‹ Leçons de calcul différentiel et de calcul intégral (volume 2)Chapitre 43 sur 84 · Corollaire i®**. La moyenne · texte numérisé non relu

Corollaire i®**. La moyenne

l54. CALCUL DIFFÉREHiTIEL.

est la dérivée de cette autre quantité

donc, si pour de très grandes valeurs de n la première moyenne ou la dérivée est sensiblement nulle, la seconde, ou la quantité elle-même, sera sensiblement constante, car il n'y a qu'une quantité constante qui puisse avoir une dérivée nulle. Si donc on pose

j.M^/WH-/(gr)+/(e'r)... +/(e"''r)^

on aura sensiblement, pour de très grandes valeurs de tz,

FiJa) = F{ro).

/^ (r) n'est autre chose que la moyenne arithmétique entre les diverses valeurs de la fonction f(pc) qui correspondent à un même module rde la variable x, et à des

valeurs de - représentées par les diverses racines n***^' de

l'unité. La limite vers laquelle converge cette moyenne arithmétique tandis que le nombre n croit indéfiniment, est ce qu'on pourrait appeler la ^valeur moyenne de la fonction f{pc) pour le module donné r de la variable x. En admettant cette définition , on déduit immédiatement de ce qui précède la proposition suivante : Si la fonction f{x) et sa dérivée f'ipc) restent finies et continues pour un module r àe x renfermé entre les limites r^ , R, la valeur moyenne de f(pc) correspondante au module r supposé compris entre les limites r^, R, sera indépendante de ce module.

Corollaire 2™®. Si r^^ =0, c'est-à-dire si la fonction f{x) et sa dérivée y '(j:) restent continues pour toutes les valeurs de x dont le module est renfermé entre les valeurs o et R, ou auia sensiblement pour un semblable

DIX-SEPTIÈME LEÇON. l55

module et pour de très grandes valeurs de n , F(r)=F(p) ; et si -f (o) == o, ce qui aura lieu si la fonction f(x) s'évanouissait avec a:, F(r) = o.

84. Théorème i®**. Si l'on attribue à la variable x un module inférieur au plus petit de ceux pour lesquels une des deux fonctions F(.r), F '(a:), cesse d'être finie e^ontinue, la fonction F (ar) pourra être représentée par la

valeur moyenne du produit F(z), correspondante

à un module r de z qui surpasse le module donné de o:, et sera par conséquent développable en série convergente ordonnée suivant les puissances ascendantes de la variable X,

^démonstration. Posons

F (z) désignant une fonction de z qui reste finie et continue avec sa dérivée F'(z), pour un module r de z compris entre les limites o et R. La quantité j^(z) définie par l'équation

s'évanouira ainsi que f(z) pour une valeur nulle de z f et si , en posant pour abréger

on nomme ^{z)j 2:(z), ce que devient F(z) quand on remplace f(z) par (f(z) ou par x(z)^ on aura *

JP(z)=:0(z)— X(z).

De plus , pour de très grandes valeurs de n et pour un

l56 CALCUL DIFFÉRENTIEL.

module r de z inférieur à R, on aura, en vertu du dernier corollaire, puisque /^ (o)= o,

d'autre part, si Ton suppose le module de z supérieur au

modfue de x, la fraction , sera dévcloppable en

série convergente , et l'on aura

= z(2 — ;c)'"»=:ï-|-2"*J7+Z~*^*+etC.,

et par suite

X{^) = —^ F (x) = F (^) ( I + a""* X + Z-» ar» + etc.) , xM- F^zr^ r " + ''"■'^(^ +e-x + ô-» + ô-3 +etc.) "I

Les coefficients de r""' or, r~' a:", etc., sont la somme des racines de l'unité élevées chacune à la puissance — i , ou à la puissance — 2, — 3, etc., somme que nous avons prouvé être égale à o ; on aura donc

et à cause de l'équation <& (r) == X (r) ,

En vertu de cette dernière équation , qui devient rigoureuse quand n devient infini , la fonction F (x) pourra généralement être représentée par la valeur moyenne du

produit F C-^) correspondante au module r de la

variable z ; pourvu toutefois, comme on Ta déjà supposé, que cette fonction F (z) et sa dérivée F' (z) restent finies et continues pour ce module de ^, ou pour un module

DIX-SEPTIÈME LEÇON. l57

plus petit. D'ailleurs la fraction , et par suite le

produit ^(j^) f seront , pour un module de x infé-

rieur au module rde z, développables en séries convergentes ordonnées suivant les puissances ascendantes de x ; on pourra donc en dire autant du second membre de Féquation qui donne F {x) , et par conséquent de F {x)^ Donc, etc.

