Lumio

Continuité — cours

3ème année · section Mathématiques · mathématiques, programme officiel tunisien.

Le cours

Point de départ · 1

On observe la courbe ci-dessus au voisinage de x=1x = 1. Peut-on la tracer d'un seul trait sans lever le crayon ?

Remarque

La courbe présente une rupture en x=1x = 1 : la limite à gauche (22) ne rejoint pas le point de départ de la branche droite (33).

Définition · 2

Continuité en un point et raccordement

Soit ff une fonction définie sur un intervalle ouvert contenant aa.

f est continue en a  ⟺  lim⁡x→af(x)=f(a)f \text{ est continue en } a \iff \lim_{x \to a} f(x) = f(a)

lim⁡x→a−f(x)=lim⁡x→a+f(x)=f(a)\lim_{x \to a^-} f(x) = \lim_{x \to a^+} f(x) = f(a)

Pour une fonction définie par branches autour de aa, la continuité impose l'égalité stricte entre la limite à gauche, la limite à droite et l'image f(a)f(a).

Exemple travaillé · 3

Soit la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par :
f(x)={−xsi x≤0x2si x>0f(x) = \begin{cases} -x & \text{si } x \le 0 \\ x^2 & \text{si } x > 0 \end{cases}
Étudier la continuité de ff en 00.

1

On calcule l'image exacte en utilisant la branche où l'inégalité est large (x≤0x \le 0) :

2
f(0)=−0=0f(0) = -0 = 0
3

On détermine la limite à gauche en 00 :

4
lim⁡x→0−f(x)=lim⁡x→0−(−x)=0\lim_{x \to 0^-} f(x) = \lim_{x \to 0^-} (-x) = 0
5

On détermine la limite à droite en 00 :

6
lim⁡x→0+f(x)=lim⁡x→0+x2=0\lim_{x \to 0^+} f(x) = \lim_{x \to 0^+} x^2 = 0
7

Puisque lim⁡x→0−f(x)=lim⁡x→0+f(x)=f(0)=0\lim_{x \to 0^-} f(x) = \lim_{x \to 0^+} f(x) = f(0) = 0, la fonction ff est continue en 00.

Exemple travaillé · 4

Soit la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par :
f(x)={x2si x<1x−1si x≥1f(x) = \begin{cases} x^2 & \text{si } x < 1 \\ \sqrt{x-1} & \text{si } x \ge 1 \end{cases}
Étudier la continuité de ff en 11.

1

On évalue la fonction en 11 avec la branche x≥1x \ge 1 :

2
f(1)=1−1=0f(1) = \sqrt{1 - 1} = 0
3

On calcule la limite à droite en 11 :

4
lim⁡x→1+f(x)=lim⁡x→1+x−1=0\lim_{x \to 1^+} f(x) = \lim_{x \to 1^+} \sqrt{x-1} = 0
5

On calcule la limite à gauche en 11 :

6
lim⁡x→1−f(x)=lim⁡x→1−x2=1\lim_{x \to 1^-} f(x) = \lim_{x \to 1^-} x^2 = 1
7

Comme lim⁡x→1−f(x)≠f(1)\lim_{x \to 1^-} f(x) \neq f(1), la fonction ff n'est pas continue en 11.

Piège classique · 5

Soit ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=2x+1f(x) = 2x+1 si x>2x > 2 et f(2)=5f(2) = 5.
On calcule lim⁡x→2+f(x)=2(2)+1=5=f(2)\lim_{x \to 2^+} f(x) = 2(2)+1 = 5 = f(2).
Peut-on affirmer que ff est continue en 22 ?

Attention

Conclure que la fonction est continue en 22 en vérifiant uniquement la limite à droite.

À la place : La continuité en un point exige que la limite à gauche existe également et soit égale à la limite à droite et à f(2)f(2).

