CHAPITRE 1 : CALCULS ALGEBRIQUES

CHAPITRE 1 : CALCULS ALGEBRIQUES

I Règles de calcul

1. Exposants.

Par définition, siaest un réel quelconque, etnun entier positif, aⁿ = a×a×...×a n fois et siaest différent de 0,

a⁻ⁿ = 1 a × 1

a ×...× 1

a nfois On définit des exposants non entier par :

a^1/n = btel quebⁿ = a (sia > 0) On note aussi :

a^1/n = ⁿa

Les règles de calculs suivantes sont valables quels que soient les exposants, à condition que les écritures aient un sens :

a^xa^y = a^x+y a^x

a^y = a^x−y

ab^x = a^xb^x a b

x = a^x b^x

a^x^y = a^y^x = a^xy 2. Identités remarquables.

Il faut connaître par coeur les égalités suivantes, valables pour tous les réelsaetb:

a+b² = a²+2ab+b² a−b² = a²−2ab+b²

a²−b² = a+ba−b a+b³ = a³+3a²b+3ab²+b³

a−b³ = a³−3a²b+3ab²−b³ a³−b³ = a−ba²+ab+b² 3. Egalités et inégalités.

a. Egalités

● On peut ajouter ou retrancher membre à membre des égalités.

● On peut ajouter ou soustraire un même nombre aux deux membres d’une égalité.

● On peut multiplier ou diviser les deux membres d’une égalité par un même nombre non nul.

b. Inégalités

● On peut ajouter membre à membre des inégalités de même sens.

● On peut ajouter ou soustraire un même nombre aux deux membres d’une inégalité.

● On peut multiplier ou diviser les deux membres d’une inégalité par un même nombre strictement positif sans changer le sens de l’inégalité.

● On peut multiplier ou diviser les deux membres d’une inégalité par un même nombre strictement négatif en changeant le sens de l’inégalité.

II Notion de polynôme.

1. Notion de polynôme.

Une fonction polynôme est une fonction qui à un nombre réelxassocie un nombre qui se calcule à l’aide de puissances entières positives dex(par exemplefx = x³−3x²+5 est une fonction polynôme, alors quegx = 7

x² ouhx = 2x+1 n’en sont pas).

Sifest une fonction polynôme dex, le plus grand exposant dexqui apparaît dans l’écriture de fxs’appelle le degré defet se note degf(dans l’exemple, degf = 3).

2. Signe du polynôme du premier degré.

On a une fonction polynômefdexdu premier degré, c’est à dire que l’on peut écrire fx = ax+baveca ≠ 0. On a le résultat :

Proposition fxs’annule si et seulement si x = −b

a et fxest du signe de a si x > − b a et du signe opposé à celui de a si x < −b

a

CHAPITRE 2 : DROITES DU PLAN

I Equations de droites

On rappelle qu’une droite est définie par deux points distincts.

Proposition Un repère du plan(le plus souvent orthonormé)étant choisi,les droites du plan sont exactement les ensembles qui ont une équation de la forme:

D : ax+by = c où a et b ne sont pas simultanément nuls.

Exemple :D : 2x−3y = 6 (le point de coordonnées0,−2appartient à cette droite, mais pas celui de coordonnées2, 2)

On a trois cas, qui permettent de simplifier cette équation.

● Sia = 0,b ≠ 0, l’équation peut s’écrirey = c

b qui est de la formey = k. Ce sont exactement les droites parallèles à l’axe des abscisses.

● Sia ≠ 0,b = 0, l’équation peut s’écrirex = c

a qui est de la formex = k. Ce sont exactement les droites parallèles à l’axe des ordonnées.

● Sia ≠ 0,b ≠ 0, l’équation peut s’écrirey = −a bx+ c

b qui est de la formey = mx+p.m s’appelle le coefficient directeur (ou la pente) de la droite, etpson ordonnée à l’origine.

