Examen EVNCD - Université de Rennes 1
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Examen EVNCD - Université de Rennes 1
Université de Rennes 1 2013-2014 L3-EVNCD Examen EVNCD Durée : 2h Exercice 1. Minimum de la distance à la sphère unité. Soit g : (x, y, z) ∈ R3 → x2 + y 2 + z 2 = k(x, y, z)k2 . On note S 2 la sphère unité donnée par S 2 = {(x, y, z) ∈ R3 , g(x, y, z) = 1}. Enfin, on se donne un point (x0 , y0 , z0 ) ∈ R3 \ S 2 et on considère la fonction f : (x, y, z) ∈ R3 7→ (x − x0 )2 + (y − y0 )2 + (z − z0 )2 . 1. Montrer que S 2 est compacte. 2. Prouver que f admet un minimum et un maximum sur S 2 . 3. Montrer que f et g sont de classe C 1 sur R3 et calculer leurs gradients ∇f et ∇g. 4. Quel est l’ensemble des points de S 2 où ∇g s’annule ? 5. Montrer que si (x, y, z) est un extremum relatif de f sur S 2 , alors il existe un réel non nul λ tel que ∇f (x, y, z) = λ∇g(x, y, z) 6. Montrer qu’alors λ = 1 ± k(x0 , y0 , z0 )k. 7. En déduire les valeurs possibles de (x, y, z). 8. Quel point réalise le minimum de f sur S 2 , et que vaut celui-ci ? 9. (Question bonus) Que penser de ce résultat ? Exercice 2. Une équation aux dérivées partielles. On veut trouver toutes les fonctions f : R2 → R de classe C 2 vérifiant l’équation aux dérivées partielles : ∂2f ∂2f ∂2f 9 2 −6 + 2 = 0. (1) ∂x ∂x∂y ∂y Étant donnés λ, µ ∈ R, on pose ϕ : R2 → R2 , (x, y) 7→ (x + λy, x + µy). 1. Donner une condition nécessaire et suffisante sur λ et µ pour que ϕ réalise un C 1 -difféomorphisme de R2 dans R2 . Dans la suite, on supposera cette condition vérifiée. 2. Soit f une fonction de classe C 2 ; on pose pour (u, v) ∈ R2 , g(u, v) = (f ◦ ϕ−1 )(u, v), de sorte que f = g ◦ ϕ. Justifier que g est de classe C 2 et exprimer les dérivées partielles ∂2f , ∂x2 en fonction de λ, µ, ∂2f , ∂x∂y ∂2g , ∂u2 1 ∂2f ∂y 2 ∂2g , ∂u∂v ∂2g . ∂v 2 3. En déduire que si f est solution de l’équation (1), alors g est solution de l’équation (9 − 6λ + λ2 ) 2 ∂2g ∂2g 2 ∂ g + (18 − 6(λ + µ) + 2λµ) + (9 − 6µ + µ ) = 0. ∂u2 ∂u∂v ∂v 2 (2) 4. Montrer que l’équation 9 − 6µ + µ2 = 0 admet une unique solution µ0 et calculer celle-ci. Que vaut 18 − 6(λ + µ0 ) + 2λµ0 pour λ ∈ R ? 5. En déduire que l’équation (2) se réduit, pour µ = µ0 , à l’équation ∂2g = 0. ∂u2 Résoudre celle-ci. 6. Montrer que les solutions de (1) sont les fonctions de la forme xF (x + µ0 y) + yG(x + µ0 y) avec F, G ∈ C 2 (R, R). Exercice 3. Un résultat d’inversion globale. Soit (E, k · k) un espace de Banach, et soit f : E → E de classe C 1 . On pose g = IdE − f . On note L(E) l’espace des endomorphismes continus de E. 1. Montrer que g est de classe C 1 et calculer sa différentielle, notée Dg(x), en tout point x de E. On suppose que pour tout x dans E, kDg(x)kL(E) < 1. 2. Soient x ∈ E, T = Df (x) et U = Dg(x). Montrer que la série L(E) ; on note S sa limite. P n≥0 U n converge dans 3. Montrer soigneusement que ST = T S = IdE . 4. En déduire que f réalise un C 1 -difféomorphisme local d’un voisinage de x dans un voisinage de f (x). On suppose maintenant qu’il existe une constante 0 ≤ k < 1 telle que pour tout x ∈ E, kDg(x)kL(E) ≤ k. 5. Montrer que g est k-lipschitzienne. 6. En déduire que f réalise un C 1 -difféomorphisme global de E dans E. On pourra poser, pour y ∈ E, Fy : x ∈ E 7→ y + x − f (x). 2