Germe de fonction infiniment dérivable
Par Mathoman, mardi 27 avril 2010 à 16:57 - Exo, enigme, casse-tête - Tags
Actuellement je traverse la Corse à vélo, et aujourd'hui lors d'une montée raide je pensais à un problème de souplesse. Comme nous le savons les fonctions infiniment dérivables sont beaucoup plus souples que les fonctions analytiques. Par exemple on peut se poser la question suivante sur la donnée des dérivées successives en un point :
Existe-t-il une fonction f de classe
telle que pour tout naturel n,

Pourquoi ne pas lire aussi :
Mieux comprendre la topologie des matrices singulières
Par Mathoman - Tags
Mon billet récent sur la dimension maximale d'un sous-espace affine contenu dans l'ensemble des matrices non-inversibles m'a inspiré les réflexions suivantes, une sorte de version différentiable de ce résultat.
On note
l'espace des matrices n x n à coefficients réels et
le sous-ensemble des matrices inversibles. On sait que
est un ouvert dans
. En effet c'est l'image réciproque de l'ouvert
par l'application continue déterminant
On peut même dire un peu plus : le déterminant étant polynômial en
le complémentaire des matrices inversibles, c'est-à-dire l'ensemble des matrices de déterminant nul,
est une hypersurface algébrique. Géométriquement parlé
est un fermé de
qui ressemble localement à un hyperplan (c'est-à-dire à un sous-espace affine de dimension n²-1). Enfin, cela est vrai en presque tous les points, ceux où la différentielle du déterminant ne s'annulle pas (points réguliers
). En revanche, en les points où la différentielle du déterminant est nulle (points singuliers
), l'hypersurface
ne ressemble plus à un sous-espace affine. Il peut y avoir un croisement comme par exemple
(Pour plus d'images de surfaces algébriques visitez le la galerie de Herwig Hauser.)
Il est évident que la différentielle du déterminant est nulle à l'origine. Donc notre hypersurface
possède une singularité à l'origine.
Le résultat suivant dit qu'il s'agit d'une singularité de type rétrécissement, car l'hypersurface de dimension n²-1 y perd quelques dimensions il y reste juste assez de place pour n²-n dimensions...
Proposition :
Le nombre n²-n est la plus grande dimension possible d'une sous-variété différentiable F deDémonstration :telle que
![]()
- L'ensemble des matrices dont la première ligne est nulle est un sous-espace vectoriel (et donc en particulier une sous-variété différentielle) de dimension n²-n. Evidemment il contient l'origine 0 et est contenu dans
. - Soit F une sous-variété de
de dimension n²-n+1 et telle que
.
Nous allons prouver que F contient une matrice inversible.
Au voisinage de l'origine la sous-variété F est décrite par un système de n-1 équations
tel que les différentielles
sont linéairement indépendantes à l'origine.
On résoud ce système par le théorème des fonctions implicites, c'est-à-dire on peut isoler (théorétiquement) n-1 des coordonnées et les exprimer par les autres. On a ainsi, toujours au voisiange de l'origine,
n²-n+1 coordonnées variables et n-1 coordonnées isolées (fonctions différentiables des coordonnées variables).
Maintenant je peux poursuivre mon raisonnement de la preuve du cas affine : par des permutations de lignes et de colonnes je m'arrange à ce que les coordonnées isolées soient toutes au-dessus de la diagonale matricielle ; puis je prends les coordonnées sur la diagonale toutes égales à un nombre
non-nul et proche de 0 et les autres coordonnées variables égales à 0. Ainsi j'obtiens une matrice inversible qui est dans F.
Pourquoi je demande à tracer des courbes à la main
Par Mathoman - Tags
Personnellement je pense que les calculatrices et TICE (Technologies de l'information et de la communication pour l'éducation) devraient être utilisées avec prudence dans les cours de mathématiques. La raison est simplement que ça va trop vite pour qu'un élève ou étudiant comprenne les nouvelles notions qu'il rencontre. C'est à nous, les enseignants, de choisir des exemples numériques où les calculs ne se compliquent pas trop et qui font dégager l'essentiel. Le danger des TICE c'est que souvent elles font primer la quantité sur la qualité. Or je pense qu'un élève qui trace lui-même sur sa feuille cinq paraboles bien choisis va comprendre plus de choses que s'il en voit vingt paraboles défiler sur un écran.
