Fiche de révision : approximation quadratique et Taylor à deux variables (MTH1101)
Cette fiche de révision porte sur l'approximation quadratique et le polynôme de Taylor d'ordre 2 d'une fonction de deux variables, section 4.5 de Stewart, *Calcul à plusieurs variables* (2e édition), « Approximations linéaire et quadratique d'une fonction à deux variables, analyse des erreurs », qui prolonge l'approximation linéaire de la section 4.2. En MTH1101, ce chapitre vient après le contrôle périodique 2 et n'est évalué qu'à l'examen final. Elle ne refait pas le cours : elle dit ce qui coûte des points et quel geste l'évite.
À l'examen, pas de calculatrice, et un seul document permis : votre aide-mémoire d'une feuille recto verso. La grille des coefficients, la borne d'erreur et la complétion du carré de cette fiche sont exactement ce qui mérite d'y figurer.
Un seul réflexe la traverse : avant d'écrire un coefficient, demandez-vous s'il vient d'un carré, qui porte un 21, ou du terme croisé, qui n'en porte pas. Tout le reste, l'estimation, la borne d'erreur et le signe de la forme, se construit sur ces trois coefficients.
Marque ici la fiche comme lue ou mets-la en favori : un compte gratuit, sans mot de passe, retient tes fiches lues et tes favoris d'une visite à l'autre, te dit quel chapitre attaquer ensuite et te permet de demander la méthode ou l'exercice qui te manque. Crée ton espace, un courriel suffit.
Le fil du chapitre
La partie quadratique de T2 est 21hTHh : le 21 divise les carrés, mais pas le terme croisé, dont le coefficient est fxy ENTIER. Et T2 est local : son erreur est d'ordre 3 près du point, et rien n'est garanti loin de lui.
•Autour de (a,b), avec h=x−a et k=y−b : T2=f+fxh+fyk+21[fxxh2+2fxyhk+fyyk2], toutes les dérivées prises en (a,b).
•Développée : 21fxx devant h2, fxy ENTIER devant hk, 21fyy devant k2. Le 2 du terme croisé vient des deux dérivées croisées fxy=fyx, égales par Clairaut.
•En matrice : 21hTHh avec H=(fxxfxyfxyfyy), la hessienne, que l'on écrit sans aucun facteur.
•L donne la pente dans chaque direction, T2 y ajoute la courbure. Le long d'une droite passant par (a,b), T2 est une parabole et L sa tangente.
La distance d=x2+y2 près de (3,4), en avançant de s perpendiculairement au rayon : L reste à 5, seule la parabole T2=5+10s2 suit d=25+s2.
Contrôle immédiat : T2(a,b)=f(a,b), et les dérivées premières et secondes de T2 en (a,b) sont celles de f.
Unicité, et la borne de l'erreur
•UNICITÉ : un polynôme de degré au plus 2 qui approche f à des termes de degré ≥3 près est T2. On peut donc l'obtenir par les séries à une variable, en tronquant au degré TOTAL 2.
•INÉGALITÉ DE TAYLOR : si toutes les dérivées d'ordre 3 sont bornées par M sur un carré centré en (a,b), alors ∣f−T2∣≤6M(∣h∣+∣k∣)3 sur ce carré.
•Sur le carré de demi-côté δ, le pire point est un coin : ∣h∣+∣k∣=2δ, et la borne vaut 34Mδ3.
•SIGNE d'une forme Ah2+2Bhk+Ck2 : compléter le carré. Si A=0, elle vaut A(h+ABk)2+AAC−B2k2.
Les règles de calcul en tableau
Chaque ligne se lit de gauche à droite : les hypothèses, puis le résultat. Une case rouge n'est pas une réponse, c'est le constat que la forme ne décide rien et l'ordre de transformer l'écriture. Chaque cas est suivi d'un exemple chiffré.
Du polynôme aux dérivées : quel facteur pour quel terme
On lit cette grille dans les deux sens : pour écrire T2 à partir des dérivées, et pour retrouver les dérivées sur un T2 donné ou obtenu par les séries. La case rouge est la règle que les copies inventent : elle n'est pas une réponse, elle est l'ordre de redévelopper le crochet.