De ce théorème on déduit immédiatement la proposition suivante.

85. Théorème 2®. Une fonction quelconque réelle ou imaginaire d'uae variable réelle ouimaginaire a: sera développable en une série convergente ordonnée suivant les puissances ascendantes de x , tant que le module de x conservera une valeur inférieure à la plus petite de celles pour lesquelles la fonction ou sa dérivée cesse d'être finie et continue.

Ainsi , en particulier , puisque les fonctions

cosâ7y ûxLXy c'y tf^*, cos(i — X*), etc,

et leurs dérivées du premier ordre ne cessent jamais d'être finies et continues , elles seront toujours développables en séries convergentes ordonnées suivant les puissances ascendantes de a: ^ au contraire , comme les fonctions

1(1 -f-â?), arctangjr,

et leurs dérivées du premier ordre cessent d'être fonctions continues de x au moment où le module de cette variable devient égal à l'unité ; elles seront certainement développables en séries convergentes ordonnées suivant les puis-

l58 CALCUL DlFFÉRGlfTIEL.

sances ascendantes de la variable x, si la valeur réelle ou imaginaire de x offre un module inférieur à Tunîté. Ces séries, au contraire, pourront devenir et deviendront en effet divergentes, si le module de x surpasse Tunité. Enfin , comme les fonctions

Lr, e^ ^ e^*y ces-, etc., • * .

deviennent discontinues avec leurs dérivées du premier ordre pour une valeur nulle de x, par conséquent, lors^ que le module de x est le plus petit possible , elles ne seront jamais développables en séries convergentes ordonnées suivant les puissances ascendantes de x.

On sera peut-être étonné de voir placer la fonction arc tang x au nombre des fonctions qui deviennent infinies ou discontinues quand le module de x devient égal à I : il est vrai que si l'on attribue à x une valeur réelle, la fonction arc tang x ne cesse pas d'être finie et continue 5 mais il n'en sera plus de même si, x devenant imaginaire , on suppose , par exemple ,

Alors, en effet, la fonction

( .y — ^ l(i— *) — l(i+«) arc tang x == arc tang \u, v^— i ] = -i ' ^ 1 ^

deviendra évidemment infinie et discontinue ainsi que sa

dérivée ^ , quand on fera

* z= I ou a: = ± \/ — I .

Les fonctions ci-dessus prises pour exemple , et leurs dérivées du premier ordre, deviennent toujours infinies ou discontinues pour les mêmes valeurs du module de la variable indépendante : si l'on était assuré qu'il en fût toujours ainsi , on pourrait, dans le théorème énoncé, se

DIX-SBPTIÈME LEÇON. i5q

dispenser de parler de la fonction dérivée, mais on n'a point à cet égard une certitude suffisante.

86. La méthode que nous venons d'exposer est d'autant plus remarquable , qu'on peut même en déduire et la série de Maclaurin, et le reste de cette série.

Nous avons vu, en effet, que la fonction F(x) pourra être généralement représentée par la valeur moyenne du

produit F(z)5 or on a

-i-F(z) =zzF(z)+-FW-H^FW + etc.

Donc, dans le développement de F (x) le terme constant devra se réduire à la valeur moyenne de F (z) , ou , en vertu du lemme fondamental, à F(o), puisque, par hypothèse , la fonction F (z) est continue entre les limites o et R. De même, le coefficient de x sera égal à la va-

leur moyenne du rapport — ^-^, ou, ce qui revient au

même, du rapport ^ ^"" — , car la valeur moyenne

F(o) r-*( I + Ô-' + 6»-' + a etc.)

de la qtiantité — ^ est nulle , en vertu des propriétés des

racines de Tunité. D'ailleurs la valeur moyenne du rapport —^ Li^ est égale à la valeur F'(o) qu'il prend

quand on y fait z = o. On montrerait de la même ma- , nière que le coefficient dex*^ valeur moyenne du rapport

—7- ou, ce qui revient au même, n^ 81 , corollaire i^^^

du rapport

F(g)— F(o) — gF^(o)

l6o CALCUL DIFFÉRENTIEL.

est égale à — ^ , et Ton trouvera définitivement I .a I

F (z) = F (o) + f F' (o) + fî F«'(o)+etci "