Le fait que beaucoup de bacheliers quittent l'école sans maîtriser les fondements en calcul a été (et est toujours) discuté amplement dans ce blog. Aujourd'hui je veux insister sur un autre point, la capacité de tracer à la main les courbes de fonction simples. Dans mes cours sur les fonctions trigonométriques j'insiste sur des dessins soignés des fonctions sinus, cosinus, tangente, arcsinus, arccosinus et arctangente dans une repère orthonormé. Je fais ces dessins au tableau et je passe dans les rangs pour vérifier si les étudiants les ont bien faits ; si ce n'est pas le cas je leur demande de les refaire chez eux.
Evidemment le dessin ne peut pas être aussi précis que celui qui sort d'un ordinateur. Mais en insistant sur deux choses on arrive quand même à un tracé correct :
- Utiliser quelques valeurs particulières. Par exemple la courbe de la tangente passe par le point de coordonnées
. Et afin de trouver pour l'abscisse la valeur approximative 0,8 un étudiant faible doit déjà réfléchir un peu... - La pente de la tangente à l'origine du sinus est sin'(0)=cos(0)=1. Placer des petits traits de pente 1 ou -1 aux points où le sinus s'annule est un bon réflexe qui permet d'augmenter sensiblement la précision du tracé de la courbe. En même temps cela rappelle la notion de la dérivée comme taux d'accroissement local...
D'ailleurs, j'ai un message à passer aux professeurs de math au collège et lycée : Travaillez moins !
Ne me comprenez pas mal ;-)
Par cela je veux dire que les professeurs ne devraient plus faire le travail à la place de leurs élèves et donc ne plus fournir de repère prêt-à-utiliser sur la feuille d'énoncé. Déjà le choix d'une repère est un tâche intellectuelle importante à accomplir par l'élève : quelles échelles sur les deux axes sont adaptées à mon graphique ? quelle région veux-je représenter ?
Vu le nombre de bacheliers S qui ont du mal à dessiner correctement en moins d'une minute une parabole comme y=½(x-1)²+1 il serait souhaitable de revenir à ces concepts qui ont l'air vieux-jeu mais en réalité ne le sont pas car celui qui les a compris a compris bien plus que de faire un simple dessin.
Déjà au collège quand on trace la parabole standard y=x² à la main c'est l'occasion de comprendre plein de choses, comme par exemple que x<x² lorsque x est plus grand que 1, tandis que x>x² lorsque x est compris entre 0 et 1.
Le tracé d'une courbe doit si possible faire apparaître les propriétés essentielles, comme les intersections avec les axes, les pentes en ces intersections, les extréma, des éventuels asymptotes,...
Si l'on négligence ces choses-là ça donne des intersections fantaisistes entre la courbe de la fonction tangente et celle de sa réciproque, enseignées aux étudiants d'un établissement d'enseignement supérieur américain réputé d'être l'un des meilleurs du monde (rang 4 au classement de Shanghaï 2010) :
![]() |
Cours filmé au MIT Tracés complètement faux de tan et arctan ! |
Heureusement le reste de ce cours pris en vidéo semble de meilleure qualité.
Question pour mes étudiants : Cherchez l'erreur !
Cet enseignant a probablement vu trop d'images dans des repères à échelles distinctes sur l'abscisse et l'ordonnée, comme celle-ci au lieu de celle-là. C'est d'ailleurs la raison pour laquelle je demande toujours de tracer les fonctions trigonométriques dans un repère orthonormé.
Fibres d'une application complexe
Par Mathoman - Tags
Hier Pierre Lecomte a posé dans son blog un exercice sur des angles et la cotangente qui m'a inspiré la généralisation complexe suivante.
Notons

Question:
Déterminer les fibres de l'application
définie par

Réponse:
Soit H est l'hyperplan de C3 d'équation u+v+w=1 et
Dk, k=1,2,3, les droites

