Calcul I MTH1101 • Polytechnique Montréal

Fiche de révision : les dérivées partielles (MTH1101, Polytechnique)

Cette fiche de révision porte sur les dérivées partielles, section 4.1 de Stewart, « Calcul à plusieurs variables », telles que MTH1101 les enseigne : calcul, définition par la limite, pente d'une trace et taux avec unités, lecture sur une table et sur une carte de contour, dérivées d'ordre supérieur, théorème de Clairaut et équations aux dérivées partielles. Elle ne refait pas le cours, elle dit ce qui coûte des points et quel geste l'évite. C'est la matière du contrôle périodique 2, qui se passe sans calculatrice ; le seul document permis est votre aide-mémoire d'une feuille recto verso, et le bloc « À savoir par cœur » en donne la matière première.

Un seul réflexe la traverse : avant d'écrire quoi que ce soit, nommez la variable qui bouge et celles qui sont gelées. Avec yy gelé, f(x,y)f(x,y) n'est plus qu'une fonction de xx, et tout ce que vous savez des dérivées à une variable s'applique tel quel.

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Le fil du chapitre

Une dérivée partielle est une dérivée à UNE variable : on GÈLE toutes les autres, ce qui revient à regarder une trace de la surface. Presque toutes les erreurs du chapitre sont une variable gelée qu'on dérive quand même, ou une variable libre qu'on fige trop tôt.

Ce chapitre fait partie de Calcul I MTH1101, Polytechnique Montréal : exercices corrigés et fiches, chapitre par chapitre
Pour s'entraîner Les exercices corrigés de ce chapitre, 10 exercices

Avant ce chapitre

Cette fiche suppose ces notions acquises. Si une méthode ci-dessous reste opaque, c'est presque toujours l'une d'elles qui manque, pas la fiche.

Remonter plus loin : la chaîne complète (2 chapitres) ↓

Le chemin de remédiation, du plus ancien au plus proche. Un élève qui reprend ce chapitre de zéro le reprend dans cet ordre.

  1. 1Fonctions de plusieurs variables et courbes de niveau
  2. 2Limite et continuité à plusieurs variables

L'essentiel

Geler une variable, regarder une trace

  • • fx(a,b)f_x(a,b) est la dérivée en x=ax=a de la fonction d'UNE variable x↦f(x,b)x\mapsto f(x,b) : on gèle y=by=b. De même fy(a,b)f_y(a,b) est la dérivée en y=by=b de y↦f(a,y)y\mapsto f(a,y).
  • • Géométriquement, x↦f(x,b)x\mapsto f(x,b) est la TRACE de la surface z=f(x,y)z=f(x,y) dans le plan y=by=b, et fx(a,b)f_x(a,b) est la pente de sa tangente en x=ax=a.
  • • Comme taux, fxf_x a pour unité celle de ff divisée par celle de xx : des kPa par litre, des mètres par heure. Une dérivée sans unité est une réponse incomplète.
  • • Définition : fx(a,b)=lim⁡h→0f(a+h,b)−f(a,b)hf_x(a,b)=\lim\limits_{h\to 0}\frac{f(a+h,b)-f(a,b)}{h}. Une seule coordonnée bouge ; c'est elle qu'on utilise là où les règles ne s'appliquent pas.
-1123123456y = 1x = 1variable libre
La surface z=6−x2−y22z=6-x^{2}-\frac{y^{2}}{2} coupée par le plan y=1y=1 puis par le plan x=1x=1 : deux traces par le même point, deux tangentes en pointillé, fx(1,1)=−2f_x(1,1)=-2 et fy(1,1)=−1f_y(1,1)=-1.

Sur une copie, écrire « yy étant fixé, » avant de dériver par rapport à xx ne coûte rien et montre au correcteur que vous savez ce que vous faites.

Ordre deux, Clairaut et EDP

  • • Notation de Stewart : fxy=(fx)y=∂2f∂y ∂xf_{xy}=(f_x)_y=\frac{\partial^{2}f}{\partial y\,\partial x} ; on dérive dans l'ordre des indices, de gauche à droite.
  • • Théorème de Clairaut : si fxyf_{xy} et fyxf_{yx} sont continues sur un disque centré en (a,b)(a,b), alors fxy(a,b)=fyx(a,b)f_{xy}(a,b)=f_{yx}(a,b). C'est une implication, avec une hypothèse à citer.
  • • Chaleur ut=αuxxu_t=\alpha u_{xx}, ondes utt=c2uxxu_{tt}=c^{2}u_{xx}, Laplace uxx+uyy=0u_{xx}+u_{yy}=0 : une solution vérifie l'égalité en TOUT point du domaine, pas en un seul.