Terme de T2
Son coefficient
Dérivée qu'on en tire
h2
21fxx
fxx=2× coef.
Exemple : 5h2 dans T2 donne fxx=10.
hk
fxy
fxy= coef.
Exemple : −3hk dans T2 donne fxy=−3.
k2
21fyy
fyy=2× coef.
Exemple : 41k2 dans T2 donne fyy=21.
hk
21fxy
n'existe pasrègle inexistante
Exemple : Pour f=xy en (0,0), fxy=1 et T2=xy ; la règle inventée donnerait 21xy, faux en (1,1) où f=1.
Ce qu'il faut faire : Redévelopper le crochet : 21×2fxyhk=fxyhk.
Seul le terme croisé passe sans facteur, dans un sens comme dans l'autre. La hessienne, elle, ne porte jamais de facteur.
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.Diviser le terme croisé par deux
1 point, et toute estimation qui suit
Ce qu'il ne faut pas écrire
« f=x2y+3xy en (1,1) : fxy=5, donc le terme croisé de T2 est 25hk. »
Ce qu'il faut écrire
« Le terme croisé est 21×2fxyhk=5hk. »
Pourquoi : Le 2 du crochet compte les deux dérivées croisées fxy et fyx. Le 21 ne fait que l'annuler : le coefficient de hk est fxy tel quel.
2.Oublier le un demi devant les carrés
1 point
Ce qu'il ne faut pas écrire
« f(x,y)=x3+y en (1,0) : fxx=6, donc T2=1+3h+k+6h2. »
Ce qu'il faut écrire
« Le coefficient de h2 est 21fxx=3 : T2=1+3h+k+3h2. »
Pourquoi : Le 21 des carrés est celui du 2!f′′(a) à une variable. Contrôle sur x3 : (1+h)3=1+3h+3h2+h3, le coefficient est bien 3.
3.Lire une dérivée seconde sans doubler
1 point par dérivée
Ce qu'il ne faut pas écrire
« T2=2−h+3h2+hk−k2, donc fxx=3 et fyy=−1. »
Ce qu'il faut écrire
« 21fxx=3 donne fxx=6, 21fyy=−1 donne fyy=−2, et fxy=1. »
Pourquoi : Lire à l'envers, c'est appliquer la grille à l'envers : on double les carrés, on garde le croisé. Doubler le croisé, fxy=2, est l'erreur symétrique.
4.Recopier un centre négatif avec le mauvais signe
toute la question d'estimation
Ce qu'il ne faut pas écrire
« Autour de (−1;2), je pose h=x−1 et k=y−2. »
Ce qu'il faut écrire
« h=x−(−1)=x+1 et k=y−2 ; pour estimer en (−0,9;2,1), h=0,1 et k=0,1. »
Pourquoi : Avec h=x−1, le point (−0,9;2,1) donnerait h=−1,9 : un déplacement énorme, et une estimation fausse dont chaque calcul paraît juste.
5.Garder un terme de degré 3 dans un produit de séries
1 point
Ce qu'il ne faut pas écrire
« eyln(1+x)=(1+y)(x−2x2), donc T2=x−2x2+xy−2x2y. »
Ce qu'il faut écrire
« On ne garde que le degré total au plus 2 : T2=x−2x2+xy. »
Pourquoi : x2y est de degré 3 : il appartient au reste, au même titre que les termes que l'on n'a pas écrits. Le garder donne un polynôme qui n'est plus T2, et une lecture fausse des dérivées.
6.Juger le signe d'une forme sur sa diagonale
toute la question
Ce qu'il ne faut pas écrire
« q=h2+3hk+k2 a ses deux coefficients diagonaux positifs, donc q>0 hors de l'origine. »
Ce qu'il faut écrire
« q=(h+23k)2−45k2, différence de carrés : q(1,−1)=−1<0, la forme change de signe. »
Mêmes coefficients diagonaux, 1 et 1. À gauche, h2+hk+k2 : des ellipses, la forme reste positive. À droite, h2+3hk+k2 : des hyperboles séparées par deux droites où elle s'annule.
Pourquoi : Le terme croisé peut l'emporter sur la diagonale. Seule la complétion du carré tranche, et la carte le montre : des ellipses quand la forme garde un signe, des hyperboles quand elle en change.