Notons D'1=D1\{(1,0,0)}, D'2=D2\{(0,1,0)}, D'3=D3\{(0,0,1)} les droites épointées. Alors l'image de f est

est discrète. Plus précisément, la restriction de f à
est un revêtement au-dessus
.
Preuve:
D'abord nous remarquons que la formule d'addition

peut s’écrire aussi comme
Cela signifie que pour tout
on a

Soit maintenant
.
- Premier cas:
Alors
et par conséquence
et on a
. - Second cas:
Supposons par l'absurde que la première coordonnée de
est égale à 1. Ainsi
et
. Alors
Par conséquence
, c'est-à-dire
. C'est une contradiction, car la cotangente est une application de
sur 

Montrons maintenant que la restriction de f réalise un revêtement au-dessus
Notons arccot la fonction réciproque de la cotangente. C'est une fonction analytique multivaluée
sur
, primitive de s=-dz/(1+z2). On remarque que le résidu de s en i (resp. -i) vaut i/2 (resp. -i/2). Donc un petit tour dans le sens positif autour de +i (resp. -i) ajoute
(resp.
) à la détermination de arccot.
Soit (u,v,w) dans H tels que u>0, v>0 et w>0. En résolvant l'équation
on trouve:

Pour voir cela il suffit de vérifier que les valeurs des racines évitent les points ±i où arccot n'est pas défini. Supposons par l'absurde que (vw/u)½=±i. Alors vw/u=-1. Avec l'égalité u+v+w=1 cela implique v=1 ou w=1. Donc (u,v,w)=(0,1,0) ou (0,0,1), points qui ne sont pas dans
Le prolongement analytique est donc possible, on obtient bien un revêtement, ce qui termine la preuve.
Si u fait un petit tour autour de 0 alors la détermination de la racine change de + en -. Vu que pour tout réel x on a
on obtient alors l'autre solution

Regardons le cas particulier où on prolonge (*) d'un point (u,v,w) dans H avec u>0, v>0, w>0 vers un point (u',v',w') dans H avec u'<0, v'<0, w'>0. Essentiellement il y a à choisir entre deux types de chemins:
- Dans le plan de la variable u on fait un petit demi-tour (sens positif) autour de l'origine et dans le plan des v on fait la même chose. (Le point w reste proche de 1.) Le prolongement de (*) le long de ce chemin aboutit à
(I)

- La variable u fait un petit demi-tour autour de l'origine et v fait la même chose mais dans le sens opposé. Le prolongement de (*) le long de ce chemin aboutit à
(II)

alors la formule (II) donne un triplet de somme 
Lieu discriminant
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Mon dernier billet où on parlait de racines multiples de polynômes m'a rappelé quelques souvenirs de notions que j'avais apprises pendant ma maîtrise.
Le résultant de deux polynômes
Considérons deux polynômes


La proposition suivante est la raison d'être du résultant.
Proposition. On a R(P,Q)=0 si et seulement si P et Q possèdent un diviseur commun non-constant.
Le discriminant d'un polynôme
Dans le cas où Q est la dérivée de P le résultant porte un nom particulier : on appelle R(P,P') le discriminant de P. La proposition ci-dessus implique le corollaire ci-dessous.
Corollaire. Un polynôme complexe admet une racine multiple si et seulement si son discriminant est nul.
Testons au moins la véracité de ce corollaire sur les polynômes de second degré (que les profs de lycée appellent trinômes) !


Nous retrouvons ainsi le fait, connu par tout lycéen en classe première S, que le polynôme de second degré aX²+bX+c possède une racine double si et seulement si b²-4ac=0.
Groupe fondamental du complémentaire du lieu discriminant
Maintenant revenons au niveau maîtrise (des nos jours master ou encore magistère...) pour poser les deux questions suivantes. Dans l'espace
on appelle lieu discriminant le sous-ensemble
formé des
tels que le polynôme