Quant au reste qui devra compléter cette série , réduite à ses n premiers termes, on le déterminera facilement comme il suit : en eflet , puisqu'on aura

et par suite

-^F(z) = FW + fF(.) + f;F(z)...+^=,^^FW.

il est clair que le reste dont il s'agit sera la valeur

moyenne du produit -^^^-^ ;F(-2), considéré comme

fonction de z , pour un module r de z supérieur au module donné de x. Donc si Ton nomme R le plus grand des modules de F {z) correspondants au module r de z , et p le module attribué à la variable x, le reste de la série de Maclaurin aura pour module un nombre inférieur au

produit „, . -r /?, et par conséquent inférieur au

reste de la progression géométrique que l'on obtient en développant suivant les puissances ascendantes de x, le

rR rapport .

En résumant ce qu'on vient de dire , on obtient la proposition suivante :

87. Théorème 4^. La fonction F(a:) sera développable par la formule de Maclaurin en une série convergente ordonnée suivant les puissances ascendantes de x si le module de la variable réelle ou imaginaire x conserve une

Di:S:-SEPTIEM£ LEÇON. l6l

valeur inférieure à celle pour laquelle la fonction cesse d'être finie et continue. Soit r cette dernière valeur , ou une valeur plus petite, p le module de x, et jR le module maximum de F (x) , les modules du terme général et du reste de la série de Maclaurin ^ seront respectivement inférieurs aux modules du terme général et du reste de la

rR progression géométrique qui a pour sonmie , et dont

le reste est

Les principes ci-dessus exposés , et les divers théorèmes que nous venons d'établir, peuvent être inunédiatement étendus et appliqués à des fonctions de plusieurs variables^ on arriverait ainsi , par exemple , au théorème suivant.

THÉoniacE 5®. Soient j:,j^, z,... plusieurs variables, réelles ou imaginaires, la fonction Y(x ^y^ z.,.) sera développable par la formule de Maclaurin, étendue au cas de plusieurs variables , en une série convergente ordonnée suivant les puissances ascendantes de a:, j^, z... , si les modules de ces variables conservent des valeurs inférieures à celles pour lesquelles la fonction reste finie et continue^ Soient r^ r\ r"..., ces dernières valeurs ou des valeurs plus petites , R le plus grand des modules de F(j:, j', ^••0 correspondants au module r de x, au module / de y^ au module r^ de z, p, p', p", ... les modules de a:, y, j5..* ; les modules du terme général et du reste de la série en question, seront respectivement inférieurs aux modules du terme général et du reste de la série qui a pour somme le produit

r — pV— p''/'— p"

T. r. II

l62 CALCUL DIFFÉREIfTIBL.

Développement des fonctions implicites. — Série de Lagrange.

88. Lesprincipes établis dans laleçon précédente peuvent être appliqués au développement des fonctions implicites, par exemple de celles qui représentent les racines des équations algébriques ou transcendantes. Alors la loi de convergence se réduit encore à la loi de continuité. Concevons pour fixer les idées , qu'il s'agisse de développer la plus petite racine de l'équation

(i) X=^f[jr)

dans laquelle f{y) est une fonction explicite et donnée de y qui ne renferme point x ^ et qui ne devient ni nulle, ni infinie pour y =o . Parmi les racines de cette équation il en existe évidemment une qui s'évanouit en même temps que x^ et qui, si l'on fait croître x par degrés insensibles, variera elle-même insensiblement, ainsi que sa dérivée relative à jc, en restant toujours fonction continue de x^ jusqu'à ce que cette variable acquière une vgleur pour laquelle deux racines de l'équation y = xf{y) deviennent égales (*), pourvu toutefois que dans l'intervalle, la

{*) On dit qu^une équation F ( r) = o, a m racines égales à by lorsqu^on a F (y) rzz^jr — 6)"» f (r), f (r) étant une fonction de y qui ne devient ni nulle, ni infinie pour^ = * ; comme on a d'ailleurs

Pcquation F(r) = one pourra avoir m racines égales à &, ou F(^) ne

DIX-HUrriEME LEÇON. l63

valeur de f (^ correspondante à la racine dont il s'agît, ne cesse pas d'être continue. Donc, si la fonction f(y) reste continue pour des valeurs quelconques de x, celle des racines de l'équation, y = xf(y)^ qui s'évanouit avec Xy sera développable . en série convergente, suivant les puissances ascendantes de x^ pour tout module <le cette varialle inférieur au plus petit de ceux qui introduisent des racines égales dans l'équation (i), en rendant ces racines communes à cette équation et à sa dérivée prise par rapport àj^, i = oc f'(^y)\ et par conséquent pour tout module de x inférieur au plus petit de