Vérification · 6

Soit la fonction gg définie sur R\mathbb{R} par :
g(x)={3x−1si x≤1x2+1si x>1g(x) = \begin{cases} 3x - 1 & \text{si } x \le 1 \\ x^2 + 1 & \text{si } x > 1 \end{cases}
La fonction gg est-elle continue en 11 ?

Remarque

On a g(1)=3(1)−1=2g(1) = 3(1)-1 = 2, lim⁡x→1−g(x)=2\lim_{x \to 1^-} g(x) = 2 et lim⁡x→1+g(x)=12+1=2\lim_{x \to 1^+} g(x) = 1^2+1 = 2. Les trois valeurs étant égales à 22, gg est continue en 11.

Définition · 7

Continuité des fonctions usuelles et opérations

Toute fonction polynôme est continue sur R\mathbb{R}. Toute fonction rationnelle est continue en tout point où son dénominateur ne s'annule pas.

f et g continues en a  ⟹  f+g,f×g et kf sont continues en af \text{ et } g \text{ continues en } a \implies f+g, f \times g \text{ et } kf \text{ sont continues en } a

Si g(a)≠0, alors fg est continue en a\text{Si } g(a) \neq 0, \text{ alors } \frac{f}{g} \text{ est continue en } a

Définition · 8

Continuité avec racine carrée et valeur absolue

Soit uu une fonction définie sur un intervalle contenant aa.

u continue en a  ⟹  ∣u∣ continue en au \text{ continue en } a \implies |u| \text{ continue en } a

u continue en a et u(a)≥0  ⟹  u continue en au \text{ continue en } a \text{ et } u(a) \ge 0 \implies \sqrt{u} \text{ continue en } a

Exemple travaillé · 9

Justifier que la fonction ff définie par f(x)=x2+1∣x+1∣−2f(x) = \frac{x^2 + 1}{|x + 1| - 2} est continue en a=−1a = -1.

1

Le numérateur x↦x2+1x \mapsto x^2 + 1 est une fonction polynôme, donc continue en −1-1.

2

Pour le dénominateur v(x)=∣x+1∣−2v(x) = |x + 1| - 2 : la fonction affine x↦x+1x \mapsto x + 1 est continue sur R\mathbb{R}, donc x↦∣x+1∣x \mapsto |x + 1| est continue en −1-1. Par somme avec une constante, vv est continue en −1-1.

3

On évalue le dénominateur en a=−1a = -1 :

4
v(−1)=∣−1+1∣−2=0−2=−2≠0v(-1) = |-1 + 1| - 2 = 0 - 2 = -2 \neq 0
5

Par quotient de deux fonctions continues dont le dénominateur ne s'annule pas, ff est continue en −1-1.

Exemple travaillé · 10

Justifier que la fonction ff définie par f(x)=x−2x+1f(x) = \sqrt{\frac{x - 2}{x + 1}} est continue en a=3a = 3.

1

On pose u(x)=x−2x+1u(x) = \frac{x - 2}{x + 1}. C'est une fonction rationnelle définie sur R∖{−1}\mathbb{R} \setminus \{-1\}.

2

Puisque 3∈R∖{−1}3 \in \mathbb{R} \setminus \{-1\}, la fonction uu est continue en a=3a = 3.

3

On évalue la valeur de u(3)u(3) :

4
u(3)=3−23+1=14≥0u(3) = \frac{3 - 2}{3 + 1} = \frac{1}{4} \ge 0
5

Puisque uu est continue en 33 et u(3)≥0u(3) \ge 0, la fonction composée f=uf = \sqrt{u} est continue en 33.

Piège classique · 11

Si la fonction ∣f∣|f| est continue en un réel aa, peut-on en déduire que ff est continue en aa ?

Attention

Croire que la continuité de ∣f∣|f| entraîne celle de ff.

À la place : La réciproque est fausse. Par exemple, si f(x)=1f(x) = 1 pour x>0x > 0 et f(x)=−1f(x) = -1 pour x≤0x \le 0, alors ∣f(x)∣=1|f(x)| = 1 est continue partout, mais ff présente une discontinuité en 00.

