Fonctions à valeurs dans un produit

Les notations restent celles des pages précédentes du même chapitre. c'est à dire que f désigne une application d'un ouvert U d'un espace de Banach E vers un espace de Banach F.
Mais on suppose cette fois que F est lui-même le produit des espaces de Banach Fi pour 1≤i≤m.
$$F=F_{1}\times F_{2}\times ...\times F_{m}$$
Introduisons les notations suivantes : Pour chaque entier i tel que 1≤i≤m soit
$$p_{i}: F \rightarrow F_{i}$$
l'application de projection du produit F sur son i-ème facteur, et soit
$$u_{i}: F_{i}\rightarrow F $$
L'injection définie par
$$u_{i}\left ( x_{i} \right )=\left ( 0,...,0,x_{i},0,...,0 \right )$$
des zéros partout sauf à la i-ème place. On vérifie que ui et pi sont des applications linéaires continues et qu'elles satisfont aux relations :
$$\begin{cases} & p_{i}\circ u_{i}=Id_{F_{i}}\\ & \sum_{i=1}^{m}u_{i} \circ p_{i}=Id_{F}\end{cases} \tag{1}$$
Nous avons alors le résultat suivant :

Pour que f soit différentiable au point a∈U, il faut et il suffit que, pour chaque i (1≤i≤m), la fonction fi=piof : U → Fi soit différentiable au point a, et alors
$$f'(a)=\sum_{i=1}^{m}u_{i}\circ f'_{i}\left ( a \right ) \tag{2}$$
Les applications pi et ui étant linéaires elles sont différentiables (revoir cette page). Donc si f est différentiable, en vertu du théorème de dérivation des fonctions composées piof est différentiable et a pour dérivée
$$f'_{i}\left ( a \right )=p_{i}\circ f'\left ( a \right )\in \mathfrak{L}\left ( E,F_{i} \right )$$
Réciproquement, supposons que f'i soit différentiable au point a, quel que soit l'entier i (1≤i≤m) ; la deuxième relation de (1) donne
$$f=\sum_{i=1}^{m}u_{i}\circ p_{i} \circ f=\sum_{i=1}^{m}u_{i} \circ f_{i}$$
Donc d'après la linéarité de la dérivée, la règle de dérivation des fonctions composées, et le fait qu'une fonction linéaire est dérivable et égale à sa dérivée. f est différentiable au point a et la formule (2) est démontrée.

Ce résultat a pour conséquence :

Pour que l'application $f': U \rightarrow \mathfrak{L}(E,F)$ soit continue, il faut et il suffit que chaque $f'_{i}: U \rightarrow \mathfrak{L}(E,F_{i})$ soit continue.

Cas particulier

K désignant soit le corps ℝ soit le corps ℂ.
Nous considérons maintenant le cas où E=F1=F2=...=Fm=K .
La donnée de f: U → Km équivaut à la donnée de m fonctions numériques fi (définies sur U⊆K et à valeurs dans K).
Une application linéaire de E dans F s'identifie à un vecteur colonne. Si f est dérivable en a la dérivée de f en a s'identifie au vecteur colonne dont les composantes sont les dérivées f'i

La dérivée de f en le point t0 s'identifie alors avec une limite :
$$f'\left ( t_{0} \right )=\lim_{t\rightarrow t_{0},t\neq t_{0}}\frac{f(t)-f(t_{0})}{t-t_{0}}$$

Si [a,b] est un intervalle compact de ℝ on dit que f:I→F est dérivable par rapport à I, si f est dérivable en chaque point de l'ouvert ]a,b[ et si f possède en a une dérivée à droite et en b une dérivée à gauche, chacune étant définie par :$$f_{d}^{'}(a)=\lim_{t\rightarrow a,t> a}\frac{f(t)-f(a)}{t-a}$$$$f_{g}^{'}(b)=\lim_{t\rightarrow b,t< b}\frac{f(t)-f(b)}{t-b}$$

Une application (formule de Leibniz d'ordre 1)

Considérons deux espaces de Banach E1 et E2 ainsi qu'une application bilinéaire continue (x1,x2)→(x1|x2) à valeurs dans un espace de Banach F, assimilée à un 'produit'. On considère également deux applications continues u: U → E1 et v: U → E2. on peut alors faire le 'produit' de u et v défini par la fonction w où
$$w(x)=(u(x)|v(x)) \tag{3}$$. Avec ces notations :

Supposons que u et v soient toutes deux différentiables au point a∈U alors w est différentiable en a également et
$$w'(a).h =\left ( u'(a).h|v(a) \right )+\left ( u(a)|v'(a).h \right ) \tag{4}$$ pour tout h∈E.
D'après le premier théorème de cette page, l'application x → (u(x),v(x)) de U dans E1×E2 est différentiable au point a et sa dérivée est l'application linéaire :
$$h \rightarrow (u'(a).h,v'(a).h)$$
D'autre part le 'produit' étant une application bilinéaire est dérivable en tout point de E1×E2 (revoir cette page). L'application w définie par (3) est la composée :
$$U\overset{(u,v)}{\rightarrow}E_{1}\times E_{2}\overset{(.|.)}{\rightarrow}F$$
Donc par application du théorème de dérivation des fonctions composée elle est différentiable en a et sa dérivée est égale à la composée des applications dérivées. Explicitons cette dérivée.
On doit dans cette formule remplacer a1 par u(a) a2 par v(a), h1 par u'(a).h et h2 par v'(a).h. On obtient précisément la formule (4) du théorème.

Cas particulier

Supposons que E=ℝ c'est à dire que u et v soient des fonctions d'une variable numérique. Alors u'(a) s'identifie à un vecteur de E1 par la relation u'(a).h=h.u'(a) multiplication du vecteur u'(a) par le scalaire h. On peut en dire autant de v'(a) qui s'identifie à un vecteur de E2.
En faisant h=1 dans la relation (4) il vient :
$$w'(a)=(u'(a)|v(a))+(u(a)|v'(a))$$
et dans le cas où E1=E2=ℝ et où (x|y)=x.y (produit 'usuel'). on retrouve la formule de dérivation du produit de deux fonctions numériques.

Exercices

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