<;eux qui répondent aux équations simultanées x = 77^»

-'^^ = y (j^). Ainsi, par exemple, la plus petite racine

de Téquation j^ = j:cos jasera développable en série convergente ordonnée suivant les puissances ascendantes de x pour tout module de x inférieur au plus petit de ceux

qiû répondent aux équations simultanées x = et

pourra être de la forme (r — *)"• f(^) qu'autant que Ton aura

De sorte que la racine multiple & est nécessairement commune à Péquation F(r) = o , et à ses dérivées jusqu'à celles de l'ordre m — i inclusivement. Si m = 2, c'est-à-dire si la racine h est double , elle devra vérifier

à la fois les deux équations F (^) = o, F^ (r) =0.

De plus, si F (^) est une fonction impltcitede x , si, par exemple , y est lié avec x par l'équation j" = xf{y)y on aura

«t l'on en conclura que si à une certaine valeur de x correspond une racine doublede l'équation F (r)=o, la valeur correspondantede/![. sera y en général, infinie et discontinue, puisque F^(&) =0, et par conséquent r ne sera plus développable en série convergente ordonnée suivant les puissances ascendantes et entières de x.

l64 CALCUL DIFFÉRENTIEL.

cosr

— ^ =; — 8in j' OU cot y = — y 5 or on prouve que ce

plus petit module qui correspond à la racine imaginaire

y=, 1,199678... K — I de Téquation coty = — y^ sera 0,662742, et par conséquent la pluà petite racine de Fëquationj^ = xcosysera développable en série conyergente ordonnée suivant les puissances ascendantes de x pour toift module de x inférieur au nombre 0,662742 ; on se trouve ainsi ramené immédiatement à un résultat auquel Laplace est parvenu , par des calculs assez longs , dans son Mémoire sur la convei^ence de la série que fournit le développement du rayon vecteur d'une planète, suivant les puissances ascendantes de Fexcentrîcité.

89, Pour développer cette plus petite racine j^, où la racine qui s'évanouit avec x , et que nous supposerons être une racine simple, appelons-la j^o, et posons

y — ^/(r) = (r -^ jo) <p (r),

y (y) sera une fonction de^ qui, ainsi que f{y\ ne de^ viendra ni nulle, ni infinie pour j- = o. En diflerentiant celte équation par rapport à j^, on trouve

I — ^/'(r) = (r — ro)^'(r) +^(A

et en divisant membre à membre ,

^-^r{y)^ 1 . ¥[y) y—^Ay) y—yo çiyY <f>'{y)^^-^/'(y) I

Hy) y— ^'f{y) y — ro'

D'ailleurs, pour des valeurs suffisamment petites de j", la

fonction ^. ^, qui ne devient pas infinie pour j^ = 0,

sera généralement développable en une série convergente ordonnée suivant les puissances ascendantes entières et positives dey. On aura, par exemple,

! DIX^HCITIBME LEÇOK. l65

^w / — 1L.-1-11 v-i-R v*-i-ete

Ainsi, en particulier, si f (j*) est une fonction entière de y^ et si Ton nomme Vy2l*^ b", , , les racines , supposées inégales, de TéquatioA f (jr)=r o , on aura identiquement

B désignant un coefficient indépendant de j^, et par suite

Pour tout module de jr inférieur aux racines i', 6", etc., chacun des termes du second membre sera développable en série prdonnée suivant les puissances ascendantes de y, et Ton s^ura

J^=-( J7 + J-. +etc...) -r ( j^ + ^. +...)j' - etc.

D fau^a donc que le second membre de Téquation (2) soit lui-m&me développable , pour des modules de j^ qui ne dér passent pas certaines limites, en une série convergente ordonnée suivant les puissance^ ascendantes entières et positives dey. Or il semble au premier abord que pour de très petits modules de a:, ou , ce qui revient au même , pour de très petits modules dey^, ce développement ne puisse s'effectuer , car si le module de y^ devient inférieur à celui dey, et le module de x inférieur à celui de

TT^-f, les deux fonctions

pourront être développées suivant les puissances asccu-

l66 CALCUL DIFFÉRENTIEL* *^

dantes de^o et de x et renfermeront des puissances négatives àey<f on aura en effet, dans cette hypothèse,

= - H --{ 3 -f- etc.

