Calcul I MTH1101 • Polytechnique Montréal

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 12\frac{1}{2}, 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.

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Le fil du chapitre

La partie quadratique de T2T_{2} est 12h⃗ THh⃗\frac{1}{2}\vec h^{\,T}H\vec h : le 12\frac{1}{2} divise les carrés, mais pas le terme croisé, dont le coefficient est fxyf_{xy} ENTIER. Et T2T_{2} est local : son erreur est d'ordre 33 près du point, et rien n'est garanti loin de lui.

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 (8 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. 1Les séries et leur convergence
  2. 2Les séries entières
  3. 3Les séries de Taylor et de Maclaurin
  4. 4L'erreur d'approximation de Taylor
  5. 5Fonctions de plusieurs variables et courbes de niveau
  6. 6Limite et continuité à plusieurs variables
  7. 7Les dérivées partielles
  8. 8Plan tangent et différentielle

L'essentiel

La formule, et où vont les facteurs

  • • Autour de (a,b)(a,b), avec h=x−ah=x-a et k=y−bk=y-b : T2=f+fxh+fyk+12[fxxh2+2fxyhk+fyyk2]T_{2}=f+f_{x}h+f_{y}k+\frac{1}{2}\left[f_{xx}h^{2}+2f_{xy}hk+f_{yy}k^{2}\right], toutes les dérivées prises en (a,b)(a,b).
  • • Développée : 12fxx\frac{1}{2}f_{xx} devant h2h^{2}, fxyf_{xy} ENTIER devant hkhk, 12fyy\frac{1}{2}f_{yy} devant k2k^{2}. Le 22 du terme croisé vient des deux dérivées croisées fxy=fyxf_{xy}=f_{yx}, égales par Clairaut.
  • • En matrice : 12h⃗ THh⃗\frac{1}{2}\vec h^{\,T}H\vec h avec H=(fxxfxyfxyfyy)H=\begin{pmatrix}f_{xx}&f_{xy}\\f_{xy}&f_{yy}\end{pmatrix}, la hessienne, que l'on écrit sans aucun facteur.
  • • LL donne la pente dans chaque direction, T2T_{2} y ajoute la courbure. Le long d'une droite passant par (a,b)(a,b), T2T_{2} est une parabole et LL sa tangente.
-6-5-4-3-2-1123456456789T₂dL = 5
La distance d=x2+y2d=\sqrt{x^{2}+y^{2}} près de (3,4)(3,4), en avançant de ss perpendiculairement au rayon : LL reste à 55, seule la parabole T2=5+s210T_{2}=5+\frac{s^{2}}{10} suit d=25+s2d=\sqrt{25+s^{2}}.

Contrôle immédiat : T2(a,b)=f(a,b)T_{2}(a,b)=f(a,b), et les dérivées premières et secondes de T2T_{2} en (a,b)(a,b) sont celles de ff.

Unicité, et la borne de l'erreur

  • • UNICITÉ : un polynôme de degré au plus 22 qui approche ff à des termes de degré ≥3\geq 3 près est T2T_{2}. On peut donc l'obtenir par les séries à une variable, en tronquant au degré TOTAL 22.
  • • INÉGALITÉ DE TAYLOR : si toutes les dérivées d'ordre 33 sont bornées par MM sur un carré centré en (a,b)(a,b), alors ∣f−T2∣≤M6(∣h∣+∣k∣)3|f-T_{2}|\leq\frac{M}{6}\left(|h|+|k|\right)^{3} sur ce carré.
  • • Sur le carré de demi-côté δ\delta, le pire point est un coin : ∣h∣+∣k∣=2δ|h|+|k|=2\delta, et la borne vaut 4Mδ33\frac{4M\delta^{3}}{3}.
  • • SIGNE d'une forme Ah2+2Bhk+Ck2Ah^{2}+2Bhk+Ck^{2} : compléter le carré. Si A≠0A\neq 0, elle vaut A(h+BAk)2+AC−B2Ak2A\left(h+\frac{B}{A}k\right)^{2}+\frac{AC-B^{2}}{A}k^{2}.

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 T2T_{2} à partir des dérivées, et pour retrouver les dérivées sur un T2T_{2} 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 T2T_{2}Son coefficientDérivée qu'on en tire
h2h^{2} 12fxx\frac{1}{2}f_{xx} fxx=2×f_{xx}=2\times coef.

