique en x et y, nous vons ussi f y (x, y) = 2y(1 x2 y 2 ) (1 + x 2 + y 2 ). 3 Un point (x, y) est critique pour f ssi les dérivées prtielles s nnulent simultnément en (x, y), Ce qui revient à chercher les solutions du système { 2x(1 x 2 y 2 ) =, 2y(1 x 2 y 2 ) =. Nous obtenons les points (, ) et l ensemble des points du cercle S = {(x, y), x 2 + y 2 = 1}. (c). Clculons les dérivées prtielles secondes de f. Nous vons x 2 (x, y) = 2 1 x2 y 2 (1 + x 2 + y 2 ) 3 4x 2 (1 + x 2 + y 2 ) 3 12x2 (1 x 2 y 2 ) (1 + x 2 + y 2 ) 4. En prticulier, 2 f (, ) = 2 tndis que si x 2 + y 2 = 1, lors 2 f (x, y) = x 2 x 2 x2. Pr symétrie, nous obtenons ussi 2 f (, ) = 2 et si x 2 + y 2 = 1, 2 y 2 (x, y) = y2. Il nous reste à clculer les dérivées prtielles croisées : y 2 2 x y (x, y) = 2 f 4xy (x, y) = y x (1 + x 2 + y 2 ) 12xy(1 x2 y 2 ), 3 (1 + x 2 + y 2 ) 4 donc 2 f (, ) = et si x y x2 + y 2 = 1, lors 2 f xy (x, y) =. x y 2 1

2 2 CORRECTION DU MODÈLE D EXAMEN 2 En (, ), nous obtenons 2 f x 2 (, ) > et x (, f 2 ) 2 (, ) y2 ( (, ) x y donc (, ) est un minimum locl. En (x, y) tel que x 2 + y 2 = 1, nous vons x (x, f 2 y) 2 (x, y) y2 donc nous ne pouvons ps conclure. ) 2 >, ( ) 2 2 f (x, y) =, x y (d). Nous vons f(, ) = et f(x, y) > si (x, y) (, ), donc (, ) est en fit un minimum globl strict. Si x 2 + y 2 = 1 et r >, nous vons f(rx, ry) = r2 que l on (1+r 2 ) 2 note g(r). L fonction g est de clsse C 1 et g (r) = 2r(1 r2 ), donc g est (1+r 2 ) 3 strictement croissnte sur ], 1[, strictement décroissnte sur ]1, + [ et tteint son mximum en r = 1. On en déduit que pour tout (x, y) R 2, x f(x, y) f( x2 + y, y 2 x2 + y ) = 1 2 4, et que f tteint un mximum globl en tout point du cercle S. Exercice 2 On remrque que l fonction S est une somme d une fonction exponentielle et de fonctions polynomiles, elle est donc de clsse C sur R 3. (). Les points critiques de S sont solutions du système x 1 (x 1, x 2, x 3 ) = 2x 1 =, x 2 (x 1, x 2, x 3 ) = 3x 2 2 =, x 3 (x 1, x 2, x 3 ) = (1 + x 3 )e x 3 =. (b). Ce système pour unique solution le triplet (,, 1) où S(,, 1) = e. Nous vons S(, x, 1) = x 3 e qui est une fonction strictement croissnte, donc (,, 1) ne peut ps être un extrémum sur R 3.

3 CORRECTION DU MODÈLE D EXAMEN 2 3 (c). Nous venons de voir que qu il n y ps de point critique sur {(x 1, x 2, x 3 ), x i > et 3 p i x i < R} donc si S un extrémum, il est sur le bord. Si nous vons un mximum en un point où un x i = et i p ix i < R, lors en ugmentnt un peu x i, nous vons encore i p ix i R et S qui ugmente, ce qui contredit le fit que nous vions un mximum. Finlement, nous obtenons i p ix i = R. (d). Cherchons un mximum de S sous l contrinte i p ix i = R. D près le cours, il existe un multiplicteur de Lgrnge λ tel qu en un mximum (x 1, x 2, x 3 ), nous yons x 1 (x 1, x 2, x 3 ) = 2x 1 = 2λ, x 1 (x 1, x 2, x 3 ) = 3x 2 2 = 3λ, x 1 (x 1, x 2, x 3 ) = (x 3 + 1)e x 3 = 2eλ, soit x 1 = (x 3 +1)e x 3 /(2e) et x 2 2 = (x 3 +1)e x 3 /(2e). Nous obtenons vec l contrinte i p ix i = R, 2 (x 3 + 1)e x 3 (x3 + 1)e + 3 x 3 + 2ex 3 = 5 + 2e. 2e 2e Nous vons l solution évidente x 3 = 1. Comme le terme de guche de cette éqution est une fonction strictement croissnte en x 3, nous en déduisons que x 3 = 1 est l unique solution et finlement que λ = 1, x 1 = 1 et x 2 = 1. Le mximum de S, si il est tteint, l est en (1, 1, 1). Remrque 1. Ce point est un vri mximum. Les hypothèses générles des économistes sur les fonctions de stisfction permettent d être sur d voir toujours un mximum, ce mximum étnt obtenu lorsque tous les revenus sont dépensés. Remrquez ussi qu un consommteur idél est cpble de fire de l optimistion sous contrinte ;) i=1 1. Exercice 3 On fit le chngement de vrible sphérique x = r cos θ sin φ y = r sin θ sin φ z = r cos φ

4 4 CORRECTION DU MODÈLE D EXAMEN 2 vec (r, θ, φ) dns D = {(r, θ, φ), r 1, φ π 2, θ π 2 }. Le lgrngien de ce chngement de vribles est r 2 sin φ, ce qui nous permet d obtenir x y z dx dy dz = r 5 sin 3 φ cos φ cos θ sin θdr dθ dφ = 1 D D 48 en remrqunt que sin 3 φ cos φ = 1 4 (sin4 φ) et cos θ sin θ = 1 2 (sin2 θ). 2. Exercice 4 L ensemble D est l intersection de deux ensembles de bord des ellipses. Les points d intersection de ces ellipses vérifient les équtions x 2 / 2 + y 2 /b 2 = 1 = x 2 /b 2 + y 2 / 2 ce qui donne ( b 2 )x2 = ( b 2 )y2, et comme et b sont distincts et positifs, nous obtenons x 2 = y 2 i.e. x = ±y = ± b 2 + b. 2 Sur un dessin, nous voyons que l ire A du domine D est 8 fois l intégrle b b q1 x2 2 +b 2 2 b dy dx = 2 +b 2 (b 1 x2 x)dx 2 x soit b A = 8b 2 +b 2 ( 1 x2 )dx 42 b b. 2 Nous posons x = sin θ dns l intégrle et choisissons α tel que α sin α = b et cos α = 2 + b2 A = 8b cos 2 θdθ 42 b b = 8b(α 2 2 soit près simplifiction, A = 4b rcsin b 2 + b b 2, sin 2α + ) 42 b b 2

5 CORRECTION DU MODÈLE D EXAMEN 2 5 Remrque 2. Si = b, l intersection est tout le disque de ryon et dns cette formule, nous obtenons ouf... A = π 2,