De plus, en désignant par les notations p^,D^, D^,... les dérivées successives prises par rapport kjr^ on aura

et parce cpie

on aura

Enûn , si l'on représente généralement par les notations Y(o), DjY(Q), D'Y^oj^ ce que deviennent une fonction quelconque Y de j" et ses dérivées quand, après la différentiation, on y fait^ = o, et si l'on pose y(j^) = Y, on trouvera encore , en vertu de la formule de Maclaurin ,

Y= Y(o) + - ry Y(o) + -^ d;Y(o> + etc. , . . .

¥'=¥('„) 4- - D^T('„,+-=?ll D^ T(î) + etc..., et par suite

D,^=D,I=-^+^D',T(.) + etc...

H = d;Y('„)4- etc.

Si l'on a égard à ces diverses valeurs , on verra que le second membre de Téquation

renferme , en apparence du moins, un nombre infini de puissances négatives de j^, tandis que le développement du premier membre est une série ordonnée suivant les puissances entières et positives de y. L'égalité entre ces deux membres doit cependant subsister, et en les comparant on doit obtenir un certain nombre d'équations plus ou moins importantes. Pour établir cette comparaison avec plus de succès , faisons les deux remarques suivantes : I® Puisque les modules dey^ et de x s'évanouissent ensemble , on pourra , en supposant le module de^Q très pe-

tit, concevoir que x. x*....x^^ et par suite \>/\

^ ^ y — ^/ix)

soient développés suivant les puissances ascendantes do j-^ -, dès lors le second membre de l'équation

<p{x) x — ^/ix) X—Xo

développé suivant les puissances ascendantes de y et de y^ , offrira , il est vrai , des puissances positives et négatives de j', mais seulement des puissances positives de^^i et l'on voit immédiatement que dans ce second membre le coefficient d'une puissance positive quelconque de y^^ par exemple de j^J , sera la somme S,„ d'une série qui renfermera un nombre infini de puissances positives de j^,

avec les seules puissances négatives ^^^ ,—...- qui

proviennent et du développement de ( y — -J^o)"'? et des coefficientsdeo:, j:^, x^...jî'". 2^ En vertu des principes établis

dans la leçon précédente , la fonction —7^ sera dévelop-

l68 CALCUL DIFFÉRENTIEL.

pable en une série convei^ente ordonnée suivant les puis^ sances ascendantes de^ etdej'o, tant que les modules dç y et dej^o ï*® dépasseront pas les limites au-delà desquelles cette fonction cesse d'être continue , et le coefficient dej^ dans ce développement, déduit de la formule de Maclaurin, sera la somme S^ d'une série qui renfermera seulement des puissances entières et positives de y. Cela posé 9 deux développements ordonnés suivant les puissant ces entières et positives d'une même variable j^o? ^^, pouvant être égaux qu'autant qu'il y a égalité entre les coef-^ ficients des mêmes puissances , les deux coefficients de j^'j que nous avons désignés par S;„, S,I„ et qui représentent les sommes de deux séries ordonnées suivant les puissances ascendantes de^, seront égaux. D'où il résulte que dans la première de ces deux séries chaicun des m-f-i premiers termes proportionnels à des puissances négatives à&y devra s'évanouir. Donc , en particulier, le terme proportionnel

à — , s'évanouira dans la série dont la somme S« sert de

coefficient à j^S*, quel que soit d'ailleurs le nombre ///, d'où il résulte que la somme des termes proportionnels à

— s'évanouira elle-même dans le second membre de l'équation

développé suivant les puissances ascendantes de^ et àey^. Or, en vertu des équations qui donnent les diverses parties de ce développement, cette somme est

"'^^^^ ■•" ^k ^'^^^^ "^ 7X3 ^^^^'^^ + • • • - ro,

on aura donc

y^-=:xY^o)+ — D,Y(i) -I- -^-ô Pr'Yfo) -h etc.

'•2 I.JicO

Cette dernière formule, qui subsiste tant que j^o ^^ sa dériyëe relative à x restent fonctions continues de a:, est précisément la formule donnée par Lagrange pour le développement dç j^o suivant les puissances ascendantes de X 5 formule qui est d'une extrême utilité dans la solution d'un grand nombre de problèmes importants. Si Ton

égalait à zéro, non plus le coefficient de —, mais ceux de

>-r, de—., etc. , on obtiendrait immédiatement les for-

mules données par Lagrange pour le développement de y^ , r* . . ., suivant les puissances ascendantes de x. Enfin, si Ton égalait les coefficients des puissances positives^, ^ ' • • • à ceux qui affectent les mêmes puissances dans le second membre de Téquation

J^=-(p+^, + etc...)-^^,-h^.+etç.)j--etc,,

qui donne le développement de .^ >^ quand Féquation

(f (jr) = o est une équation entière dont les racines sont b\ V^ etc., on obtiendrait les valeui^s des sommes

développées encore suivant les puissances ascendantes entières et positives de jc.