Exemple : 5h25h^{2} dans T2T_{2} donne fxx=10f_{xx}=10.

hkhk fxyf_{xy} fxy=f_{xy}= coef.

Exemple : −3hk-3hk dans T2T_{2} donne fxy=−3f_{xy}=-3.

k2k^{2} 12fyy\frac{1}{2}f_{yy} fyy=2×f_{yy}=2\times coef.

Exemple : 14k2\frac{1}{4}k^{2} dans T2T_{2} donne fyy=12f_{yy}=\frac{1}{2}.

hkhk 12fxy\frac{1}{2}f_{xy} n'existe pas règle inexistante

Exemple : Pour f=xyf=xy en (0,0)(0,0), fxy=1f_{xy}=1 et T2=xyT_{2}=xy ; la règle inventée donnerait 12xy\frac{1}{2}xy, faux en (1,1)(1,1) où f=1f=1.

Ce qu'il faut faire : Redévelopper le crochet : 12×2fxyhk=fxyhk\frac{1}{2}\times 2f_{xy}hk=f_{xy}hk.

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+3xyf=x^{2}y+3xy en (1,1)(1,1) : fxy=5f_{xy}=5, donc le terme croisé de T2T_{2} est 52hk\frac{5}{2}hk. »

Ce qu'il faut écrire

« Le terme croisé est 12×2fxyhk=5hk\frac{1}{2}\times 2f_{xy}hk=5hk. »

Pourquoi : Le 22 du crochet compte les deux dérivées croisées fxyf_{xy} et fyxf_{yx}. Le 12\frac{1}{2} ne fait que l'annuler : le coefficient de hkhk est fxyf_{xy} tel quel.

2. Oublier le un demi devant les carrés

1 point

Ce qu'il ne faut pas écrire

« f(x,y)=x3+yf(x,y)=x^{3}+y en (1,0)(1,0) : fxx=6f_{xx}=6, donc T2=1+3h+k+6h2T_{2}=1+3h+k+6h^{2}. »

Ce qu'il faut écrire

« Le coefficient de h2h^{2} est 12fxx=3\frac{1}{2}f_{xx}=3 : T2=1+3h+k+3h2T_{2}=1+3h+k+3h^{2}. »

Pourquoi : Le 12\frac{1}{2} des carrés est celui du f′′(a)2!\frac{f''(a)}{2!} à une variable. Contrôle sur x3x^{3} : (1+h)3=1+3h+3h2+h3(1+h)^{3}=1+3h+3h^{2}+h^{3}, le coefficient est bien 33.

3. Lire une dérivée seconde sans doubler

1 point par dérivée

Ce qu'il ne faut pas écrire

« T2=2−h+3h2+hk−k2T_{2}=2-h+3h^{2}+hk-k^{2}, donc fxx=3f_{xx}=3 et fyy=−1f_{yy}=-1. »

Ce qu'il faut écrire

« 12fxx=3\frac{1}{2}f_{xx}=3 donne fxx=6f_{xx}=6, 12fyy=−1\frac{1}{2}f_{yy}=-1 donne fyy=−2f_{yy}=-2, et fxy=1f_{xy}=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=2f_{xy}=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)(-1\,;2), je pose h=x−1h=x-1 et k=y−2k=y-2. »

Ce qu'il faut écrire

« h=x−(−1)=x+1h=x-(-1)=x+1 et k=y−2k=y-2 ; pour estimer en (−0,9 ;2,1)(-0{,}9\,;2{,}1), h=0,1h=0{,}1 et k=0,1k=0{,}1. »

Pourquoi : Avec h=x−1h=x-1, le point (−0,9 ;2,1)(-0{,}9\,;2{,}1) donnerait h=−1,9h=-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−x22)\mathrm{e}^{y}\ln(1+x)=\left(1+y\right)\left(x-\frac{x^{2}}{2}\right), donc T2=x−x22+xy−x2y2T_{2}=x-\frac{x^{2}}{2}+xy-\frac{x^{2}y}{2}. »

Ce qu'il faut écrire

« On ne garde que le degré total au plus 22 : T2=x−x22+xyT_{2}=x-\frac{x^{2}}{2}+xy. »

Pourquoi : x2yx^{2}y est de degré 33 : 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 T2T_{2}, 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+k2q=h^{2}+3hk+k^{2} a ses deux coefficients diagonaux positifs, donc q>0q>0 hors de l'origine. »

