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Analyse à plusieurs variables

Dérivées partielles : exercices corrigés avec réponses

12 exercices corrigés sur les dérivées partielles : premier et second ordre, gradient, dérivée directionnelle, plan tangent et points critiques.

Analyse à plusieurs variables Mis à jour Lecture : 4 min

En bref

f_x = \frac{\partial f}{\partial x}, \quad \nabla f = \langle f_x, f_y\rangle, \quad D_{\mathbf{u}}f = \nabla f\cdot\mathbf{u}
Exercices
12, avec réponses et solutions complètes
Niveau
Analyse 3
Prérequis
Toutes les règles de dérivation à une variable, surtout la règle de dérivation en chaîne
Idée principale
Dériver par rapport à une variable en traitant toutes les autres comme des constantes
S'entraîner avec de nouveaux nombres
Leçon sur les dérivées partielles
Sur cette page
  1. Exercices
  2. Réponses
  3. Solutions détaillées
  4. Erreurs fréquentes sur ces exercices
  5. Continuer à s'entraîner

Ces exercices sur les dérivées partielles commencent par les dérivées partielles premières, puis passent aux dérivées secondes, au gradient, aux dérivées directionnelles, aux plans tangents et aux points critiques. Cherchez chaque exercice d'abord. Les réponses viennent en premier, puis les solutions complètes.

L'idée unique derrière chaque exercice :

f_x = \frac{\partial f}{\partial x}: \text{ dériver en } x, \text{ traiter } y \text{ comme une constante}

Pour ces notions illustrées, lisez le guide des dérivées partielles et le guide du gradient.

Exercices

Dérivées partielles premières

  1. f(x, y) = x^3y^2 + 4xy. Calculez f_x et f_y.
  2. f(x, y) = e^{xy}. Calculez f_x et f_y.
  3. f(x, y) = \sin(x^2y). Calculez f_x et f_y.
  4. f(x, y) = \ln(x^2 + y^2). Calculez f_x.
  5. f(x, y) = \dfrac{x}{y}. Calculez f_x et f_y.
  6. f(x, y, z) = xyz + z^2. Calculez f_z.

Dérivées secondes et valeurs

  1. f(x, y) = x^2y^3. Calculez f_{xx}, f_{yy} et f_{xy}.
  2. f(x, y) = x^2 + 3xy - y^2. Calculez f_x(1, 2) et f_y(1, 2).

Gradients et plans

  1. Calculez \nabla f(2, 1) pour f(x, y) = x^2y.
  2. Calculez la dérivée directionnelle de f(x, y) = x^2y en (2, 1) dans la direction de \langle 3, 4\rangle.
  3. Déterminez le plan tangent à z = x^2 + y^2 en (1, 2, 5).
  4. Déterminez et classez le point critique de f(x, y) = x^2 + y^2 - 4x + 6y.

Réponses

Exercice Réponse
1 f_x = 3x^2y^2 + 4y, f_y = 2x^3y + 4x
2 f_x = ye^{xy}, f_y = xe^{xy}
3 f_x = 2xy\cos(x^2y), f_y = x^2\cos(x^2y)
4 f_x = \dfrac{2x}{x^2 + y^2}
5 f_x = \dfrac{1}{y}, f_y = -\dfrac{x}{y^2}
6 f_z = xy + 2z
7 f_{xx} = 2y^3, f_{yy} = 6x^2y, f_{xy} = 6xy^2
8 f_x(1, 2) = 8, f_y(1, 2) = -1
9 \langle 4, 4\rangle
10 \frac{28}{5}
11 z = 5 + 2(x - 1) + 4(y - 2), soit z = 2x + 4y - 5
12 (2, -3), un minimum local de valeur -13

Solutions détaillées

1. Pour f_x, y^2 et 4y sont des constantes : f_x = 3x^2y^2 + 4y. Pour f_y, x^3 et 4x sont des constantes : f_y = 2x^3y + 4x.