Les pièges qui coûtent des points

Les erreurs ci-dessous sont celles que je corrige le plus souvent en séance. Chacune coûte des points sur une copie, même quand le raisonnement est juste.

1. Dériver un terme qui ne contient pas la variable

toute la question

Ce qu'il ne faut pas écrire

« f(x,y)=x3+4y2f(x,y)=x^{3}+4y^{2}, donc fx=3x2+8yf_x=3x^{2}+8y. »

Ce qu'il faut écrire

« yy étant fixé, 4y24y^{2} est une constante : fx=3x2f_x=3x^{2}, et fx(1,2)=3f_x(1,2)=3. »

Pourquoi : Dans une dérivée partielle, une seule lettre bouge. Le terme 8y8y appartient à fyf_y, pas à fxf_x : en (1,2)(1,2), la copie trouve 1919 au lieu de 33.

2. Remplacer avant de dériver

toute la question

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Pour f(x,y)=x2y3f(x,y)=x^{2}y^{3}, f(2,1)=4f(2,1)=4, donc fy(2,1)=0f_y(2,1)=0. »

Ce qu'il faut écrire

« fy=3x2y2f_y=3x^{2}y^{2}, donc fy(2,1)=12f_y(2,1)=12. On peut aussi geler d'abord x=2x=2 : f(2,y)=4y3f(2,y)=4y^{3}, de dérivée 12y212y^{2}, qui vaut 1212 en y=1y=1. »

Pourquoi : On peut remplacer la variable GELÉE avant de dériver, jamais celle par rapport à laquelle on dérive : un nombre a toujours une dérivée nulle.

3. Prendre une exponentielle pour une puissance

1 à 2 points

Ce qu'il ne faut pas écrire

« f(x,y)=yxf(x,y)=y^{x}, donc fx=x yx−1f_x=x\,y^{x-1}. »

Ce qu'il faut écrire

« yy étant fixé, yx=exln⁡yy^{x}=\mathrm{e}^{x\ln y} est une exponentielle : fx=yxln⁡yf_x=y^{x}\ln y ; c'est fyf_y qui vaut x yx−1x\,y^{x-1}. En (2,3)(2,3) : fx=9ln⁡3f_x=9\ln 3, fy=6f_y=6. »

Pourquoi : La même écriture change de nature selon la lettre gelée : variable en base, règle des puissances ; variable en exposant, exponentielle. On le décide AVANT de dériver.

4. Oublier la règle du produit quand la variable apparaît deux fois

1 point

Ce qu'il ne faut pas écrire

« ∂∂x(x2exy)=2x exy\frac{\partial}{\partial x}\left(x^{2}\mathrm{e}^{xy}\right)=2x\,\mathrm{e}^{xy}. »

Ce qu'il faut écrire

« xx est dans les deux facteurs : ∂∂x(x2exy)=2x exy+x2y exy\frac{\partial}{\partial x}\left(x^{2}\mathrm{e}^{xy}\right)=2x\,\mathrm{e}^{xy}+x^{2}y\,\mathrm{e}^{xy}, soit 3e3\mathrm{e} en (1,1)(1,1). »

Pourquoi : En (1,1)(1,1), la copie donne 2e2\mathrm{e} au lieu de 3e3\mathrm{e}. Pour ∂∂y\frac{\partial}{\partial y}, au contraire, x2x^{2} est une constante multiplicative et la règle du produit est inutile.