- Montrer que
est connexe par arcs. - Quel est le groupe fondamental de
? Le décrire par générateurs et relations.
Les réponses sont plutôt faciles ; pour la deuxième question, pas la peine de tout formaliser, le handwaving suffit car dans cet exemple le formalisme ne donne rien en valeur ajoutée...
Question autour d'une singularité essentielle et le théorème de Picard
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A la fin de mon article Hyperelliptic action integral, Annales de l'institut Fourier 49(1), p. 303–331, j'ose la conjecture suivante:
Une conjecture autour d'une singularité.
Soit D le disque unité du plan complexe etun recouvrement du disque épointé D*= D\{0} par des ouverts. Sur chaque ouvert
soit
une fonction holomorphe injective telle que
sur toutes les intersections
. Alors ces différentielles se recollent en une 1-forme méromorphe sur D.
Il est clair que la 1-forme est holomorphe sur D*. Si son résidu est nul, alors la conjecture découle facilement du grand théorème de Picard, cité ci-dessous. Mais si le résidu est non-nul, je ne sais pas la démontrer.
Toute preuve ou tout contre-exemple sont les bienvenus à vrai dire les contre-exemples un peu moins car je crois (guidé par mon intuition géométrique des surfaces de Riemann) que cette conjecture est vraie...
En 1880 Charles Emile Picard (1856-1941) prouva le théorème suivant.
Grand théorème de Picard.
Une fonction holomorphe ayant une singularité essentielle prend, sur tout voisinage de cette singularité, tout nombre complexe une infinité de fois comme valeur, sauf peut-être un.
Exemple typique pour le théorème de Picard
La fonction définie par
est holomorphe sur
et possède une singularité essentielle en
. L'image de f épargne-t-il une valeur (Picard dit "sauf peut-être un")? Oui, et comme
pour tout
, cette valeur épargnée est forcément zéro; le théorème affirme alors que pour tout nombre complexe
et pour tout
il existe une infinité de nombres complexes
tels que
et
.Calcul direct avec cet exemple
Dans l'exemple ci-dessus on peut se debrouiller par un calcul direct sans invoquer le théorème de Picard. En effet, fixons un nombre complexe non-nul
et un
Il existe alors deux réels
et
tels que
Pour tout
posons
et
Alors
.Ainsi on a on a