2. Dérivation en chaîne avec la fonction intérieure xy. Sa dérivée par rapport à x est y et sa dérivée par rapport à y est x :

f_x = ye^{xy}, \qquad f_y = xe^{xy}

3. Dérivation en chaîne avec la fonction intérieure x^2y :

f_x = \cos(x^2y)\cdot 2xy, \qquad f_y = \cos(x^2y)\cdot x^2

4. La dérivée de \ln u est \frac{u'}{u}, et la dérivée par rapport à x de x^2 + y^2 est 2x :

f_x = \frac{2x}{x^2 + y^2}

5. Par rapport à x, \frac{x}{y} est x multiplié par la constante \frac{1}{y}. Par rapport à y, c'est x\cdot y^{-1} :

f_x = \frac{1}{y}, \qquad f_y = -xy^{-2} = -\frac{x}{y^2}

6. Traitez x et y comme des constantes : f_z = xy + 2z.

7. D'abord, f_x = 2xy^3 et f_y = 3x^2y^2. Ensuite :

f_{xx} = 2y^3, \qquad f_{yy} = 6x^2y, \qquad f_{xy} = \frac{\partial}{\partial y}(2xy^3) = 6xy^2

Vérification : f_{yx} = \frac{\partial}{\partial x}(3x^2y^2) = 6xy^2. Les deux coïncident.

8. f_x = 2x + 3y, donc f_x(1, 2) = 2 + 6 = 8. f_y = 3x - 2y, donc f_y(1, 2) = 3 - 4 = -1.

9. f_x = 2xy et f_y = x^2. En (2, 1) : \nabla f = \langle 4, 4\rangle.

10. La norme de \langle 3, 4\rangle vaut 5, donc le vecteur unitaire est \left\langle\frac{3}{5}, \frac{4}{5}\right\rangle :

D_{\mathbf{u}}f = \langle 4, 4\rangle\cdot\left\langle\frac{3}{5}, \frac{4}{5}\right\rangle = \frac{12}{5} + \frac{16}{5} = \frac{28}{5}

11. f_x = 2x = 2 et f_y = 2y = 4 en (1, 2). Le plan tangent est z = f(a, b) + f_x(x - a) + f_y(y - b) :

z = 5 + 2(x - 1) + 4(y - 2) = 2x + 4y - 5

12. Posez f_x = 2x - 4 = 0 et f_y = 2y + 6 = 0 : (2, -3). Le test des dérivées secondes donne D = f_{xx}f_{yy} - f_{xy}^2 = 2\cdot 2 - 0 = 4 > 0 avec f_{xx} > 0, donc c'est un minimum local. Sa valeur est 4 + 9 - 8 - 18 = -13.

Erreurs fréquentes sur ces exercices

  • Dériver la variable fixée. Dans l'exercice 1, la dérivée f_x de 4xy est 4y, et non 4y + 4x.
  • Oublier la dérivation en chaîne. Dans l'exercice 3, le facteur 2xy vient de la fonction intérieure x^2y.
  • Utiliser une direction non unitaire. Dans l'exercice 10, normalisez d'abord \langle 3, 4\rangle.
  • Confondre l'ordre dans f_{xy}. f_{xy} signifie dériver d'abord par rapport à x, puis par rapport à y. Pour les fonctions régulières, les deux ordres donnent le même résultat, ce qui fournit une bonne vérification.

Continuer à s'entraîner

Pour des exercices illimités avec une correction immédiate, essayez la leçon sur les dérivées partielles, la leçon sur les dérivées secondes, la leçon sur les plans tangents et la leçon sur le gradient. Pour l'optimisation sous contrainte, passez aux exercices sur les multiplicateurs de Lagrange.

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Dérivées partielles

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Questions fréquentes

Comment calculer une dérivée partielle ?

Choisissez la variable par rapport à laquelle vous dérivez, et traitez toutes les autres comme des constantes. Pour f = x^3y^2, f_x = 3x^2y^2, car y^2 n'est qu'un facteur constant.

Que nous apprend le gradient ?

Le gradient \nabla f indique la direction de croissance la plus rapide, et sa norme est ce taux maximal. Il est aussi perpendiculaire aux lignes de niveau.

Pourquoi le vecteur direction doit-il être unitaire ?

La dérivée directionnelle mesure la variation par unité de distance. Un vecteur plus long multiplierait la réponse par sa norme. Dans l'exercice 10, utiliser \langle 3, 4\rangle au lieu de \langle\frac{3}{5}, \frac{4}{5}\rangle donne une réponse cinq fois trop grande.

Rédigé par l'équipe PracticeCalculus

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