5. Conclure qu'une dérivée n'existe pas parce que la formule donne zéro sur zéro

toute la question

Ce qu'il ne faut pas écrire

« f(x,y)=xy23f(x,y)=\sqrt[3]{xy^{2}} : fx=y23(xy2)2/3f_x=\frac{y^{2}}{3\left(xy^{2}\right)^{2/3}} donne 00\frac{0}{0} à l'origine, donc fx(0,0)f_x(0,0) n'existe pas. »

Ce qu'il faut écrire

« La formule ne s'applique pas à l'origine ; par la définition, f(h,0)=0f(h,0)=0 pour tout hh, donc f(h,0)−f(0,0)h=0\frac{f(h,0)-f(0,0)}{h}=0 et fx(0,0)=0f_x(0,0)=0. »

Pourquoi : Une formule de dérivée n'est valable que là où les règles qui l'ont produite s'appliquent. À l'origine, c'est la trace f(x,0)f(x,0) qui décide, ici la constante 00.

6. Lire « f_x nul en un point » comme « f constante »

1 point de justification

Ce qu'il ne faut pas écrire

« fx(a,b)=0f_x(a,b)=0, donc ff ne dépend pas de xx sur la droite y=by=b. »

Ce qu'il faut écrire

« fx(a,b)=0f_x(a,b)=0 : la trace z=f(x,b)z=f(x,b) a une tangente horizontale EN x=ax=a. Elle peut monter des deux côtés. »

-11231234z = f(x, b)x = ax
La trace z=1+(x−1)2z=1+(x-1)^{2} a une tangente horizontale en x=a=1x=a=1, donc fx(a,b)=0f_x(a,b)=0, et pourtant elle n'est constante sur aucun intervalle.

Pourquoi : Une dérivée en un point est une information locale. Seul fx=0f_x=0 en TOUT point de la droite rend ff constante sur elle.

7. Lire le signe sur le resserrement des courbes de niveau

1 à 2 points

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Les courbes de niveau sont très serrées autour de PP, donc fx(P)f_x(P) est grand et positif. »

Ce qu'il faut écrire

« Je me déplace horizontalement depuis PP : je reste entre les mêmes niveaux, donc fx(P)=0f_x(P)=0 ; verticalement, les niveaux montent de 11 tous les 0,50{,}5, donc fy(P)≈2f_y(P)\approx 2. »

f = 2f = 3f = 4f = 5f = 6P
Niveaux horizontaux de f=2y+1f=2y+1 : la flèche horizontale longe les courbes, fx(P)=0f_x(P)=0 ; la flèche verticale les traverse, fy(P)=2f_y(P)=2.

Pourquoi : Le resserrement donne la vitesse dans la direction où l'on TRAVERSE les courbes ; fxf_x ne regarde que la direction horizontale, et le signe vient du sens de croissance des niveaux.

8. Diviser par le mauvais pas sur une table irrégulière

1 point

Ce qu'il ne faut pas écrire

« f(20,b)=14f(20,b)=14, f(30,b)=17f(30,b)=17, f(50,b)=21f(50,b)=21 : à droite 21−1710=0,4\frac{21-17}{10}=0{,}4, à gauche 0,30{,}3, donc fx(30,b)≈0,35f_x(30,b)\approx 0{,}35. »

Ce qu'il faut écrire

« À droite, le pas est 2020 : 21−1720=0,2\frac{21-17}{20}=0{,}2 ; à gauche 17−1410=0,3\frac{17-14}{10}=0{,}3 ; donc fx(30,b)≈0,25f_x(30,b)\approx 0{,}25. »

Pourquoi : Une table change souvent de pas en cours de ligne. On lit l'en-tête AVANT de diviser, et l'on n'oublie pas l'unité du quotient.

Quelle méthode choisir

Quelle méthode selon la forme de la donnée

Regardez sous quelle forme la fonction vous est donnée, et en quel point.

  • Si une formule, en un point où les règles s'appliquent → geler les autres variables et dériver avec les règles à une variable

    Exemple : f=x2y3f=x^{2}y^{3} : fy=3x2y2f_y=3x^{2}y^{2}, fy(2,1)=12f_y(2,1)=12

  • Si une formule qui donne 00\frac{0}{0}, ou une fonction définie par morceaux, au point demandé → revenir à la définition : quotient en ne déplaçant qu'une coordonnée

    Exemple : xy23\sqrt[3]{xy^{2}} : f(h,0)=0f(h,0)=0, donc fx(0,0)=0f_x(0,0)=0

  • Si une table de valeurs → moyenne du taux à droite et du taux à gauche, chacun divisé par SON pas