Ce qu'il faut écrire

« q=(h+32k)2−54k2q=\left(h+\frac{3}{2}k\right)^{2}-\frac{5}{4}k^{2}, différence de carrés : q(1,−1)=−1<0q(1,-1)=-1<0, la forme change de signe. »

h² + hk + k²h² + 3hk + k²131−1
Mêmes coefficients diagonaux, 11 et 11. À gauche, h2+hk+k2h^{2}+hk+k^{2} : des ellipses, la forme reste positive. À droite, h2+3hk+k2h^{2}+3hk+k^{2} : 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=11+x+yf=\frac{1}{1+x+y}, T2T_{2} est plus précis que LL, donc je l'utilise en (2,0)(2,0). »

Ce qu'il faut écrire

« En (2,0)(2,0), f=13f=\frac{1}{3}, L=−1L=-1 et T2=3T_{2}=3 : T2T_{2} se trompe de 83\frac{8}{3}, LL de 43\frac{4}{3}. L'ordre 22 n'est meilleur que près du point. »

-0,50,511,522,5-1,5-1-0,50,511,522,533,5T₂fLx
Le long de l'axe des xx : près de 00, la parabole T2T_{2} colle à ff mieux que la droite LL ; en x=2x=2, elle s'en éloigne deux fois plus.

Pourquoi : L'erreur de T2T_{2} est petite parce qu'elle est d'ordre 33 en (h,k)(h,k) ; dès que ∣h∣+∣k∣|h|+|k| n'est plus petit, (∣h∣+∣k∣)3(|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=sin⁡x eyf=\sin x\,\mathrm{e}^{y} sur le carré de demi-côté 0,20{,}2 : M=1M=1, et en (0,2 ;−0,2)(0{,}2\,;-0{,}2), ∣h+k∣=0|h+k|=0, donc l'erreur est nulle. »

Ce qu'il faut écrire

« Les dérivées d'ordre 33 sont ±sin⁡x ey\pm\sin x\,\mathrm{e}^{y} ou ±cos⁡x ey\pm\cos x\,\mathrm{e}^{y}, bornées par e0,2<1,23=M\mathrm{e}^{0{,}2}<1{,}23=M sur le carré ; ∣h∣+∣k∣=0,4|h|+|k|=0{,}4, donc ∣f−T2∣≤1,236(0,4)3≈0,0131|f-T_{2}|\leq\frac{1{,}23}{6}(0{,}4)^{3}\approx 0{,}0131. »

Pourquoi : MM doit majorer sur TOUT le carré, où ey\mathrm{e}^{y} dépasse 11 ; 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)(0,0) → multiplier les deux séries de Maclaurin et garder le degré total au plus 2

    Exemple : eyln⁡(1+x)\mathrm{e}^{y}\ln(1+x) donne x−x22+xyx-\frac{x^{2}}{2}+xy

  • Si composée φ(u)\varphi(u) avec u(0,0)=0u(0,0)=0 → série de φ\varphi en uu, puis développer uu et u2u^{2}, et tronquer

    Exemple : cos⁡(x+y)\cos(x+y) donne 1−(x+y)22=1−x22−xy−y221-\frac{(x+y)^{2}}{2}=1-\frac{x^{2}}{2}-xy-\frac{y^{2}}{2}

  • Si polynôme en xx et yy, centre (a,b)(a,b) quelconque → remplacer x=a+hx=a+h, y=b+ky=b+k, développer et garder le degré au plus 2 en (h,k)(h,k)

    Exemple : x2yx^{2}y en (1,2)(1,2) : (1+h)2(2+k)(1+h)^{2}(2+k) donne 2+4h+k+2h2+2hk2+4h+k+2h^{2}+2hk

  • Si centre (a,b)≠(0,0)(a,b)\neq(0,0) et aucune série commode → calculer les cinq dérivées au point, puis la formule

    Exemple : x ey\sqrt{x}\,\mathrm{e}^{y} en (4,0)(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)f_{xy}(0,0).

Quel signe pour la forme quadratique

Écrivez la forme q=Ah2+2Bhk+Ck2q=Ah^{2}+2Bhk+Ck^{2}, puis complétez le carré.

