Fonction puissance
En mathématiques, et plus particulièrement en analyse, les fonctions puissances sont les fonctions définies par

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En mathématiques, et plus particulièrement en analyse, les fonctions puissances sont les fonctions définies par
- fa (x) = xa
où a peut désigner un entier naturel, un entier relatif, ou même un réel qu'on nomme l'exposant de la fonction puissance. Selon la nature de a, la totalité de définition de la fonctionfa peut changer.
Définie généralement comme fonction de la variable réelle, on peut la trouver occasionnellementcomme fonction complexe. Les fonctions puissances à exposant entier servent de base dans la construction des fonctions polynômes et dans les développement en séries. Les fonctions puissances à exposant réel servent à modéliser des relations tant en physique qu'en biologie ou en économie.
Fonction de la variable réelle
Exposant entier naturel


Ce sont les fonctions définies sur par
Pour n pair, la fonction associée est paire, c'est-à-dire que, pour tour réel x, f (-x) = f (x). et la courbe représentative possède l'axe des ordonnées comme axe de symétrie.
Pour n impair, la fonction est impaire, c'est-à-dire que, pour tout réel x, f (-x) = - f (x), et la courbe représentative possède le point O comme centre de symétrie.
Les premières valeurs de n correspondent à des fonctions de référence :
- pour n=1, il s'agit de la fonction linéaire f (x) =x
- pour n=2, il s'agit de la fonction carré. C'est l'unique des fonctions puissances dont la représentation graphique donne une parabole
- pour n=3, il s'agit de la fonction cube.
- le cas n=0 est à étudier de près : par convention, on dira que la fonction
est la fonction constante 1.
Toutes ces fonctions prennent la valeur 1 en 1. Plus l'exposant augmente, plus la courbe s'écrase sur l'axe des abscisses entre -1 et 1, et plus sa pente est raide en dehors de cet intervalle. Surtout, si m < n, alors pour tout x de l'intervalle ]0,1[, xn < xm et pour tout x supérieur à 1, xn > xm.
La fonction constante 1 étant mise à part, les fonctions puissances sont toutes strictement croissantes sur la totalité des réels positifs. Leur limite en plus l'infini est encore plus l'infini et leur valeur en 0 est toujours 0. Pour un exposant strictement supérieur à 1, la courbe possède, en plus l'infini et en moins l'infini, une branche parabolique d'axe (Oy). Sur la totalité des réels négatifs, il faut distinguer le cas des exposants pairs non nuls pour lesquels la fonction est décroissante, et le cas des exposants impair, pour lesquels la fonction est strictement croissante. Si l'exposant est impair et différent de 1, la courbe possède un point d'inflexion à l'origine.
Une fonction puissance est toujours dérivable sur. Si l'exposant est nul, la dérivée de f est nulle, sinon, sa fonction dérivée est
- f'n (x) = nxn − 1
De plus, si l'exposant est strictement supérieur à 1, cette fonction possède une dérivée nulle en 0.
Une telle fonction possède toujours des primitives définie par
Les fonctions puissances à exposant entier servent à construire les fonctions polynômes. On les retrouve aussi dans le développement en série entière des autres fonctions.
Exposant entier négatif


Ce sont les fonctions définies sur par
Pour n pair, la fonction associée est paire, c'est-à-dire que, pour tour réel x non nul, f (-x) = f (x). et la courbe représentative possède l'axe des ordonnées comme axe de symétrie.
Pour n impair, la fonction est impaire, c'est-à-dire que, pour tout réel x non nul, f (-x) = - f (x), et la courbe représentative possède le point O comme centre de symétrie.
La première valeur de n correspond à une fonction de référence :
- pour n=1, il s'agit de la fonction inverse. C'est l'unique des fonctions puissances dont la représentation graphique donne une hyperbole.
Toutes ces fonctions prennent la valeur 1 en 1. Plus l'exposant augmente, plus la courbe s'écrase sur l'axe des abscisses avant -1 et après 1, et plus sa pente est raide dans les intervalles ]-1 ; 0[ et ]0, 1[. Surtout, si m < n, alors pour tout x de l'intervalle ]0,1[, x − n > x − m et pour tout x supérieur à 1, x − n < x − m.
Ces fonctions puissances sont toutes strictement décroissantes sur la totalité des réels positifs. Leur limite en plus l'infini est toujours 0 et leur limite en 0 par valeurs positives est encore plus l'infini. La courbe possède par conséquent deux asymptotes d'équation x=0 et y=0. Sur la totalité des réels négatifs, il faut distinguer le cas des exposants pairs non nuls pour lesquels la fonction est croissante, et le cas des exposants impair, pour lesquels la fonction est strictement décroissante.
Une telle fonction puissance est toujours dérivable sur.
Une telle fonction possède toujours des primitives définies sur ]- \infty ; 0[ ou sur ]0; + \infty[ par
, pour n différent de 1
- F − 1 (x) = ln (| x |) + Cste
Racines n-ièmes