Vérification · 12

Pour prouver que g(x)=4x2+x+1g(x) = \sqrt{4x^2 + x + 1} est continue en a=1a = 1, quelle démarche est correcte ?

Remarque

La fonction polynôme u(x)=4x2+x+1u(x) = 4x^2+x+1 est continue en 11, et u(1)=4(1)2+1+1=6≥0u(1) = 4(1)^2 + 1 + 1 = 6 \ge 0. Par théorème de continuité de u\sqrt{u}, gg est continue en 11.

Point de départ · 13

Sur [0;2][0; 2], on a f(0)=1f(0) = 1 et f(2)=1f(2) = 1. L'ensemble de toutes les valeurs prises par f(x)f(x) sur [0;2][0; 2] est-il réduit à {1}\{1\} ?

Remarque

Non : la fonction descend jusqu'à 00 au point S(1;0)S(1; 0) avant de remonter à 11. L'ensemble des images est le segment [0;1][0; 1].

Définition · 14

Image d'un intervalle par une fonction continue

L'image d'un intervalle par une fonction continue est un intervalle.

f continue sur [a;b]  ⟹  f([a;b])=[m;M]f \text{ continue sur } [a; b] \implies f([a; b]) = [m; M]

mm et MM désignent respectivement le minimum et le maximum de ff sur [a;b][a; b].

Si f est strictement croissante, f([a;b])=[f(a);f(b)]\text{Si } f \text{ est strictement croissante, } f([a; b]) = [f(a); f(b)]
Si f est strictement deˊcroissante, f([a;b])=[f(b);f(a)]\text{Si } f \text{ est strictement décroissante, } f([a; b]) = [f(b); f(a)]

Exemple travaillé · 15

Soit ff une fonction continue et strictement décroissante sur [0;1][0; 1] telle que f(0)=2f(0) = 2 et f(1)=−2f(1) = -2.
Déterminer l'image f([0;1])f([0; 1]).

1

La fonction ff est continue sur [0;1][0; 1], donc son image est un intervalle.

2

Puisque ff est strictement décroissante sur [0;1][0; 1], l'ordre des bornes est inversé :

3
f([0;1])=[f(1);f(0)]f([0; 1]) = [f(1); f(0)]
4
f([0;1])=[−2;2]f([0; 1]) = [-2; 2]

Exemple travaillé · 16

Soit la fonction ff définie sur [−2;2][-2; 2] par f(x)=12x2+5f(x) = \frac{1}{2}x^2 + 5.
Déterminer f([−2;2])f([-2; 2]).

1

La fonction ff est continue sur [−2;2][-2; 2] mais n'est pas monotone : elle est décroissante sur [−2;0][-2; 0] puis croissante sur [0;2][0; 2].

2

Le minimum de ff sur [−2;2][-2; 2] est atteint en x=0x = 0 :

3
m=f(0)=5m = f(0) = 5
4

Le maximum de ff sur [−2;2][-2; 2] est atteint aux bornes :

5
M=f(−2)=f(2)=12(2)2+5=7M = f(-2) = f(2) = \frac{1}{2}(2)^2 + 5 = 7
6

L'image du segment est donc le segment [m;M][m; M] :

7
f([−2;2])=[5;7]f([-2; 2]) = [5; 7]

Piège classique · 17

Soit ff une fonction continue sur [−1;2][-1; 2] avec f(−1)=3f(-1) = 3 et f(2)=5f(2) = 5. On sait que ff admet un minimum égal à −1-1 en x=0x = 0.
Quelle est l'image f([−1;2])f([-1; 2]) ?

Attention

Répondre [f(−1);f(2)]=[3;5][f(-1); f(2)] = [3; 5] en ignorant le minimum intérieur.