7.Croire que l'ordre 2 est meilleur partout
1 point de justification
Ce qu'il ne faut pas écrire
« Pour f=1+x+y1, T2 est plus précis que L, donc je l'utilise en (2,0). »
Ce qu'il faut écrire
« En (2,0), f=31, L=−1 et T2=3 : T2 se trompe de 38, L de 34. L'ordre 2 n'est meilleur que près du point. »
Le long de l'axe des x : près de 0, la parabole T2 colle à f mieux que la droite L ; en x=2, elle s'en éloigne deux fois plus.
Pourquoi : L'erreur de T2 est petite parce qu'elle est d'ordre 3 en (h,k) ; dès que ∣h∣+∣k∣ n'est plus petit, (∣h∣+∣k∣)3 n'est plus petit non plus.
8.Prendre M au centre, ou additionner h et k sans valeur absolue
toute la borne
Ce qu'il ne faut pas écrire
« f=sinxey sur le carré de demi-côté 0,2 : M=1, et en (0,2;−0,2), ∣h+k∣=0, donc l'erreur est nulle. »
Ce qu'il faut écrire
« Les dérivées d'ordre 3 sont ±sinxey ou ±cosxey, bornées par e0,2<1,23=M sur le carré ; ∣h∣+∣k∣=0,4, donc ∣f−T2∣≤61,23(0,4)3≈0,0131. »
Pourquoi : M doit majorer sur TOUT le carré, où ey dépasse 1 ; et les valeurs absolues empêchent deux erreurs de signes contraires de se compenser sur le papier, ce qu'elles ne font pas dans la réalité.
Quelle méthode choisir
Comment obtenir T2 selon la forme de la fonction
Regardez de quoi la fonction est faite, et où est le centre.
Si produit de deux fonctions d'une variable, centre (0,0) → multiplier les deux séries de Maclaurin et garder le degré total au plus 2
Exemple : eyln(1+x) donne x−2x2+xy
Si composée φ(u) avec u(0,0)=0 → série de φ en u, puis développer u et u2, et tronquer
Exemple : cos(x+y) donne 1−2(x+y)2=1−2x2−xy−2y2
Si polynôme en x et y, centre (a,b) quelconque → remplacer x=a+h, y=b+k, développer et garder le degré au plus 2 en (h,k)
Exemple : x2y en (1,2) : (1+h)2(2+k) donne 2+4h+k+2h2+2hk
Si centre (a,b)=(0,0) et aucune série commode → calculer les cinq dérivées au point, puis la formule
Exemple : xey en (4,0), décortiqué plus bas
Les deux premières branches donnent aussi les dérivées secondes, par la grille de lecture ; c'est souvent le chemin le plus court vers fxy(0,0).
Quel signe pour la forme quadratique
Écrivez la forme q=Ah2+2Bhk+Ck2, puis complétez le carré.
Si somme de deux carrés à coefficients positifs → q>0 hors de l'origine
Exemple : 2h2−2hk+k2=(h−k)2+h2
Si différence de deux carrés → q change de signe, nulle sur deux droites
Exemple : h2−4hk+k2=(h−2k)2−3k2 vaut −2 en (1,1)
Si un seul carré, à un facteur près → q garde un signe mais s'annule sur une droite
Exemple : h2+6hk+9k2=(h+3k)2, nulle sur h=−3k
Le signe de la forme est une information sur l'écart entre f et son approximation linéaire. Ce qu'il dit d'un point où le gradient est nul est l'objet du chapitre sur les extrema.
La rédaction attendue
Le correcteur coche des étapes. Les voici dans l'ordre, avec la phrase de conclusion qu'il attend mot pour mot.
Écrire T2 et estimer une valeur
Quand l'utiliser : L'énoncé demande une approximation quadratique, ou d'estimer f en un point voisin.
1Écrire le centre et poser h=x−a, k=y−b, avec leurs signes.
2Calculer f, fx, fy, fxx, fxy, fyy AU POINT, et contrôler fxy=fyx par Clairaut.
3Écrire la formule avec son crochet, puis le développer : 21fxx, fxy, 21fyy.
4Remplacer h et k par leurs valeurs, et donner L puis T2 si l'énoncé compare.