Soit maintenant F(jf) une fonction qui ne devienne pas infinie pour j^ = o, après avoir multiplié par le rapport

-^^ ^ les deux membres de l'équation

on pourra , tant que la fonction F {^y) ne deviendra pas discontinue , développer le second membre suivant les

l'JO CAJLCUL DIFFÉHENTIEL.

puissances ascendantes à^y^ et comme dans ce développement le coefficient de — devra disparaître , on en con-

dura facilement

F(7o) = F(„j + xT(.)F'(r)(.)+^D,[Y«F'(r)](o)

+7^i>;[Y'F'(jr)](o)+...

On retrouve encore ici la formule donnée par Lagrange pour le développement de F(j^o)'

90. Quand, en suivant la marche que nous avons indiquée, marche tracée récemment par M. Cauchy, et seule réellement rigoureuse, on a démontré, i° la possibilité et l'existence du développement d'une fonction implicite -, oP les valeurs entre lesquelles les variables doivent se renfermer pour que le développement subsiste , on peut, par des méthodes plus ou moins élégantes, déterminer la valeur des coefficients. Supposons, par exemple, qu'étantclonnée une fonction implicite j^ de x déterminée par l'équation

on demande de développer j^ ou une fonction quelconque F(j^) de j suivant les puissances ascendantes de x et de z, ou de l'une de ces variables, de a: par exemple. Si l'on représente para une valeur particulière de x^ par F(«), DxF(a), DiF(«), etc., ce que deviennent la fonction F (j^), et ses dérivées ^successives prises par rapport à x quand, après la diûiérentiatioa^ on y donne kyla. valeur corres^ pondante àa:=a, on aura nécessairement , en vertu de la formule de Maclaurîn ,

et cette série sera toujours convergente quand la difierence x — a sera une quantité très petite. Si x avait une

DIX-«UITIÈME LBÇON. I71

très petite valeur, on pourrait faire « = o et l'on aurait

T{y) = F<o + xD, F (o) + — - Di F(o) H- etc.

F (0)9 DxF (o)î etc., désignent ce que deviennent la fonction F {y) et ses dérivées, cpiand, après la dififérentiation, on y donne à j^ la valeur correspondante à j: = o : or puisque, par hypothèse, Téquation proposée n'est pas résolue, il serait impossible de calculer directement les coefficîentsF^o), DxF(o)î DiF(o), etc. Pour les déterminer, reprenons l'équation j^= xY -f- ^, et diflférentions-la tour à tour par rapport à x et par rapport à z , on trouvera de cette manière

en éliminant x entre ces deux équations, on trouve

D.j=:YD,7, et par conséquent

D^F(7).D.r=YD^F(7).D,r, ou

D,F(r)=YD.F(r).

Si dans cette dernière équation on pose F(j^) .= Y", n^ étant un nombre entier , il viendra

D,Y«=YD,Y";

on a d'ailleurs

D,[ Y-D.FC:^)] = D,F(r) . D,Y» + Y-D^. ¥{x)

= YD,F(r).D,Y«-f.Y»Di.F(r)

=:D,F(7).D,Y''4-Y«Di,F(r)

on aura donc généralement

d'où , en faisant tour à tour n =. i,« = 2,72=3, on conclura

D,[YD,F(j)] = D,[Y'D.F(j^)], D,[Y»D.F(/)]=: D, [Y'D'r(j)]

iy2 CALCOL DIFFÉRENTIEL.

Il sera facile maintenant de déterminer lesi coefficients. D,F(o) , DîF(o)v.. il suffira pour cela de diff&entier plusieurs fois de suite , par rapport à y, Féquation

D,F(7) = YD,F(j); on trouvera en effet de cette manière

DiF(j^) = D,[YD,F(7)] = D,[Y*D,F(j)],

DiF(j) = D.{D,[Y>D,F(j)]}=D,{D,[Y«D,F(r)]}

= DUY^D,F(j)].