Pour tout entier naturel non nul, la fonction fn est une bijection
- de
sur
; si n est pair
- de
sur
si n est impair
Sa réciproque se nomme la racine nième et peut aussi s'écrire sous forme de puissance :
.
Sa limite en plus l'infini est encore plus l'infini mais la courbe est tournée vers l'axe des abscisses. On parle alors de branche parabolique d'axe Ox. Dans un repère orthonormal, la courbe représentative de f1 / n est symétrique de celle de fn (restreinte peut-être à ) comparé à la droite d'équation y=x.
Cette fonction est dérivable sur son ensemble de définition sauf en 0 où la courbe possède pour tangente l'axe des ordonnées. La dérivée de f1 / n se calcule avec la dérivée de la fonction réciproque et s'exprime par :
Preuve : | Le théorème de la dérivée de la réciproque assure que
en tout point où
|
Elle possède des primitives définies sur leur ensemble de définition par
Exposant réel


Étude générale
Grâce aux fonctions exponentielle et logarithme, on peut généraliser les fonctions puissances à tout exposant a réel. Pour tout réel x strictement positif. la fonction fa est alors définie par :
- fa (x) = xa = ealn (x)
Selon les valeurs de a, elle est quelquefois prolongeable par continuité en 0 (voire à ou
(cf supra). Selon les valeurs d'a, le prolongement peut ou non être dérivable en 0. le sens de variation dépend du signe de a.
La convexité d'une fonction est liée au signe de sa dérivée seconde. Ici la convexité d'une fonction puissance est liée au signe d'a (a-1).
Valeur d'a | Prolongeable en 0 | Dérivable en 0 | Sens de variation | Comportement à l'infini | Convexité |
---|---|---|---|---|---|
a < 0 | non | non | décroissante | asymptote d :y = 0 | convexe |
a=0 | oui | oui | constante | confondue avec d :y=1 | droite |
0< a < 1 | oui | non | croissante | branche parabolique d'axe Ox | concave |
a = 1 | oui | oui | croissante | confondue avec d :y=x | droite |
a>1 | oui | oui | croissante | branche parabolique d'axe Oy | convexe |
Dérivée et primitive
La fonction puissance est toujours dérivable sur et sa dérivée s'exprime toujours sous la forme
- fa' (x) = axa − 1
Pour un exposant a différent de -1, , elle possède toujours des primitives sur ce même intervalle définies par
Pour l'exposant -1, on retrouve comme primitive la fonction logarithme népérien nommé aussi quelquefois logarithme hyperbolique en référence à l'aire sous l'hyperbole représentant la fonction inverse.
Croissances comparées
Les fonctions logarithmes et exponentielle de base b supérieure à 1 et les fonctions puissances d'exposant a positif ont toutes une limite illimitée en plus l'infini. Il est par conséquent intéressant de définir leur force respective et de comparer leur croissance. On démontre que l'exponentielle est toujours plus forte que la puissance en plus l'infini et que celle-ci est toujours plus forte que le logarithme. Cela signie que, pour tout b strictement supérieur à 1 et tout a strictement positif,
Preuve : | Si on suppose connu le fait que
les autres limites se déduisent immédiatement de celle-ci. En effet comme Il en est de même de la limite du quotient étudié. D'autre part
Comme X tend vers plus l'infini, et que
il en est de même du quotient d'origine. |
Illimitément petit et fonction lipschitzienne
Pour a strictement positif, la limite defa au voisinage de 0 est toujours 0. On cherche alors à comparer la force de cette convergence avec la force de la convergence d'autres fonctions.
Ainsi on dira que f est un illimitément petit d'ordre supérieur ou égal à n au voisinage de 0 si est borné sur un intervalle ouvert contenant 0[1], [2].
On dira que f est lipschitzienne d'ordre a sur un intervalle I s'il existe un réel M tel que, pour tous réels x et y de I
- | f (x) − f (y) | < M | x − y | a
En général, on prend a compris entre 0 et 1 car si a est strictement supérieur à 1, cette condition conduit à dire que f est constante sur I.
La fonction puissance d'exposant a, pour a compris entre 0 et 1, est l'exemple le plus simple de fonction lipschitzienne d'ordre a ou de fonction a-höldérienne. En effet, pour tous réels x et y strictement positifs
Preuve : | Une factorisation par ya de l'expression précédente donne
Il suffit alors d'étudier la fonction g définie par
La fonction puissance d'exposant a > 0 est croissante par conséquent g (X) > 0 La dérivée de g est donnée par
La fonction puissance d'exposant a - 1 < 0 est décroissante donc g'(X) < 0. La fonction g est par conséquent décroissante et , pour tout X, L'expression g (X) est par conséquent comprise entre 0 et 1. Ce qui démontre l'encadrement de (x + y) a − xa. |
Fonction à rapport constant
Toute fonction puissance vérifie la propriété suivante : des rapports de x égaux induisent des rapport de f (x) égaux. C'est -à-dire, si
alors
Réciproquement, toute fonction, non nulle, définie et dérivable pour x > 0, vérifiant une telle propriété est proportionnelle à une fonction puissance
Preuve : | La propriété se traduit par, pour tout y positif, il existe une constante Ky telle que, pour tout x > 0, f (xy) = Kyf (x) puis en prenant la dérivée logarithmique comparé à x de cette égalité,
En prenant x=1 et en notant, on obtient, pour tout y >0,
En intégrant,
puis en passant à l'exponentielle,
|
Développement en série
La fonctionfa est développable en série entière au voisinage de x0 selon la formule
où
et
sont des cœfficients binomiaux généralisés.
On remarque que pour a entier naturel, la somme comporte un nombre fini de termes. Il s'agit de développement de la formule du binôme. Le rayon de convergence de cette série est alors illimité.
Si a n'est pas entier naturel, la somme comporte une illimitété de termes et le rayon de convergence est de x0.
Utilisations
La multiplicité des formes de courbes de fonctions puissances en fait de bons candidats pour des modélisations de phénomènes en physique, biologie[3], allométrie ou économie. Dès qu'on observe que la courbe exprimant y selon x a une allure ressemblant aux courbes auparavant décrites, on peut proposer un modèle de la forme
- y = Kxa
Par abus de langage, on parle alors toujours de fonctions puissances et on écrit que y est une fonction puissance de x.
On cherche aussi une modélisation de ce type dès que des rapports égaux entre valeurs de x induisent des rapports égaux entre les valeurs d'y.
Dans cette modélisation, il s'agit de trouver la meilleure valeur de K et de a modélisant cette relation. On peut chercher a sous forme rationnelle, on cherche alors deux entiers p et q tels que
- yq = K'xp
où toujours deux entiers relatifs p'et q tels
- yqxp' = K'
Pour des courbes de type a < 1, on cherche p'et q positifs, pour des courbes de type 0 < a < 1, on cherche des entier p'et q de signes contraires, l'exposant d'y étant, en valeur absolue, supérieur à l'exposant de x. Enfin, pour a > 1, on cherche des exposants de signe contraire, celui de x étant en valeur absolue plus grand que celui d'y.