II Représentation graphique

● Si a = 0, la droiteDa une équation de la formey = k etDest parallèle àOx

● Si b = 0, la droiteDa une équation de la formex = k etDest parallèle àOy

● Sia ≠ 0 etb ≠ 0, on a deux façons :

- On garde l’équation généraleax+by = cet on cherche les coordonnées des points

d’intersection deDavec les axes. On aA c/a

0 etB 0

c/b . Ceci donne deux types de dessin selon queaetbsont de même signe ou de signe contraire.

- Ou bien on met l’équation deDsous forme réduite D : y = mx+p, on donne deux valeurs àx, ce qui permet de calculer deux valeurs deyet donc d’avoir les coordonnées de deux points deD.

III Trouver une équation de D.

On a deux points distincts dont on connait les coordonnéesA xA

yA

etB xB

yB

.

● SixA = xB, la droiteDest parallèle à l’axe des ordonnées, et elle a une équation qui estx = xA.

● SiyA = yB, la droiteDest parallèle à l’axe des abscisses, et elle a une équation qui esty = yA.

● SixA ≠ xB etyA ≠ yB, on a deux possibilités :

- On peut chercher une équation deDsous la formeax+by = c. Comme les coordonnées de Aet deBvérifient cette équation,a,b,csont solutions du système :

axA+byA = c axB+byB = c

Attention, ce système admet une infinité de solutions, c’est dû au fait qu’une droite a une infinité d’équations générales. (Voir en exercice).

- On peut chercher une équation réduite deDde la formey = mx+p. On peut facilement voir quemest donné par

m = yB−yA

xB−xA

et on calculepen écrivant par exemple queyA = mxA +p(voir les exercices).

IV Droites parallèles et droites perpendiculaires.

1. Droites parallèles.

SoitDetD^′ deux droites du plan. Alors :

● SiD : x = ketD^′ : x = k^′ les deux droites sont parallèles.

● SiD : y = ketD^′ : y = k^′ les deux droites sont parallèles.

● SiD : ax+by = c, les droitesD^′ parallèles àDont nécessairement une équation complète de la formeD^′ : ax+by = c^′

● SiD : y = mx+petD^′ : y = m^′x+p^′, alorsDetD^′ sont parallèles ssim = m^′ Exemples:

● Doites d’utilité : la consommation d’une quantitéxd’un bien A et dune quantitéyd’un bien B procure une utilité (voir cours de micro-économie du second semestre)

ux,y = 3x+5y. On appelle courbe d’indifférence de niveaukl’ensemble des

consommationsx,yqui donnent la même utiliték. Ces courbes d’indifférence sont donc des droites d’équation 3x+5y = k. Elles sont donc parallèles entre elles. Voilà un petit dessin :

0 0.5 1 1.5 2

y

0.5 1 1.5 2 2.5 3

x

(on n’a gardé que les segments correspondants àx > 0 ety > 0)

● Droites de budget : Le prix unitaire d’un bien A est de 3 euros, et celui d’un bien B est de 2 euros. On appelle droite de budgetRl’ensemble des points de coordonnéesx,ytels qu’une consommation dexunités de A et deyunités de B coûte exactementReuros. Ces droites ont pour équation :D : 3x+2y = R. Il s’agit encore de droites parallèles entre elles. On peut les dessiner :

0 1 2 3 4 5 6

y

1 2 3 4

x

(droites de budget 5, 8, 10, 13)

2. Doites perpendiculaires (repère orthonormal).

● SiD : x = kalors les droites perpendiculaires àDsont les droitesD^′d’équationy = k^′

● SiD : y = mx+petD^′ : y = m^′x+p^′, alorsDest perpendiculaire àD^′ si et seulement si mm^′ = −1

● SiD : ax+by = cetD^′ : a^′x+b^′y = c^′, alorsDest perpendiculaire àD^′si et seulement siaa^′ +bb^′ = 0

V Séparation.