En différentiant de nouveau, et répétant plusieurs fois les mêmes trausform^tions., on trouverait

DiF{x)=Dl [Y4D,F(7)],.... D;F(j) = Dr'[Y-D,F(r)].

En faisant maintensgit dans ces diverses équations ;r = o, et remarquant, i** que pour ar = o on a, y = z-^ 2? qu'au lieu de prendre la dérivée, par rapport à z^ d'une fonction de or et de z , pour y donner ensuite à^ une valeur par-^ ticulière , on peut donner d'abord à Jc cette valeur et différentier ensuite ] on aura

Y(o) =/(r)co) =/W, F(o) = F(z), D,F(o) = /(2)D.F(z) ,

DiF(o) = D,{[/(z)pD,F(2)}, DiF(o)=Di{[/W]^DJ(z) }...n»F(o)=Dr ' {[/W?DJ(z)},

I>/{[/W?D,F(2)}+etc.;

cette série que Lagrange a donnée dans les Mémoires de Berlin de 1770, comprend comme cas particulier, celles du n** 89 que l'on en déduirait en faisant z=o et F(^)==y.

Sar les âérivées d'nùe du de plusieurs variables considérées comme dépendantes, prises successivement par rapport à diverses variables considérées comme indépendantes. — Sur remploi de la différentiation pour Félimination des constantes et des fonctions arbitraires.

91 . On a souvent nesoin de coiiiparer entre elles les dérivées d^ùne ou de plusieurs variables dépendantes, prises successivement par rapport à diverses variables considérées comme indépendantes ^ or cette comparaison devient très facile à Faidë dés théorèmes suivants.

Théorème i*''. Les dérivées successives d'une même variole dépendante u, prises par rapport à une certaine variable s, conserveront les mêmes valeurs si à cette variable on en substitue ime autre f , liée avec elle par Téquatipn t=S'{-a, ou qui n'en difière que par une quantité constante.

Démonstration. De l'équation t = 5 -|- a , on tire

ds dt=ds, j^ = l.

et par suite

du duds du d*u d^u ds' d*u

dt ds dt ds* dt* ds* dt dt*

Corollaire, Si les dérivées successives de deux variables Il et 1^, prises par rapport à luie certaine variable s^

1^4 G4LCUL DIFFÉRENTIEL.

sont égales entre elles, elles le seront encore quand on prendra ces dérivées par rapport à deux variables f et r, qui sont liées avec s par les équations t=s+a , T=s+b, ou qui ne diflferent de j que de quantités constantes aet b. 92. THÉoaiaix a**. ConceTonsque deux variables x et j soient liées tour à tour avec une troisième variable j, considérée comme variable indépendante 9 par les équations

et que les fonctions F, f^ F,, yj, soient telles que, dans le passage des unes aux autres, les variables et leurs dérivées

dx d^x d^x

*^' ds^ 'dF 'dF'

dy d^y d^y

*^' 'di' 'dF 1^'

jusqu'à celles de Tordre n inclusivement , conservent la même valeur pour certaines valeurs de x et dej^, de

sorte que les dérivées de Tordre «-+- 19 , . , . j , ou

au moins Tune d'elles, ckangent de valeurs quand on passe des fonctions F, y, aux fonctions Fi ,^1 ^ si l'on considère une nouvelle variable r liée avec a: et r par l'équation r = /"(a:, j), les n premières dérivées de cette variable , prises par rapport à ^ , ou les quantités

dr d^r d'^r

Js' d? d?'

ne changeront pas de valeur dans le passage des fonctions F-, y, aux fonctions Fj, yj.

Démonstration, Puisque a:, y, sont des fonctions de s , on aura , en différentiant plusieurs fois de suite Té-

DIX-WEUVIÈME LEÇON. 1^5

quation r= F {x^ jr),

dr dFdx dF dy

^^Êmm T^^^* ■ III ^^^^^ iVMMB ^Hw» ^^^m^

ds dx ds dy ds^

d^r^ dFd^ dFd^y

ds^ dx ds^ dy ds^

d'^Fdx^ d^F dxdy d^F dy^

^^ dx^ ds^ dxdy ds ds dy^ ds* '

d^r dFd^'x dF dy

— = =^— f- etc.

ds^ dx ds^ dy ds^

Or, 1° les quantités

d F{x , y) dF{x, y) d*F{x, y) d*F(x, y)

dx dy * dx* ' dxdy

• Cl/Oa a

dépendent imiquement de la forme de la fonction F, mais nullement de F, y*, Fj , /i; 2** les dérivées

dx dy d*x d^y d^x d^

ds'.ds' 'dF' 'dF'"' ~d?' IF'

conservent, par hypothèse, la même valeur quand on passe des premières fonctions aux secondes. Il en sera

donc encore de même des dérivées

dr d*r d^r

ds' ds*'' ' ds^'

Ajoutons que la dérivée ^^ , donnée par l'équation

rf«+xr dFd'^-^^x . dFd'^^y .