Ainsi par exemple pour mettre en place, la troisième loi de Kepler, donnant la relation entre le demi-grand axe de la trajectoire d'un planète et la période de celle-ci, on peut observer que la courbe donnant la période selon le demi-grand axe est du type puissance avec a>1. À partir du tableau de mesures,
Planète | demi grand axe R en 109 m | période T en 106s |
Mercure | 57, 9 | 7, 58 |
Vénus | 108, 2 | 19, 36 |
Terre | 149, 6 | 31, 47 |
Mars | 227, 9 | 59, 19 |
Jupiter | 778, 3 | 373, 32 |
on cherche par conséquent à vérifier si T/R² ou T²/R³ est constante. La seconde tentative est la bonne et donne une constante d'environ 2, 96.10 − 4.
Quand la relation est plus compliquée, il est préférable de procéder à un ajustement logarithmique. En effet, si la relation entre y et x est telle que
- y = Kxa
alors il doit exister une relation affine entre ln (x) et ln (y) :
- ln (y) = aln (x) + ln (K)
Un ajustement linéaire sur le nuage de points (ln (x) ; ln (y) ) permet alors de retrouver la fonction puissance liant x et y. Si
- ln (y) = mln (x) + p
alors
- y = epxm
Pour vérifier si un ajustement sous forme de fonction puissance est envisageable, il suffit par conséquent de placer le nuage de points dans un repère log-log. Si les points semblent alignés, un ajustement par une fonction puissance est envisageable.
Dans le domaine économique, les courbes de concentration de Lorenz donnent sur l'intervalle [0;1] des courbes qu'on peut modéliser par des fonctions puissances. Cette modélisation est légitime quand les phénomènes étudiés suivent tous deux une loi de Pareto[4].
Fonction de la variable complexe
Pour la variable complexe, on peut définir sur , la fonction
, pour tout entier naturel n. Ces fonctions servent à construire les fonctions polynômes sur
ainsi qu'à construire le développement en série des fonctions holomorphes. Il est aussi envisageable de définir sur
, la fonction
, pour tout entier négatif.
Mais il n'est pas envisageable de définir sur de manière univoque, za où a est un complexe ou réel. En effet, il faut se limiter à un ouvert de
dans lequel il existe une détermination L du logarithme complexe. Dans un tel ouvert, fa est alors une fonction holomorphe définie par
- fa (z) = exp (aL (z) ) = za
Notes
- ↑ Lelong Ferrand - Arnaudies, Cours de mathématiques, T2, Bordas Paris, 1977, p 147.
- ↑ On trouve aussi, chez Paul Appel, f est un illimitément petit d'ordre a si
au voisinage de 0, ou bien toujours, de manière plus restrictive, f est un illimitément petit d'ordre a si
possède une limite en zéro ni nulle, ni illimitée (Evgeny Chikine; Mathématiques supérieures : pour ingénieurs et polytechniciens).
- ↑ André Ross, Fonction puissance et modélisation, Cegep de Levis-Lauzon.
- ↑ Marc Barbut, , Revue de sociologie française, Année 1984, Volume 25, Numéro 25-4, pp. 609-622
Voir aussi
- Puissance (algèbre)
- Condition de Hölder
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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 10/03/2010.
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