5Dire ce que la correction quadratique a changé, en signe et en ordre de grandeur.
Phrase de conclusion
« Avec h=… et k=…, L=… et T2=L+21[fxxh2+2fxyhk+fyyk2]=… ; la courbure corrige l'estimation linéaire de … »
Le piège : La troisième étape : développer le crochet par écrit, au lieu de recopier les dérivées comme coefficients.
Barème : Dérivées 2 points, polynôme 1 point, estimation 1 point, en général sur 4.
Majorer l'erreur de T2 sur un carré
Quand l'utiliser : L'énoncé demande une borne garantie, ou une précision sur toute une région.
1Calculer les quatre dérivées d'ordre 3, fxxx, fxxy, fxyy, fyyy.
2Les majorer sur TOUT le carré, en nommant la raison : ∣sin∣≤1, l'exponentielle croissante, etc. Fixer M.
3Écrire ∣f−T2∣≤6M(∣h∣+∣k∣)3 et remplacer, avec les valeurs absolues.
4Comparer à la précision demandée, et dire si la borne la garantit.
Phrase de conclusion
« Sur le carré, toutes les dérivées d'ordre 3 sont bornées par M=… car … ; donc ∣f−T2∣≤6M(∣h∣+∣k∣)3≤… »
Le piège : Prendre M au centre du carré, où il est souvent plus petit qu'ailleurs.
Vérifier avant de rendre
Cinq minutes de vérification récupèrent plus de points qu'un exercice de plus commencé à la hâte.
Recalculer T2 au centre
Remplacer h=k=0 : on doit retrouver f(a,b), et les coefficients de h et k doivent être les dérivées premières.
Un T2 de xey en (4,0) qui ne commence pas par 2 a perdu le terme constant.
Recouper par les séries
Quand la fonction est un produit ou une composée de fonctions usuelles, refaire T2 par les séries en une ligne.
4+h≈2+4h−64h2 et ek≈1+k+2k2 : leur produit tronqué doit redonner le T2 calculé par les dérivées.
L'ordre de grandeur des erreurs
Pour un déplacement de taille 0,1, l'erreur de L est de l'ordre de 10−2, celle de T2 de l'ordre de 10−3.
Une estimation par T2 qui diffère de L de 0,5 pour h=k=0,1 trahit un coefficient faux, souvent un fxx non divisé par 2.
La borne doit majorer l'erreur réelle
Si l'on connaît la valeur exacte, l'erreur réelle doit être sous la borne.
Une erreur réelle de 0,0005 pour une borne de 0,0001 dit que M a été pris trop petit, ou ∣h∣+∣k∣ mal calculé.
L'exercice type décortiqué
Estimer 4,1e0,1 par l'approximation quadratique
Soit f(x,y)=xey. Écrire le polynôme de Taylor d'ordre 2 de f en (4,0), puis estimer 4,1e0,1 par L et par T2. On donne la valeur exacte 4,1e0,1≈2,23780.
Étape 1
Centre (4,0) : h=x−4, k=y. f=2, fx=2xey=41, fy=xey=2.
Pourquoi
Les dérivées premières donnent L ; on les évalue tout de suite au point pour ne pas traîner des expressions.
Le crochet est développé par écrit : −641 et 1 pour les carrés, 41 entier pour le terme croisé. C'est l'étape qui porte le point.
Étape 4
Avec h=k=0,1 : L=2+0,025+0,2=2,225 et T2=2,225−640,01+0,0025+0,01≈2,23734.
Pourquoi
On garde L comme étape intermédiaire : la comparaison est presque toujours demandée, et elle se lit ici sans recalcul.
Étape 5
Erreurs : 2,23780−2,225≈0,0128 pour L, 2,23780−2,23734≈0,00046 pour T2, près de trente fois moins.
Pourquoi
Les ordres de grandeur attendus, 10−2 puis 10−3 ou moins, sont au rendez-vous : c'est la vérification de cohérence.
Étape 6
Recoupement par les séries : 4+h=21+4h≈2+4h−64h2 et ek≈1+k+2k2 ; le produit tronqué au degré 2 redonne exactement T2.
Pourquoi
Deux méthodes indépendantes qui donnent le même polynôme : aucun coefficient ne peut plus être faux.