    Exemple : pas 1010 puis 2020 : 0,3+0,22=0,25\frac{0{,}3+0{,}2}{2}=0{,}25

  • Si une carte de contour → se déplacer dans la direction de la variable : le sens des niveaux donne le signe, leur écart la grandeur

    Exemple : 11 unité de ff tous les 0,50{,}5 verticalement : fy≈2f_y\approx 2

  • Si une dérivée croisée dont un terme ne contient qu'une variable → citer Clairaut, puis dériver d'abord par rapport à l'AUTRE variable pour faire disparaître ce terme

    Exemple : x2y+esin⁡yx^{2}y+\mathrm{e}^{\sin y} : (fx)y=2x(f_x)_y=2x, qui vaut 22 en x=1x=1

Si la fonction est donnée par un graphe en trois dimensions, on se ramène à une trace : on coupe par le plan de la variable gelée et on lit une pente.

Quelle règle, une fois la variable gelée

Avec les autres lettres figées, demandez-vous quelle fonction d'une variable vous avez sous les yeux.

  • Si la variable en base, l'exposant constant → règle des puissances

    Exemple : ∂∂y yx=x yx−1\frac{\partial}{\partial y}\,y^{x}=x\,y^{x-1}, soit 66 en (2,3)(2,3)

  • Si la variable en exposant, la base constante et positive → exponentielle : on multiplie par le logarithme de la base

    Exemple : ∂∂x yx=yxln⁡y\frac{\partial}{\partial x}\,y^{x}=y^{x}\ln y, soit 9ln⁡39\ln 3 en (2,3)(2,3)

  • Si la variable dans deux facteurs → règle du produit

    Exemple : ∂∂x x2exy=(2x+x2y) exy\frac{\partial}{\partial x}\,x^{2}\mathrm{e}^{xy}=(2x+x^{2}y)\,\mathrm{e}^{xy}

  • Si la variable dans une borne d'intégrale → théorème fondamental, avec un signe moins pour la borne inférieure

    Exemple : ∂∂x∫xycos⁡(t2) dt=−cos⁡(x2)\frac{\partial}{\partial x}\int_{x}^{y}\cos(t^{2})\,dt=-\cos\left(x^{2}\right), soit −1-1 en x=0x=0

La rédaction attendue

Le correcteur coche des étapes. Les voici dans l'ordre, avec la phrase de conclusion qu'il attend mot pour mot.

Calculer une dérivée partielle par la définition

Quand l'utiliser : La formule de la dérivée n'a pas de sens au point demandé, ou la fonction est définie par morceaux.

  1. 1 Dire pourquoi les règles ne s'appliquent pas : « la formule obtenue hors de l'origine n'est pas définie en (0,0)(0,0) ».
  2. 2 Écrire le quotient en ne déplaçant que la coordonnée concernée : f(a+h,b)−f(a,b)h\frac{f(a+h,b)-f(a,b)}{h}.
  3. 3 Calculer f(a+h,b)f(a+h,b) avec la bonne branche de la définition, celle des points différents de (a,b)(a,b).
  4. 4 Simplifier pour h≠0h\neq 0, puis passer à la limite ; si les limites à gauche et à droite diffèrent, conclure que la dérivée n'existe pas.

Phrase de conclusion

« Par définition, fx(0,0)=lim⁡h→0f(h,0)−f(0,0)h=lim⁡h→0…h=…f_x(0,0)=\lim\limits_{h\to 0}\frac{f(h,0)-f(0,0)}{h}=\lim\limits_{h\to 0}\frac{…}{h}=…. »

Le piège : Prendre la limite de la formule de f_x au lieu du quotient de la définition : les deux ne coïncident pas forcément.

Barème : Quotient correctement posé 1 point, calcul de f(h, 0) 1 point, limite et conclusion 1 point.

Vérifier qu'une fonction est solution d'une EDP

Quand l'utiliser : L'énoncé dit « montrer que u vérifie l'équation » ou « pour quelle valeur de la constante ».

  1. 1 Calculer chaque dérivée demandée en nommant la variable gelée, chaîne à une variable comprise.
  2. 2 Substituer dans les DEUX membres de l'équation.
  3. 3 Montrer l'égalité pour tous les points du domaine ; pour une constante inconnue, identifier les coefficients.
  4. 4 Conclure par une phrase qui nomme l'équation et le domaine.