Tout repose sur la propriété suivante :

Proposition Soit D : ax+by = c.Cette droite partage le plan en deux demi-plans:pour tout couplex,ycoordonnées d’un point situé dans un de ces demi-plans,l’inégalité ax+by > c est vérifiée,alors que c’est l’inégalité contraire qui est vérifiée dans l’autre demi-plan.

Comme on sait que c’est toujours la même inégalité qui est vérifiée quand on reste dans le même demi plan, il suffit de choisir (graphiquement) un point dans un demi-plan et de regarder, pour les coordonnéesx,yde ce point, quelle est l’inégalité vérifiée. On est sûr que cette inégalité sera vérifiée dans tout le demi-plan du point choisi, et que ce sera l’inégalité contraire dans l’autre demi-plan. Prenons la droite de budgetD : 3x+2y = 20. On calcule l’expression 3x+2yen0, 0

où elle vaut évidemment 0, qui est non moins évidemment <20. On en déduit le dessin suivant :

CHAPITRE 3 : FONCTIONS D’UNE VARIABLE

I Notion de dérivée

fest une fonction deRdansR(on dit : fonction numérique d’une variable réelle). On appelle C sa courbe représentative dans un repère.Aest un point de cette courbe.Aa donc pour coordonnées

a,fa. Si cette courbe est suffisamment régulière (lisse), il y a une droite qui est ”la plus proche possible” de C autour deA. On l’appelle la tangente à C au pointA.

Cette droiteTa un coefficient directeur, que l’on appelle le nombre dérivé defenaet que l’on notef^′a. Cette tangente a donc pour équation :

y = f^′ax−a+fa

f^′ax−a+faest une valeur approchée defxà condition quexsoit proche dea.

Comme cette droite est ”proche” deCautour deA, on peut s’en servir pour obtenir des valeurs approchées defxsixn’est pas trop loin dea.

Exemple : la quantité produite d’un bien est une fonctionQdu capitalKdonnée par : QK = 2K^3/2. On veut avoir une valeur approximative de la quantité produite siK = 1, 01 kiloeuros, siK = 1, 1 kiloeuros et siK = 1, 5 kiloeuros.

Les valeurs ”exactes” (données parQK = 2K^3/2sont respectivement 2, 03007 ; 2, 3074 et 3, 674.

L’équation de la tangent à la courbeCau pointA 1

2 esty = 3K−1+2 ce qui donne comme valeurs approchées, en remplaçantKsuccessivement par 1, 01 ; 1, 1 ; 1, 5 les valeurs suivantes poury : 2, 03 ; 2, 3 ; 3, 5. Qu’en pensez-vous ?

On peut voir également graphiquement quef^′aest une valeur approchée du quotient fx−fa

x−a , toujours à condition quexsoit proche dea: on dit simplement que le coefficient directeur de la tangente est peu différent du coefficient directeur de la sécante qui passe par Aa,faetMx,fx

Si on peut faire ça pour tous les points d’un intervalleIpar exemple, on définit une nouvelle fonction deIdansR, que l’on appelle la fonction dérivée defet que l’on notef^′. On a les résultats bien connus qui permettent de calculer les fonctions dérivées.

Proposition Si f et g sont des fonctions dérivables sur un intervalle I,alors:

● f+g est dérivable sur I etf+g^′x = f^′x+g^′x

● af est dérivable sur I etaf^′x = af ^′x

● fg est dérivable sur I etfg^′x = f^′xgx+fxg^′x

● Si g ne s’annule pas sur I, f

g est dérivable sur I et f

g ^′x = f^′xgx−fxg^′x

g²x

● Si f est dérivable en a et g est dérivable en fa,alors g∘f est dérivable en a et

g∘f^′a = f^′a×g^′fa

Si on rajoute à cette proposition les dérivées des fonctions usuelles, on est prêt à dériver à peu

près n’importe quoi. On a :

f f^′ D

kconstante 0 R

x 1 R

xⁿ, n ∈ N nxⁿ⁻¹ R

1x − 1

x² R₊^∗ouR−∗

x ¹

2 x R₊^∗

xⁿ, nquelconque nxⁿ⁻¹ R₊^∗ uⁿ, nquelconque nu ^′uⁿ⁻¹ selonu Application : la notion de coût marginal.