— T- = T — h -ï . .- + etc. ,

€/^+' dx ds^+^ dy ds^+^

changera ordinairement de valeur avec ^^^ , ^^^,

quand on passera des premières fonctions aux secondes ^ néanmoins le contraire pourrait avoir lieu dans certains

cas, par exemple, si les valeurs particulières de x et Aej^ dont il est question dans le théorème, réduisaient à o les

coefficients — \ ' , — ^^ ^ ' des dérivées , .^, , z^,

ou du moins le coefficient de celle dont la valeur changerait. La même remarque s'applique aux dérivées

95. Théorème 3*^. Concevons maintenant que Ton veuille prendre , au lieu de j, r = jF (ar , j^) pour variable indé-» pendante , les n premières dérivées

ds d*s d^s d^s

d?' Sr"*' dr^"'d^'

dx dy d^x dy d^y d^y

d?' di^'"d^' '3?' di^'"di^'

ne changeront pas de valeur^ quand on passera des fonc^ tions F, y aux fonctions Fi, yj.

Démonstration. Si l'on considère s comme fonction de r, les variables x^y^ et par suite F{x^ y)^ deviendront des fonctions de fonctions de r, et en difiTérentiant plusieurs fois, par rapport à r, l'équation r=: FÇx^y)^ on

aura

dFds

' ~ dld?'

dFd^s d^Fds^ o=z

ds dr^^^ ds* dr*^

^^dFd^s d^Eds""

ds dr^ * '* ds^ dr^ '

Or, comme nous l'avons prouvé, les n premières dérivées

dF(xyy) dr d*F{x^y) ^d^r d^F {x^ y) __^d'*r

ds "'^' ds^ ^"dF^"" ds^ dp

DIX-NEUVIÈME LEÇON. ijy

conservent la même valeur quand on passe des fonctions F,y aux fonctions F, , y, ^ il en sera donc aussi de même des n dérivées

ils d^s d^s

dr' d?''' dr^'

liées aux premières par des équations du premier degré. Si de plus on a égard aux équations

dx dx ds dy dy ds

dr ds dr^ dr ds dr*

*x dx d*s d^x ds^ d^y dy d^s d^y ds^

r^ ^Is 'dr^'^'dF dr^^ dr^ ^ Is dr^'^'ds^ dr^'

d^x dx d^s d'^y dy d^s

di^^di H^ "^ ®*^* ' li^^H di^ ■•" ^^''

on en conclura que puisque les n premières dérivées

dx dy d^x d^y ds d^s d^s

ds'' dl' 'dp'' IF' Jr' ^' ^'

d dr

conservent la même valeur quand on passe des fonctions F, f aux fonctions Fi, ^i , il en sera de même des n dédx. dy d^x d^y

rivées

dr'dr''"dr''' dr'^' Corollaire i®'. Sans troubler Fégalité qui existe de part

1, 1 :*, ' f dx dy d^'x d^'y .

et d autre entre les n dérivées -r-, -7- • • • -7-7-9 -r^ quand

ds ds ds'* ' ds'* ^

on remplace les fonctions F, f par les fonctions F, , y,, on peut donc substituer à la variable s la variable r liée par une équation finie quelconque avec les variables x , y\ seulement, après cette substitution, on ne pourra plus affirmer que pour les valeurs particulières dont il est question dans le premier théorème, Tune au moins des deux déri-

^^^^ T7+7' . nA.1 change de valeur quand on passe des premières fonctions aux secondes.

94>. Rien n'empêche, dans les théorèmes qui précèdent, de supposer r = x, alors des dérivées -r-, -; — .... - — la première se réduit à Tunité , les suivantes à o , taudis que les expre^ons -^, 'tt>'"'T^'» deviennent les dérivées

y\ y'\ . . . j^^"^ de j^, prises par rapport à x\ on peut dès lor» énoncer le théorème suivant.

Théorème iT^. Si pour certaines valeurs particulières de X et de y^ les n premières dérivées

dx dy d'^x d^y

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