Phrase de conclusion

« Pour tout (x,y)(x,y) du domaine, uxx+uyy=…=0u_{xx}+u_{yy}=…=0 : uu est solution de l'équation de Laplace. »

Le piège : Vérifier l'égalité en un seul point : cela ne prouve rien pour une équation qui doit tenir partout.

Invoquer le théorème de Clairaut

Quand l'utiliser : On échange l'ordre de dérivation, ou l'on veut montrer qu'aucune fonction n'a les dérivées partielles données.

  1. 1 Justifier la continuité des dérivées croisées : « ff est formée de polynômes et d'exponentielles, ses dérivées secondes sont continues sur R2\mathbb{R}^{2} ».
  2. 2 Citer le théorème et conclure fxy=fyxf_{xy}=f_{yx}.
  3. 3 Pour une non-existence : calculer (fx)y(f_x)_y et (fy)x(f_y)_x à partir des données et constater qu'elles diffèrent.

Phrase de conclusion

« Les dérivées croisées sont continues sur un disque centré en (a,b)(a,b), donc, par le théorème de Clairaut, fxy(a,b)=fyx(a,b)f_{xy}(a,b)=f_{yx}(a,b). »

Le piège : Écrire « par Clairaut » sans l'hypothèse de continuité : le point de justification est perdu.

Vérifier avant de rendre

Cinq minutes de vérification récupèrent plus de points qu'un exercice de plus commencé à la hâte.

L'exercice type décortiqué

Vérifier que u=e3xcos⁡3yu=\mathrm{e}^{3x}\cos 3y est harmonique

Montrer que u(x,y)=e3xcos⁡3yu(x,y)=\mathrm{e}^{3x}\cos 3y vérifie l'équation de Laplace uxx+uyy=0u_{xx}+u_{yy}=0 sur R2\mathbb{R}^{2}, puis calculer uxy(0,π6)u_{xy}\left(0,\frac{\pi}{6}\right) en contrôlant par l'autre ordre.

Étape 1

yy étant fixé : ux=3e3xcos⁡3yu_x=3\mathrm{e}^{3x}\cos 3y, puis uxx=9e3xcos⁡3yu_{xx}=9\mathrm{e}^{3x}\cos 3y.

Pourquoi

cos⁡3y\cos 3y est une constante multiplicative ; la chaîne à une variable sort le facteur 33 de e3x\mathrm{e}^{3x}, deux fois.

Étape 2

xx étant fixé : uy=−3e3xsin⁡3yu_y=-3\mathrm{e}^{3x}\sin 3y, puis uyy=−9e3xcos⁡3yu_{yy}=-9\mathrm{e}^{3x}\cos 3y.

Pourquoi

Cette fois c'est e3x\mathrm{e}^{3x} qui est constant. Le signe moins vient de la dérivée de cos⁡\cos ; l'oublier donne 18e3xcos⁡3y18\mathrm{e}^{3x}\cos 3y au lieu de 00.

Étape 3

uxx+uyy=9e3xcos⁡3y−9e3xcos⁡3y=0u_{xx}+u_{yy}=9\mathrm{e}^{3x}\cos 3y-9\mathrm{e}^{3x}\cos 3y=0 pour tout (x,y)(x,y).

Pourquoi

L'égalité est une identité, vraie en tout point : c'est ce qui fait de uu une solution, et c'est la phrase qui rapporte le point.

Étape 4

uxy=(ux)y=−9e3xsin⁡3yu_{xy}=(u_x)_y=-9\mathrm{e}^{3x}\sin 3y et uyx=(uy)x=−9e3xsin⁡3yu_{yx}=(u_y)_x=-9\mathrm{e}^{3x}\sin 3y.

Pourquoi

Les deux ordres coïncident, comme Clairaut l'annonce pour une fonction dont les dérivées secondes sont continues : le calcul est contrôlé.

Étape 5

uxy(0,π6)=−9 e0sin⁡π2=−9u_{xy}\left(0,\frac{\pi}{6}\right)=-9\,\mathrm{e}^{0}\sin\frac{\pi}{2}=-9.

Pourquoi

On substitue APRÈS avoir dérivé, et l'on garde la valeur exacte.