À la place : Le minimum atteint à l'intérieur de l'intervalle est m=−1m = -1 et le maximum est M=5M = 5. L'image est donc [m;M]=[−1;5][m; M] = [-1; 5].

Vérification · 18

Soit gg une fonction continue sur [1;3][1; 3], strictement croissante, avec g(1)=2g(1) = 2 et g(3)=5g(3) = 5.
Que vaut g([1;3])g([1; 3]) ?

Remarque

Puisque gg est continue et strictement croissante sur [1;3][1; 3], l'ordre des bornes est conservé : g([1;3])=[g(1);g(3)]=[2;5]g([1; 3]) = [g(1); g(3)] = [2; 5].

Point de départ · 19

Une fonction ff continue sur [0;2][0; 2] vérifie f(0)=−2f(0) = -2 et f(2)=4f(2) = 4. La courbe coupe-t-elle nécessairement l'axe des abscisses (y=0y = 0) ?

Remarque

Puisque le tracé est continu et sans saut, il ne peut pas passer d'une ordonnée négative à une ordonnée positive sans franchir la ligne y=0y = 0.

Définition · 20

Théorème des Valeurs Intermédiaires (TVI)

Soit ff une fonction continue sur un intervalle fermé [a;b][a; b].

∀k compris entre f(a) et f(b),∃c∈[a;b] tel que f(c)=k\forall k \text{ compris entre } f(a) \text{ et } f(b), \quad \exists c \in [a; b] \text{ tel que } f(c) = k

Corollaire (Existence d'un zéro)

f continue sur [a;b]etf(a)×f(b)<0f \text{ continue sur } [a; b] \quad \text{et} \quad f(a) \times f(b) < 0

∃c∈]a;b[tel quef(c)=0\exists c \in ]a; b[ \quad \text{tel que} \quad f(c) = 0

Exemple travaillé · 21

Montrer que l'équation x3+32x2+1=0x^3 + \frac{3}{2}x^2 + 1 = 0 admet au moins une solution dans l'intervalle [−2;1][-2; 1].

1

On pose f(x)=x3+32x2+1f(x) = x^3 + \frac{3}{2}x^2 + 1. La fonction ff est un polynôme, elle est donc continue sur R\mathbb{R}, et en particulier sur [−2;1][-2; 1].

2

On évalue la fonction aux deux bornes du segment :

3
f(−2)=(−2)3+32(−2)2+1=−8+6+1=−1f(-2) = (-2)^3 + \frac{3}{2}(-2)^2 + 1 = -8 + 6 + 1 = -1
4
f(1)=13+32(1)2+1=1+32+1=72f(1) = 1^3 + \frac{3}{2}(1)^2 + 1 = 1 + \frac{3}{2} + 1 = \frac{7}{2}
5

On constate que f(−2)×f(1)=−1×72=−72<0f(-2) \times f(1) = -1 \times \frac{7}{2} = -\frac{7}{2} < 0.

6

D'après le corollaire du TVI, l'équation x3+32x2+1=0x^3 + \frac{3}{2}x^2 + 1 = 0 admet au moins une solution dans ]−2;1[]-2; 1[, et donc dans [−2;1][-2; 1].

Exemple travaillé · 22

Montrer que l'équation x2+1=−1xx^2 + 1 = -\frac{1}{x} admet au moins une solution dans l'intervalle [−2;−0.5][-2; -0.5].

1

Pour tout x∈[−2;−0.5]x \in [-2; -0.5], l'équation x2+1=−1xx^2 + 1 = -\frac{1}{x} équivaut à x(x2+1)=−1x(x^2 + 1) = -1, soit x3+x+1=0x^3 + x + 1 = 0.

2

On introduit la fonction auxiliaire h(x)=x3+x+1h(x) = x^3 + x + 1. C'est une fonction polynôme, donc continue sur [−2;−0.5][-2; -0.5].