Par conséquence, en prenant
assez grand, on voit que
possède une infinité d'antécédents dans le disque épointé
.Un exemple moins évident
Notons P l'ensemble des nombres premiers et considérons la fonction définie par
.On peut appliquer le théorème de Picard, car il y a une singularité essentielle à l'origine.
En revanche, il me semble impossible de faire un calcul explicite...
Conseils aux étudiants pour une bonne rédaction
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Souvent les étudiants en première année ont une idée intuitive pour une preuve mais lorsqu'ils l'écrivent avec les termes de la logique mathématique leur rédaction est très maladroite, voire fausse ou illisible. Ces lignes leur sont destinées. Je vais montrer sur des exemples très simples ce qu'il faut faire et ce qu'il faut éviter.
Syntaxe d'une assertion
Une assertion (ou proposition) mathématique est une phrase contenant un verbe. Les verbes mathématiques sont par exemple
7 + 1 = 8
est une assertion (qui est vraie), et1 < 0
est une assertion (qui est fausse). Mais7+1
n'est pas une assertion car elle ne contient pas de verbe, donc on ne peut pas se demander si elle est vraie ou fausse. Entre deux assertions équivalentes on n'écrit pas = mais le symbole
. Ce symbole étant lui-même un verbe c'est donc un emboîtement d'assertions (pensez aux poupées russes).Ecrire
![1 \leq x \leq 5\;\;\Leftrightarrow\;\; [1,5]](http://www.mathoman.com/CACHE/tex_ea5e6cd3d5b098d4e1c60d1e170e7817.png)
![1 \leq x \leq 5\;\;\Leftrightarrow\;\; x\in [1,5].](http://www.mathoman.com/CACHE/tex_44cb09ca058418b7d7ddb38ebd5c0441.png)
Il ne suffit pas de mettre un verbe pour avoir une assertion, il faut aussi que la syntaxe soit correcte. Par exemple écrire
et
n'ont pas de sens. Mais
et
sont des assertions (qui sont vraies d'ailleurs).Le langage mathématique suit les mêmes règles que notre langage habituel (phrase principale, phrase relative, conjonctions,...). Si quelqu'un vous disait
pouvez-vous dire qu'il dit la vérité ou non ? Non, vous ne pouvez pas ! Or c'est précisément ce que certains étudiants écrivent sur leurs copies de mathématiques : des juxtapositions de symboles qui ne donnent aucun sens. Et donc nous, les correcteurs, ne pouvons pas donner de point pour ce charabia.Nous ¤ camping # faisez ((à pluie sec
Les symboles ne sont que des raccourcis d'écriture. Vous devriez être capables de rédiger sans eux. Si la traduction en langage français de ce que vous écrivez à l'aide de symboles n'a pas de sens, alors il y a un problème.
Introduire les objets avant leur utilisation
Ne faites jamais apparaître un objet sans l'introduire. Par exemple n'écrivez pas
.
Notant S l'ensemble de solutions de l'équation x²-6x+5=0 on obtient...Mais cela est bien lourd. Ecrivez donc plus simplement
.Exemples de bonne syntaxe
Les théorèmes 1, 2 et 3 ci-dessous sont des assertions. Les deux premiers sont équivalents ; et chacun d'entre eux implique le troisième.
Théorème 1. Soit. Alors la fonction f définie par f(x)=ax pour tout réel x est strictement croissante sur
si et seulement si a > 0.
Théorème 2. Pour tout réel a la fonction f définie par f(x)=ax pour tout réel x est strictement croissante sursi et seulement si a > 0.
Théorème 3. Si a > 0 est un réel alors la fonction f définie par f(x)=ax pour tout réel x est strictement croissante surLa preuve du théorème 2 devrait commencer comme suit..
Preuve du théorème 2. Soit a un réel. Blabla...Evidemment on aurait pu écrire
soit b un réelet continuer à travailler avec ce b. Ca serait tout à fait correct car dans le théorème 2 le réel a est une variable locale car précédé par le quantificateur
. Ecrire soit a un réelou
soit b un réelrevient à fixer ce réel ce qui en fait une variable globale pour la suite du raisonnement.
C'est le moment de mentionner une subtilité. Le théorème 1 commence par
soit a un réel. De ce fait a est déjà fixé (une variable globale) dans le théorème 1 et ça serait inutile et même faux de commencer la preuve par dire
soit a un réel. Il est déjà donnée et nous devons travailler avec lui et pas avec un autre a ni un autre b.
Mauvaise rédaction de la preuve
Preuve du théorème 2 (version débutant).Trois erreurs :
Soit a un réel. Supposons a > 0. Il faut montrer que pour tous réels x, y tels que x < y on a f(x) < f(y). Or x < y et a > 0 entraînent ax < ay ou encore f(x) < f(y). Donc f est strictement croissante.
Réciproquement supposons que f est strictement croissante, c'est-à-dire pour tous réels x, y tels que x < y on a f(x) < f(y). On voit sur l'inégalité ax < ay que a doit être forcément positif, sinon l'inégalité devrait être dans l'autre sens.
On voit sur l'inégalité ax < ay ...
. Or les symboles x et y n'ont pas été introduits précédemment. Il fallait écriresoit x et y...
.- La fin du raisonnement
devrait être...
n'est pas clair. - Le débutant écrit
il faut montrer que...