Étape 6

Contrôle en (0,0)(0,0) : uxx=9u_{xx}=9 et uyy=−9u_{yy}=-9, de somme nulle.

Pourquoi

Un point simple confirme le signe des deux termes en dix secondes, sans rien prouver de plus.

Conclusion rédigée

« Pour tout (x,y)∈R2(x,y)\in\mathbb{R}^{2}, uxx+uyy=0u_{xx}+u_{yy}=0 : uu est harmonique. De plus uxy(0,π6)=−9u_{xy}\left(0,\frac{\pi}{6}\right)=-9, valeur confirmée par uyxu_{yx}. »

L'erreur classique sur cet exercice : Oublier le signe moins de la dérivée de cos⁡\cos dans uyyu_{yy}, et conclure que uu n'est pas solution ; ou vérifier la somme en (0,0)(0,0) seulement.

À savoir par cœur

  • • fxf_x : yy gelé, on dérive en xx avec les règles à une variable. Un terme sans xx disparaît.
  • • fx(a,b)f_x(a,b) est la pente de la trace z=f(x,b)z=f(x,b) en x=ax=a, et un taux en unité de ff par unité de xx.
  • • Là où les règles se taisent : fx(a,b)=lim⁡h→0f(a+h,b)−f(a,b)hf_x(a,b)=\lim\limits_{h\to 0}\frac{f(a+h,b)-f(a,b)}{h}.
  • • Table : moyenne des taux voisins, chacun divisé par SON pas. Carte : sens des niveaux pour le signe, écart pour la grandeur.
  • • fxy=(fx)yf_{xy}=(f_x)_y ; Clairaut : dérivées croisées CONTINUES autour du point, donc égales.
  • • EDP : une solution vérifie l'égalité en TOUT point du domaine.

Questions fréquentes

Comment calculer une dérivée partielle par rapport à x ?

On considère toutes les autres variables comme des constantes, puis on dérive par rapport à x avec les règles habituelles à une variable : produit, quotient, chaîne. Un terme qui ne contient pas x a une dérivée nulle, et un facteur qui ne contient pas x reste devant. On remplace par les valeurs du point seulement après avoir dérivé.

Que représente une dérivée partielle sur le graphe d'une fonction de deux variables ?

La dérivée partielle par rapport à x au point (a, b) est la pente de la tangente à la courbe obtenue en coupant la surface par le plan y égale b. Cette courbe s'appelle une trace. C'est aussi un taux de variation : de combien la fonction change quand x augmente d'une unité, l'autre variable restant fixe, avec l'unité de la fonction divisée par celle de x.

Quand faut-il utiliser la définition par la limite pour une dérivée partielle ?

Quand la formule obtenue par les règles n'a pas de sens au point demandé, par exemple si elle donne zéro sur zéro, ou quand la fonction est définie par morceaux avec une valeur à part en ce point. On écrit alors le quotient en ne déplaçant qu'une seule coordonnée, on le simplifie et on passe à la limite. Une formule qui donne zéro sur zéro ne prouve pas que la dérivée n'existe pas.

Le théorème de Clairaut s'applique-t-il à toutes les fonctions ?

Non. Il affirme que les deux dérivées croisées sont égales en un point à condition qu'elles soient continues sur un disque autour de ce point. C'est le cas pour les polynômes, les exponentielles, les fonctions trigonométriques et leurs combinaisons sur leur domaine. Il existe des fonctions définies par morceaux dont les deux dérivées croisées diffèrent à l'origine, précisément parce que cette continuité y manque.

Passer à la pratique

Exercices corrigés : Les dérivées partielles

Une méthode se prouve sur une copie, pas sur une fiche. La série du même chapitre reprend chacun de ces pièges dans un exercice, avec le corrigé rédigé étape par étape.

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Les chapitres qui le réclament en amont, plus tard dans l'année ou dans les années suivantes.

© Ahmed Squalli Houssaini. Fiche publiée sur www.letuteurscientifique.ca/fiches/mth1101-derivees-partielles. Libre pour l'usage personnel et en classe ; sa republication ailleurs demande une autorisation écrite (mentions légales).

Voir aussi

Les dérivées partielles vous résistent en MTH1101 ?

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