On suppose que le coût de production d’un bien est une fonction de la quantitéqproduite :Cq.

Le coût marginalCmqpour une quantitéqest le coût supplémentaire pour produire une unité de plus. Autrement ditCmq = Cq+1−Cqque l’on peut écrire

Cmq = Cq+1−Cq

q+1−q = ΔC Δq

Cmqest donc peu différent deC^′qet d’autant plus queqest grand. On prendra comme définition :

Cmq = C^′q

II Quelques compléments

● Si une fonctionfestdérivable sur un intervalleI, on peut construire sa fonction dérivéef ^′. Sif ^′ est à son tour dérivable surI, on peut construire sa fonction dérivée, que l’on appelle la dérivée seconde defet que l’on notef ^′′. Par exemple, sifx = x³, on a, pour toutx > 0 f ^′x = 3x²et f ^′′x = 6x. On peut continuer ainsi et définir les dérivées troisième, quatrième, etc...

● Une valeur dexpour laquellef ^′s’annule s’appelle un point critique ou un point stationnaire de f.

● Une valeur dexpour laquellef ^′′ s’annule et change de signe s’appelle un point d’inflexion pourf.

CHAPITRE 4 : Fonctions de deux variables

En économie on a souvent deux variables à partir desquelles on calcule, quand cela est possible, une fonction de ces deux variables:par exemple la fonction de production d’un bien est souvent une fonction du capital et du travail ( la quantité produite par une usine est fonction de la somme investie et du nombre d’heures travaillées) ..

On va donc s’intéresser à des fonctions du type :(x,y)→ fx,yet en économie on se placera dans le cas où x et y sont des réels positifs.

Généralités

● Ensemble de définition de f

C’est l’ensemble noté Df des couples(x,y) pour lesquels on peut calculer f(x,y) et c’est donc une partie deR×R

exemples:

● fx,y = x²+2xy+2y³l’ensemble de définition defestR×R

- gx,y = 2 x + y l’ensemble de définition degestx,y / x ≥ 0 et y ≥ 0 =R⁺×R⁺ - hx,y = 10x¹³y⁻¹⁴l’ensemble de définition dehest

x,y / x quelconque et y > 0 =R×R^+∗

- kx,y = 3x²−xy l’ensemble de définition de k est

x,y / 3x²−xy ≥ 0 = x,y / x3x−y ≥ 0

Dk = x,y / x ≥ 0 et 3x−y ≥ 0∪x,y / x ≤ 0 et 3x−y ≤ 0

Pour représenter cet ensemble de définition on se place dans le plan muni d’un repère (O,i,j) et on trace la droite d’équation y=3x

-15 -10 -5 0 5 10 15

-4 -2 2 4

x

Indiquer les points dont les coordonnées (x,y) appartiennent à Dk

● Représentation graphique d’une fonction de deux variables

On cherche à représenter les points qui ont pour coordonnéesx,yetfx,y: c’est donc un ensemble de points à représenter dans un espace de dimension 3; aussi on considère un repère

O, i, j,kqui permet de caractériser un point de l’espace par ses trois coordonnées:

xabscisseyordonnée etzcôte avecOM = x i +y j +z k

-1 -0.5 0 0.5 1 -2

-1

1 2

-2 -1 1

2

L’ensemble des pointsMde coordonnéesx,y,fx,yest la représentation graphique defou surface représentative defnotéeSf dans le repère

O, i, j,k

Mde coordonnéesx,y,zappartient àSf si et seulement six,yappartient àDfetz = fx,y) exemples:fx,y = 25−x²−y² etgx,y = x²+y²

● Cas particuliers des fonctions affines

z = ax+by+coùa,betcsont des constantes ; la surface représentative est un plan exemples: z = 1 etz = x−y

