Dérivabilité, théorème de Rolle et accroissements finis
Comment une information ponctuelle, la pente en un seul point, peut-elle contrôler le comportement de la fonction sur tout un intervalle — et pourquoi ce miracle disparaît-il dès qu'on passe aux fonctions à valeurs vectorielles ?
Michel Rolle publie son théorème en 1691 dans un contexte inattendu : il est un adversaire déclaré du calcul infinitésimal, qu'il juge fondé sur des raisonnements douteux, et son énoncé concerne les seules fonctions polynomiales, traitées algébriquement. Lagrange en donne la version générale en 1797, dans sa Théorie des fonctions analytiques, où il tente de fonder le calcul différentiel sans recourir aux infiniment petits. La rigueur définitive vient de Cauchy dans les années 1820, une fois Weierstrass et la borne supérieure disponibles.
Pourquoi définir la dérivée comme limite du taux d'accroissement plutôt que comme « pente de la tangente » ? Parce que la tangente n'est pas définie avant la dérivée : la définir par la pente serait circulaire. La formulation équivalente est encore plus éclairante, car elle dit exactement ce qu'est la dérivée : le COEFFICIENT de la meilleure approximation affine. C'est cette version, et non le quotient, qui se généralise à plusieurs variables et aux espaces de Banach.
Images Mentales & Modèles d'Intuition (3)
Le TAF est un contrôle radar : si vous avez parcouru kilomètres en deux heures, il existe forcément un instant où votre compteur affichait exactement kilomètres par heure.
Ce qu'elle capture :
L'image échoue en dimension supérieure. Un mobile parcourant un cercle complet en une heure a une vitesse moyenne NULLE, sans jamais s'arrêter. L'égalité des accroissements finis est fausse pour les fonctions à valeurs vectorielles : seule l'inégalité survit.
Rolle est un lancer de balle : si la balle part et retombe à la même hauteur, il y a un instant où elle est immobile verticalement, au sommet de sa trajectoire.
Ce qu'elle capture :
L'image suppose une trajectoire lisse. Pour sur , les deux extrémités valent , l'extremum intérieur existe bien en , mais la dérivée n'y existe pas : le sommet est un point anguleux. Une seule non-dérivabilité suffit à ruiner Rolle.
Lagrange incline le repère : le TAF est le théorème de Rolle appliqué après avoir soustrait la corde, c'est-à-dire après avoir penché la figure jusqu'à ce que les deux extrémités soient à la même hauteur.
Ce qu'elle capture :
L'image ne dit pas que ce redressement n'a plus de sens pour une courbe dans l'espace : on ne peut pas « incliner » un chemin plan pour ramener ses extrémités à la même hauteur dans toutes les coordonnées à la fois. C'est exactement pourquoi l'égalité tombe en dimension supérieure.
Les Pièges Conceptuels Classiques
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Glossaire des Notations Mathématiques
dérivée en a
coefficient de la meilleure approximation affine de $f$ au voisinage de $a$
petit o de h
quantité dont le rapport à $h$ tend vers $0$ ; contient toute l'information d'approximation
un point intérieur
dans le TAF, ce point est inconnu et non localisable : il ne sert qu'à majorer