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Composition de fonctions

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Pourquoi cette leçon est importante

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Limites

Analyse — Limites

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Fonctions activation

Maths IA/ML — Fonctions activation

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Pourquoi apprendre ça ?

La composition, c'est chaîner des fonctions : la sortie de l'une devient l'entrée de l'autre. En ML, chaque couche d'un réseau de neurones est une composition de fonctions.

🎯

Analogie

Pense à une chaîne de montage. La pièce sort de la machine A et entre dans la machine B. Si gg est la machine A et ff est la machine B, alors f∘gf \circ g est la chaîne complète.

Définition

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Théorie

La composée de ff et gg (notée f∘gf \circ g) est :

(f∘g)(x)=f(g(x))(f \circ g)(x) = f(g(x))

On applique d'abord gg, puis ff sur le résultat.

Domaine : Dom(f∘g)={x∈Dom(g)∣g(x)∈Dom(f)}\text{Dom}(f \circ g) = \{x \in \text{Dom}(g) \mid g(x) \in \text{Dom}(f)\}

📝

Composition simple

f(x)=x2f(x) = x^2 et g(x)=x+1g(x) = x + 1

(f∘g)(x)=(x+1)2=x2+2x+1(f \circ g)(x) = (x+1)^2 = x^2 + 2x + 1

(g∘f)(x)=x2+1(g \circ f)(x) = x^2 + 1

Attention : f∘g≠g∘ff \circ g \neq g \circ f en général !

⚠️

Notation : f(g(x)) ≠ f × g(x)

f(g(x))f(g(x)) signifie appliquer ff au résultat de g(x)g(x) — c'est la composition.

f(x)⋅g(x)f(x) \cdot g(x) signifie multiplier les deux valeurs — c'est le produit.

Exemple : f(x)=x2f(x) = x^2, g(x)=x+1g(x) = x+1.

  • Composition : f(g(x))=(x+1)2f(g(x)) = (x+1)^2
  • Produit : f(x)⋅g(x)=x2(x+1)=x3+x2f(x) \cdot g(x) = x^2(x+1) = x^3 + x^2

Ces deux expressions sont complètement différentes !

🧩

Checkpoint

Avec et , que vaut ?

Non-commutativité

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Théorie

La composition n'est pas commutative : en général, f∘g≠g∘ff \circ g \neq g \circ f.

L'ordre dans lequel on applique les fonctions change le résultat — comme enfiler ses chaussettes avant ses chaussures n'est pas pareil qu'enfiler ses chaussures avant ses chaussettes.

📝

Non-commutativité frappante

f(x)=exf(x) = e^x et g(x)=x2g(x) = x^2

(f∘g)(x)=ex2(f \circ g)(x) = e^{x^2} — on élève au carré, puis on exponentie.

(g∘f)(x)=(ex)2=e2x(g \circ f)(x) = (e^x)^2 = e^{2x} — on exponentie, puis on élève au carré.

Ces deux fonctions ont des comportements très différents : ex2e^{x^2} croît bien plus vite que e2xe^{2x} pour ∣x∣|x| grand.

Autre exemple : f(x)=xf(x) = \sqrt{x} et g(x)=x−4g(x) = x - 4

(f∘g)(x)=x−4(f \circ g)(x) = \sqrt{x - 4}, définie pour x≥4x \geq 4.

(g∘f)(x)=x−4(g \circ f)(x) = \sqrt{x} - 4, définie pour x≥0x \geq 0.

Même les domaines diffèrent !

Associativité

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Théorie

En revanche, la composition est associative : pour trois fonctions ff, gg, hh,

f∘(g∘h)=(f∘g)∘hf \circ (g \circ h) = (f \circ g) \circ h

On peut donc écrire f∘g∘hf \circ g \circ h sans parenthèses ambiguës — l'ordre d'application reste hh puis gg puis ff (de droite à gauche).

Cela permet de chaîner autant de fonctions que souhaité sans se soucier du groupement.

Itérations

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Théorie

On note fnf^n la composition de ff avec elle-même nn fois :

f2=f∘f,f3=f∘f∘f,fn=f∘f∘⋯∘f⏟n foisf^2 = f \circ f, \quad f^3 = f \circ f \circ f, \quad f^n = \underbrace{f \circ f \circ \cdots \circ f}_{n \text{ fois}}

Convention : f1=ff^1 = f et f0=Idf^0 = \text{Id} (la fonction identité).

Attention : f2(x)≠[f(x)]2f^2(x) \neq [f(x)]^2 en général ! f2(x)f^2(x) signifie f(f(x))f(f(x)).