-4 -2 0 2 4

x -4

-2 0

2 4 y

0 0.5 1 1.5 2

0 1 2 3 4 5

x 0

1 2

3 4

5 y

-4 -2 0 2 4

● Fonctions partielles associées àx,y → fx,y

On peut fixer l’une des deux variables et considérer la fonctionfcomme fonction de l’autre variable :

y fixé ( yest alors une constante) on étudie x → fx,y; pour y=

y les points de coordonnées(x,

y,fx,y sont les points d’intersection de la surfaceSfet du plan d^′équation y = yparallèle au planxOz

xfixé ( xest alors une constante) on étudie y → fx,y ; pour x=

xles points de coordonnées ( x, y,fx,ysont les points d’intersection de la surfaceSf et du plan d^′équationx = 

xparallèle au plan yOz

z = fx,y = 25−x²−y²

1. avec y = 4 donnez = 9−x² avec x = 3 donnez = 16−y²

-3 -1 -2 1 0 3 2

x 3.99

3.995 4

4.005 4.01 y

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

2.9 2.95 3 3.05 3.1

x -4

-2 0

2 4 y

0 1 2 3 4

● Courbes de niveau

On cherche les couplesx,ydeDf permettant d^′obtenir un niveaukpour la fonctionf étudiée;

c’est la courbe de niveauket la représentation graphique ( ensemble des points de coordonnées

x,y,fx,y = k) est l’intersection deS_f avec le plan parallèle au planxOyd^′équationz = k.

1. exemple: le niveau 0 dez = fx,y = 25−x²−y² est le cercle d’équationx²+y² = 25 dans le planxOyd’équationz = 0 ;

de même le niveau 4 dez = fx,y = 25−x²−y²est le cercle d’équation 16 = 25−x²−y² oux²+y² = 9 dans le plan d^′équation z = 4

Pour un niveau de la fonction de production on parle d’isoquante; pour un niveau de la fonction coût on parle d’isocôut .

Dérivées partielles

● Définitions

Si la fonction partiellex → fx,yest dérivable on note ∂f

∂xx,ysa fonction dérivée enx,y qui est appelée dérivée partielle defenxpourx,youf _x^′x,y ou en économie fonction marginale par rapport à la première variable x notéefm_x x,y ;

1. si la fonction partielley → fx,yest dérivable on note ∂f

∂yx,ysa fonction dérivée enx,y qui est appelée dérivée partielle defenypourx,y

ouf _y^′x,y ou en économie fonction marginale par rapport à la deuxième variable y notéefmy

x,y .

Exemples ◇ fx,y = 2x²y+3xy+x−y+5 admet des dérivées partielles en x et en y pour tout (x,y) données par :

∂f

∂xx,y = 4xy+3y+1 et ∂f

∂yx,y = 2x²+3x−1

1. ◇ gx,y = xy +3x+4y+5 avec xety positifsgx,y = x + y +3x+4y+5

gadmet des dérivées partielles enxet enypour toutx,ydeR^+∗×R^+∗ données par

∂g

∂xx,y = 1

2 x +3 ; ∂g

∂yx,y = 1 2 y +4

◇ La fonction de production d’une entreprise

estQ = QK,L = 5KL−K²−3L²; avec K nombre d’unités de capital utilisées et L nombre d’unités de travail employées pour le nombreQd’unités produites La productivité marginale du travail estPmL = 5K−6Let la productivité marginale du capital estPmK = 5L−2K

● Utilisation pour le calcul de valeurs approchées : on se trouve pourxproche dex0ou poury proche dey0;

on calcule le niveau def pourx0;y0 et si on connaît ∂f

∂xx0,y0ou ∂f

∂yx0,y0

on peut en déduire que pourxproche dex0 par exemple x = x0+h et y0inchangé alors fx0+h,y0 ≈ fx0,y0+ ∂f

∂xx0,y0×h

1. on peut en déduire que pouryproche dey0 par exemple y = y0+ket x0inchangé alors fx0,y0+k ≈ fx0,y0+ ∂f