  • Si somme de deux carrés à coefficients positifs → q>0q>0 hors de l'origine

    Exemple : 2h2−2hk+k2=(h−k)2+h22h^{2}-2hk+k^{2}=(h-k)^{2}+h^{2}

  • Si différence de deux carrés → q change de signe, nulle sur deux droites

    Exemple : h2−4hk+k2=(h−2k)2−3k2h^{2}-4hk+k^{2}=(h-2k)^{2}-3k^{2} vaut −2-2 en (1,1)(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)2h^{2}+6hk+9k^{2}=(h+3k)^{2}, nulle sur h=−3kh=-3k

Le signe de la forme est une information sur l'écart entre ff 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.

  1. 1 Écrire le centre et poser h=x−ah=x-a, k=y−bk=y-b, avec leurs signes.
  2. 2 Calculer ff, fxf_{x}, fyf_{y}, fxxf_{xx}, fxyf_{xy}, fyyf_{yy} AU POINT, et contrôler fxy=fyxf_{xy}=f_{yx} par Clairaut.
  3. 3 Écrire la formule avec son crochet, puis le développer : 12fxx\frac{1}{2}f_{xx}, fxyf_{xy}, 12fyy\frac{1}{2}f_{yy}.
  4. 4 Remplacer hh et kk par leurs valeurs, et donner LL puis T2T_{2} si l'énoncé compare.
  5. 5 Dire ce que la correction quadratique a changé, en signe et en ordre de grandeur.

Phrase de conclusion

« Avec h=…h=… et k=…k=…, L=…L=… et T2=L+12[fxxh2+2fxyhk+fyyk2]=…T_{2}=L+\frac{1}{2}\left[f_{xx}h^{2}+2f_{xy}hk+f_{yy}k^{2}\right]=… ; 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.

  1. 1 Calculer les quatre dérivées d'ordre 33, fxxxf_{xxx}, fxxyf_{xxy}, fxyyf_{xyy}, fyyyf_{yyy}.
  2. 2 Les majorer sur TOUT le carré, en nommant la raison : ∣sin⁡∣≤1|\sin|\leq 1, l'exponentielle croissante, etc. Fixer MM.
  3. 3 Écrire ∣f−T2∣≤M6(∣h∣+∣k∣)3|f-T_{2}|\leq\frac{M}{6}\left(|h|+|k|\right)^{3} et remplacer, avec les valeurs absolues.
  4. 4 Comparer à la précision demandée, et dire si la borne la garantit.

Phrase de conclusion

« Sur le carré, toutes les dérivées d'ordre 33 sont bornées par M=…M=… car … ; donc ∣f−T2∣≤M6(∣h∣+∣k∣)3≤…|f-T_{2}|\leq\frac{M}{6}(|h|+|k|)^{3}\leq … »

Le piège : Prendre MM 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.

L'exercice type décortiqué

Estimer 4,1 e0,1\sqrt{4{,}1}\,\mathrm{e}^{0{,}1} par l'approximation quadratique

Soit f(x,y)=x eyf(x,y)=\sqrt{x}\,\mathrm{e}^{y}. Écrire le polynôme de Taylor d'ordre 2 de ff en (4,0)(4,0), puis estimer 4,1 e0,1\sqrt{4{,}1}\,\mathrm{e}^{0{,}1} par LL et par T2T_{2}. On donne la valeur exacte 4,1 e0,1≈2,237 80\sqrt{4{,}1}\,\mathrm{e}^{0{,}1}\approx 2{,}237\,80.

Étape 1

Centre (4,0)(4,0) : h=x−4h=x-4, k=yk=y. f=2f=2, fx=ey2x=14f_{x}=\frac{\mathrm{e}^{y}}{2\sqrt{x}}=\frac{1}{4}, fy=x ey=2f_{y}=\sqrt{x}\,\mathrm{e}^{y}=2.

Pourquoi

Les dérivées premières donnent L ; on les évalue tout de suite au point pour ne pas traîner des expressions.

Étape 2

fxx=−ey4x3/2=−132f_{xx}=-\frac{\mathrm{e}^{y}}{4x^{3/2}}=-\frac{1}{32}, fxy=ey2x=14f_{xy}=\frac{\mathrm{e}^{y}}{2\sqrt{x}}=\frac{1}{4}, fyy=x ey=2f_{yy}=\sqrt{x}\,\mathrm{e}^{y}=2. Contrôle : fyx=∂∂x(x ey)=14f_{yx}=\frac{\partial}{\partial x}\left(\sqrt{x}\,\mathrm{e}^{y}\right)=\frac{1}{4} aussi.