📝

Itérations

f(x)=2x+1f(x) = 2x + 1

f2(x)=f(f(x))=f(2x+1)=2(2x+1)+1=4x+3f^2(x) = f(f(x)) = f(2x+1) = 2(2x+1)+1 = 4x + 3

f3(x)=f(f2(x))=f(4x+3)=2(4x+3)+1=8x+7f^3(x) = f(f^2(x)) = f(4x+3) = 2(4x+3)+1 = 8x + 7

On observe le motif : fn(x)=2nx+(2n−1)f^n(x) = 2^n x + (2^n - 1).

En cryptographie et en dynamique des systèmes, itérer une fonction des milliers de fois est une opération courante.

Fonction identité : élément neutre

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Théorie

La fonction identité Id(x)=x\text{Id}(x) = x est l'élément neutre de la composition :

f∘Id=fetId∘f=ff \circ \text{Id} = f \qquad \text{et} \qquad \text{Id} \circ f = f

C'est l'équivalent du 11 pour la multiplication, mais pour la composition.

Cette propriété est fondamentale pour définir les fonctions réciproques : f∘f−1=Idf \circ f^{-1} = \text{Id}.

Décomposition

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Théorie

Il est souvent utile de décomposer une fonction complexe en identifiant une fonction intérieure gg et une fonction extérieure ff telles que h=f∘gh = f \circ g.

h(x)=x2+1h(x) = \sqrt{x^2 + 1} : poser g(x)=x2+1g(x) = x^2+1 et f(x)=xf(x) = \sqrt{x}, alors h=f∘gh = f \circ g.

📝

Décomposer

h(x)=(3x−2)5h(x) = (3x-2)^5

g(x)=3x−2g(x) = 3x-2 et f(u)=u5f(u) = u^5, donc h=f∘gh = f \circ g.

Utile pour la règle de dérivation en chaîne !

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Décomposer pour dériver

Pour calculer la dérivée de h(x)=sin⁡(x3+2x)h(x) = \sin(x^3 + 2x), on décompose :

  • Fonction intérieure : g(x)=x3+2xg(x) = x^3 + 2x
  • Fonction extérieure : f(u)=sin⁡(u)f(u) = \sin(u)

Règle de la chaîne : h′(x)=f′(g(x))⋅g′(x)=cos⁡(x3+2x)⋅(3x2+2)h'(x) = f'(g(x)) \cdot g'(x) = \cos(x^3+2x) \cdot (3x^2+2)

La décomposition rend la dérivation mécanique et sans erreur.

Fonction réciproque

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Théorie

La réciproque f−1f^{-1} vérifie : f(f−1(x))=xf(f^{-1}(x)) = x et f−1(f(x))=xf^{-1}(f(x)) = x

En notation de composition : f∘f−1=Idf \circ f^{-1} = \text{Id} et f−1∘f=Idf^{-1} \circ f = \text{Id}.

f−1f^{-1} existe si et seulement si ff est bijective (injective et surjective).

📝

Trouver la réciproque

f(x)=2x+3f(x) = 2x + 3 : poser y=2x+3y = 2x+3, isoler xx.

f−1(x)=x−32f^{-1}(x) = \dfrac{x-3}{2}

Vérif : f(f−1(x))=2⋅x−32+3=xf(f^{-1}(x)) = 2 \cdot \dfrac{x-3}{2} + 3 = x ✓

⚠️

Ordre non commutatif

La fonction la plus à droite dans f∘gf \circ g s'applique en premier.

🧩

Checkpoint

Si et , alors

🧩

Checkpoint

Soit . Que vaut ?

🧩

Checkpoint

Pour , quelle décomposition est correcte ?

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À retenir

  • (f∘g)(x)=f(g(x))(f \circ g)(x) = f(g(x)) : d'abord gg, puis ff
  • Composition non commutative : f∘g≠g∘ff \circ g \neq g \circ f en général
  • Composition associative : f∘(g∘h)=(f∘g)∘hf \circ (g \circ h) = (f \circ g) \circ h
  • Itérations : fnf^n = appliquer ff exactement nn fois (f0=Idf^0 = \text{Id})
  • Identité : Id\text{Id} est l'élément neutre — f∘Id=Id∘f=ff \circ \text{Id} = \text{Id} \circ f = f
  • Décomposer = identifier la fonction intérieure et extérieure (clé pour dériver en chaîne)
  • f−1f^{-1} : inverse de ff, vérifie f∘f−1=Idf \circ f^{-1} = \text{Id}
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