∂yx0,y0×k

on peut en déduire que pourx,yproche dex0,y0 par exemplex,y=x0+h,y0+k

alors fx0+h,y0+k ≈ fx0,y0+ ∂f

∂xx0,y0×h+ ∂f

∂yx0,y0×k

● Plan tangent en un pointM0 de la surface représentative de f:

Si la fonctionf est définie et admet des dérivées partielles enx0;y0 alors il existe un plan tangent enM0point de cordonnéesx0;y0;fx0;y0à la surface représentativeS_f def; c’est le plan d’équation z = fx0;y0+ ∂f

∂xx0,y0×x−x0+ ∂f

∂yx0,y0×y−y0

Taux marginal de substitution technique

● Exemple introductif La fonction de production d’une entreprise est donnée par

Q = QL,K = 5KL−K²−3L² Le niveau de production obtenu pourL = 100 et pour K = 200 estQ100, 200 = 100000−40000−30000 = 30000

Si on diminue le niveau de travail de 100 à 99 (ΔL = −1de combien doit-on faire varier le capital pour maintenir un niveau de production égal à 30000? On peut faire le calcul exact et chercher la valeur de K solution de Q(99,K)=30000 et proche de 200 ;on doit donc résoudre l’équation

5×99K−K²−3×99² = 30000 ou encoreK²−495K+30000+29403 = 0 soit

K²−495K+59403 = 0 de discriminant 7413 ;les racines sont en valeur arrondie 290,55 et 204,45 et la solution proche de 200 est 204,45.Il faut donc compenser la perte d’une unité de travail par l’augmentation de 4,45 unités de capital (ΔK = 4, 45 pour conserver le même niveau de production qu’avec 100 unités de travail et 200 unités de capital.

On va construitre une approximation de ce calcul exact grâce aux dérivées partielles ou fonctions marginales.

● Soit un couple de valeurs(x,y appartenant à la courbe de niveau kdef c’est à direfx,y = k

;on fait varierxdex à x+ Δx et on cherche la variation à imposer alors ày(y passe deyà y+ Δypour que le couplex+ Δx,y+ Δysoit aussi sur la courbe de niveauk; on a donc : f x+ Δx,y+ Δy = fx,y = ket pour (Δx,Δy“faible” on peut utiliser la valeur approchée de f x+ Δx,y+ Δydonnée par les dérivées partielles en (x,yet écriref

x+ Δx,y+ Δy ≈ fx,y+ ∂f

∂xx,y× Δx+ ∂f

∂yx,y× Δyce qui impose la relation

∂f

∂xx,y× Δx+ ∂f

∂yx,y× Δy = 0 ou−Δy Δx =

∂f

∂x^x,y

∂f

∂y^x,y

= fmxx,y

fmyx,y cette expression s’appelle le taux marginal de substitution technique de x en y et est notée TMSTx,y;elle est positive si les fonctions marginales en (x,ysont positives et dans ce casΔx etΔy sont de signe contraire.

Retenir TMSTx,y = −Δy

Δx = fmxx,y

fmyx,y

Retour à l’exemple: le taux marginal de substitution de L en K est TMSTL,K = −ΔK ΔL

=PmL

PmK = 5K−6L

5L−2K et donc pour L=100 et K=200 ce taux marginal de substitution de L en K est égal à 5×200−6×100

5×100−2×200 = 400

100 = 4 ce qui signifie que si on baisse L de 100 à 99 il faut augmenter K de 200 à 200+4=204 qui est une valeur approchée de 204,45 et si on calcule

Q99, 204=5×204×99−204²-3×99² = 29961 le niveau 30000 est approximativement maintenu (erreur de 39/30000) (pour 204,45 le calcul donne

Q99, 204, 45=5×204, 45×99−204, 45²-3×99² = 29999.95.L’avantage est que ce calcul est valable aussi pour L passant de 100 à 101 et donc K doit passer de 200 à 196 de même pour d’autres variations faibles de L autour de 100 induisant des variations de K autour de 200 pour rester au même niveau de production.