Conclusion rédigée
« En (4,0), T2=2+4h+2k−64h2+4hk+k2 ; en (4,1;0,1), L=2,225 et T2≈2,2373, contre 2,2378 : la courbure corrige l'estimation linéaire d'environ 0,0123. »
L'erreur classique sur cet exercice : Écrire 81hk au lieu de 41hk en divisant le terme croisé par deux, ou −32h2 en oubliant le 21 du carré.
À savoir par cœur
•T2=f+fxh+fyk+21[fxxh2+2fxyhk+fyyk2], dérivées au point, h=x−a, k=y−b.
•Coefficients : 21fxx devant h2, fxy ENTIER devant hk, 21fyy devant k2.
•Partie quadratique =21hTHh, hessienne H symétrique et SANS facteur.
•Par les séries : tronquer au degré TOTAL 2 ; le résultat est T2 par unicité.
•∣f−T2∣≤6M(∣h∣+∣k∣)3, M majorant les dérivées d'ordre 3 sur TOUT le carré.
•Erreur de L d'ordre 2, de T2 d'ordre 3, près du point SEULEMENT.
•Signe d'une forme : compléter le carré, jamais conclure sur la diagonale seule.
Questions fréquentes
Que mettre sur l'aide-mémoire de MTH1101 pour Taylor à deux variables ?
La formule du polynôme de Taylor d'ordre 2 avec son crochet, puis la règle des coefficients : un demi de la dérivée seconde devant chaque carré, la dérivée croisée entière devant h fois k. Ajoutez la borne d'erreur, M sur six fois le cube de la somme des valeurs absolues des écarts, et la complétion du carré pour le signe d'une forme. Pas de calculatrice : prévoyez des exemples en valeurs exactes.
Comment écrire le polynôme de Taylor d'ordre 2 d'une fonction de deux variables ?
On calcule au point la valeur de la fonction, ses deux dérivées premières et ses trois dérivées secondes. On ajoute à l'approximation linéaire la moitié de la dérivée seconde en x fois h au carré, la dérivée croisée entière fois h fois k, et la moitié de la dérivée seconde en y fois k au carré, où h et k sont les écarts au point.
Pourquoi le terme croisé n'a-t-il pas de un demi dans le polynôme de Taylor ?
Parce que le crochet de la formule contient deux fois la dérivée croisée, une pour la dérivée en x puis en y, une pour la dérivée en y puis en x, égales par le théorème de Clairaut. Le un demi devant le crochet annule ce deux. Le coefficient de h fois k est donc la dérivée croisée telle quelle, alors que les carrés gardent leur un demi.
Peut-on obtenir le polynôme de Taylor à deux variables sans calculer de dérivées ?
Oui, quand la fonction est un produit ou une composée de fonctions usuelles autour de l'origine. On multiplie ou on compose leurs séries de Maclaurin, puis on ne garde que les termes de degré total au plus deux. Le polynôme obtenu est le bon, parce que le polynôme de Taylor d'ordre 2 est unique. Ses coefficients donnent même les dérivées secondes.
Comment borner l'erreur d'une approximation quadratique à deux variables ?
On majore toutes les dérivées d'ordre trois par une constante M sur tout le carré étudié, pas seulement au centre. L'erreur est alors au plus M sur six fois le cube de la somme des valeurs absolues des écarts h et k. Sur un carré de demi-côté delta, le pire point est un coin, où cette somme vaut deux delta.
Passer à la pratique
Exercices corrigés : Approximation quadratique et Taylor à deux variables
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.
Il manque quelque chose dans cette fiche ?Une méthode, un piège, un exercice pour l'appliquer, une erreur repérée : dis-le-moi, je lis chaque demande.
L'envoi passe par ton espace gratuit : c'est ce qui me permet de te répondre et de te prévenir quand l'exercice est ajouté. Un courriel suffit, pas de mot de passe. Crée ton espace.
Pas envie de créer un compte ? Écris-moi directement.
Contactez-moi pour une première séance. On reprend le polynôme de Taylor d'ordre 2 coefficient par coefficient, jusqu'à ce que le facteur un demi et le terme croisé ne coûtent plus un point.