Pourquoi

Clairaut sert de vérification gratuite : si les deux dérivées croisées diffèrent, l'une est fausse.

Étape 3

T2=2+h4+2k+12[−h232+2⋅14hk+2k2]=2+h4+2k−h264+hk4+k2T_{2}=2+\frac{h}{4}+2k+\frac{1}{2}\left[-\frac{h^{2}}{32}+2\cdot\frac{1}{4}hk+2k^{2}\right]=2+\frac{h}{4}+2k-\frac{h^{2}}{64}+\frac{hk}{4}+k^{2}.

Pourquoi

Le crochet est développé par écrit : −164-\frac{1}{64} et 11 pour les carrés, 14\frac{1}{4} entier pour le terme croisé. C'est l'étape qui porte le point.

Étape 4

Avec h=k=0,1h=k=0{,}1 : L=2+0,025+0,2=2,225L=2+0{,}025+0{,}2=2{,}225 et T2=2,225−0,0164+0,0025+0,01≈2,237 34T_{2}=2{,}225-\frac{0{,}01}{64}+0{,}0025+0{,}01\approx 2{,}237\,34.

Pourquoi

On garde L comme étape intermédiaire : la comparaison est presque toujours demandée, et elle se lit ici sans recalcul.

Étape 5

Erreurs : 2,237 80−2,225≈0,01282{,}237\,80-2{,}225\approx 0{,}0128 pour LL, 2,237 80−2,237 34≈0,000 462{,}237\,80-2{,}237\,34\approx 0{,}000\,46 pour T2T_{2}, près de trente fois moins.

Pourquoi

Les ordres de grandeur attendus, 10−210^{-2} puis 10−310^{-3} ou moins, sont au rendez-vous : c'est la vérification de cohérence.

Étape 6

Recoupement par les séries : 4+h=21+h4≈2+h4−h264\sqrt{4+h}=2\sqrt{1+\frac{h}{4}}\approx 2+\frac{h}{4}-\frac{h^{2}}{64} et ek≈1+k+k22\mathrm{e}^{k}\approx 1+k+\frac{k^{2}}{2} ; le produit tronqué au degré 22 redonne exactement T2T_{2}.

Pourquoi

Deux méthodes indépendantes qui donnent le même polynôme : aucun coefficient ne peut plus être faux.

Conclusion rédigée

« En (4,0)(4,0), T2=2+h4+2k−h264+hk4+k2T_{2}=2+\frac{h}{4}+2k-\frac{h^{2}}{64}+\frac{hk}{4}+k^{2} ; en (4,1 ;0,1)(4{,}1\,;0{,}1), L=2,225L=2{,}225 et T2≈2,2373T_{2}\approx 2{,}2373, contre 2,23782{,}2378 : la courbure corrige l'estimation linéaire d'environ 0,01230{,}0123. »

L'erreur classique sur cet exercice : Écrire 18hk\frac{1}{8}hk au lieu de 14hk\frac{1}{4}hk en divisant le terme croisé par deux, ou −h232-\frac{h^{2}}{32} en oubliant le 12\frac{1}{2} du carré.

À savoir par cœur

  • • T2=f+fxh+fyk+12[fxxh2+2fxyhk+fyyk2]T_{2}=f+f_{x}h+f_{y}k+\frac{1}{2}\left[f_{xx}h^{2}+2f_{xy}hk+f_{yy}k^{2}\right], dérivées au point, h=x−ah=x-a, k=y−bk=y-b.
  • • Coefficients : 12fxx\frac{1}{2}f_{xx} devant h2h^{2}, fxyf_{xy} ENTIER devant hkhk, 12fyy\frac{1}{2}f_{yy} devant k2k^{2}.
  • • Partie quadratique =12h⃗ THh⃗=\frac{1}{2}\vec h^{\,T}H\vec h, hessienne HH symétrique et SANS facteur.
  • • Par les séries : tronquer au degré TOTAL 22 ; le résultat est T2T_{2} par unicité.
  • • ∣f−T2∣≤M6(∣h∣+∣k∣)3|f-T_{2}|\leq\frac{M}{6}(|h|+|k|)^{3}, MM majorant les dérivées d'ordre 33 sur TOUT le carré.
  • • Erreur de LL d'ordre 22, de T2T_{2} d'ordre 33, 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.

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

Voir aussi

Taylor à deux variables vous bloque en MTH1101 ?

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.

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