puis il donne la définition d'une fonction strictement croissante. Or redonner une définition tellement basique c'est presqu'un insulte vis-à-vis du correcteur ! Evitez de redonner des définitions que tout le monde connaît et n'écrivez pas ce que vous voulez démontrer si c'est déjà écrit clairement dans l'énoncé.
En revanche, si ce que vous allez démontrer est une reformulation équivalente ou seulement une condition nécessaire pour la proposition que vous cherchez à prouver alors il est souhaitable que vous écrivez "je vais démontrer ceci...". Par exemple c'est une bonne idée d'écrire :Soit a > 0. Pour montrer que la fonction définie par f(x)=ax pour tout réel x est strictement croissante sur R je vais prouver que sa dérivée est strictement positive
.
Bonne rédaction
Preuve du théorème 2 (version de l'étudiant expérimenté).
Soit a un réel.
Supposons a > 0. Soient x, y deux réels tels que x < y. Alors on a
f(x) = ax < ay = f(y). Cela prouve que f est strictement croissante.
Réciproquement supposons f strictement croissante. Alors l'inégalité 0 < 1 entraîne l'inégalité f(0) < f(1). Cela prouve que a = f(1) > f(0) = 0.
Structure d'une preuve
Exemple de structure d'une preuve bien rédigée :
Enoncé. Soient A et B des ensembles et f une application de A dans B. Montrer que si on a l'hypothèse (H) ... alors f est injective.Autrement dit, vous introduisez deux éléments x et y qui vérifient l'égalité f(x) = f(y), puis vous gardez en tête que vous voulez arriver à l'égalité x = y. Si vous voulez vous pouvez l'écrire x = y en bas de votre page pour savoir où vous voulez arriver. Mais surtout ne l'écrivez pas plus tôt car c'est votre but et non votre point de départ ! Sur le chemin du raisonnement vous devez, très probablement, utiliser la propriété (H).
Preuve.
Supposons (H). Soient x et y deux éléments de A tels que f(x) = f(y) ......
...... (je raisonne) ...... j'utilise la propriété (H) ...... (je raisonne) ...... j'obtiens x = y.
Cela prouve l'injectivité de f.
Preuve alternative (par contraposition).
Supposons (H). Soient x et y deux éléments distincts de A ......... (je raisonne) ........
........ j'utilise la propriété (H) ........ (je raisonne) ........ je trouve que f(x) est différent de f(y). Cela prouve l'injectivité de f.
Autre conseil
Mon collègue et ami Laurent Kaczmarek a écrit des conseils de rédaction utiles concernant la notation des fonctions en analyse.Diamond signs et graffiti - de Donald Knuth à John Nash, passant par Jackson Pollock... (nouvelles photos ajoutées)
Par Mathoman - Tags
Pas besoin de présenter Donald Knuth aux mathématiciens. Il est actuellement le seul computer scientist qui figure dans le fameux Peoples Archive. Dans les années 1980 Knuth a fait un grand don au monde: le logiciel libre TeX, fruit de son travail de nombreuses années sur le traitement de texte. Aujourd'hui TeX et son cousin LaTeX sont devenus les standards de l'édition scientifique. Par exemple tous les fichiers PDF sur ce blog sont faits avec LaTeX.
Sur la page personnelle de Don Knuth on trouve des rubriques inhabituels, comme ses IFAQ (Infrequently Asked Questions), et plein d'humour, comme ses Expecting a check from me? ou don't click here. En somme, Don Knuth est ce que les américains appellent un véritable "nerd". Et sa page la plus nerdy est celle-ci : Diamond Signs. Elle contient une galérie de photos de panneaux rares de signalisation routière. Ca m'a donné l'idée de faire une collection similaire, car à défaut d'être génial comme lui je veux au moins être un nerd !
Depuis une année, quand je me promène à vélo dans les rues de Paris, je prends avec mon téléphone portable des photos d'un certain type de graffiti. Dans tous les arrondissements je vois régulièrement des graffiti sur les trottoirs qui font penser à l'action painter Jackson Pollock, surnommé "Jack the Dripper" pour sa fameuse technique de dripping.
J'ignore qui est la personne à l'origine de cet hommage parisien à Jackson Pollock. Si j'avais de l'imagination (mais je n'en ai pas), je n'y verrais même pas de l'art j'interpréterais ces signes mystérieux comme un codage secret utilisé par des espions, terroristes ou extra-terrestres pour préparer un grand complot dans notre belle capitale... comme le fait le mathématicien John Nash interprété par l'acteur Russell Crowe dans le film Un homme d'exception.
Envie de jouer un peu à "Jack l'égoutteur" mais sans risquer un procès de la mairie de Paris ? Défoulez-vous virtuellement sur le très surpenant site www.jacksonpollock.org !!!



telle que

un recouvrement du disque épointé D*= D\{0} par des ouverts. Sur chaque ouvert
soit
une fonction holomorphe injective telle que
sur toutes les intersections
. Alors ces différentielles se recollent en une 1-forme méromorphe sur D.
. Alors la fonction f définie par f(x)=ax pour tout réel x est strictement croissante sur
si et seulement si a > 0.