3

On évalue hh aux bornes de l'intervalle :

4
h(−2)=(−2)3+(−2)+1=−9<0h(-2) = (-2)^3 + (-2) + 1 = -9 < 0
5
h(−0.5)=(−0.5)3+(−0.5)+1=−0.125−0.5+1=0.375>0h(-0.5) = (-0.5)^3 + (-0.5) + 1 = -0.125 - 0.5 + 1 = 0.375 > 0
6

Comme h(−2)×h(−0.5)<0h(-2) \times h(-0.5) < 0, le TVI garantit qu'il existe au moins une solution α∈]−2;−0.5[\alpha \in ]-2; -0.5[ telle que h(α)=0h(\alpha) = 0, donc solution de l'équation initiale.

Piège classique · 23

Soit ff une fonction définie sur [0;1][0; 1] telle que f(0)=−3f(0) = -3 et f(1)=3f(1) = 3.
L'équation f(x)=0f(x) = 0 admet-elle obligatoirement au moins une solution dans [0;1][0; 1] ?

Attention

Conclure que la solution existe uniquement parce que f(0)×f(1)<0f(0) \times f(1) < 0.

À la place : Le TVI exige obligatoirement que la fonction soit continue sur [0;1][0; 1]. Si ff n'est pas continue (fonction en escalier ou avec rupture), la courbe peut sauter de −3-3 à 33 sans jamais s'annuler.

Vérification · 24

Soit f(x)=x3−4x+5f(x) = x^3 - 4x + 5 continue sur [−2;3][-2; 3]. On calcule f(−2)=5f(-2) = 5 et f(3)=20f(3) = 20.
Quelle condition permet d'affirmer que l'équation f(x)=8f(x) = 8 admet au moins une solution dans [−2;3][-2; 3] ?

Remarque

La valeur cible k=8k = 8 est comprise entre f(−2)=5f(-2) = 5 et f(3)=20f(3) = 20. Puisque ff est continue sur [−2;3][-2; 3], le TVI s'applique directement pour la valeur 88.

Définition · 25

TVI et stricte monotonie (Unicité de la solution)

Lorsque la fonction est strictement monotone sur l'intervalle, la solution garantie par le TVI est unique.

f est continue et strictement monotone sur [a;b]f \text{ est continue et strictement monotone sur } [a; b]
k est compris entre f(a) et f(b)k \text{ est compris entre } f(a) \text{ et } f(b)

L’eˊquation f(x)=k admet une unique solution α∈[a;b]\text{L'équation } f(x) = k \text{ admet une unique solution } \alpha \in [a; b]

Exemple travaillé · 26

Soit la fonction ff définie sur [0;+∞[[0; +\infty[ par f(x)=x+xf(x) = \sqrt{x} + x.
Montrer que l'équation f(x)=5f(x) = 5 admet une unique solution α\alpha dans [3;4][3; 4].

1

Continuité : la fonction racine carrée x↦xx \mapsto \sqrt{x} et la fonction identité x↦xx \mapsto x sont continues sur [0;+∞[[0; +\infty[. Par somme, ff est continue sur [3;4][3; 4].

2

Monotonie : la fonction x↦xx \mapsto \sqrt{x} et la fonction x↦xx \mapsto x sont strictement croissantes sur [3;4][3; 4], donc par somme ff est strictement croissante sur [3;4][3; 4].

3

Évaluation aux bornes :
f(3)=3+3≈4.732f(3) = \sqrt{3} + 3 \approx 4.732
f(4)=4+4=2+4=6f(4) = \sqrt{4} + 4 = 2 + 4 = 6

4

Encadrement de la cible : la valeur k=5k = 5 est strictement comprise entre f(3)f(3) et f(4)f(4) car 4.732<5<64.732 < 5 < 6.

5

Conclusion : d'après le TVI sous condition de stricte monotonie, l'équation f(x)=5f(x) = 5 admet une unique solution α∈[3;4]\alpha \in [3; 4].

Exemple travaillé · 27

Soit la fonction ff définie sur [0;1][0; 1] par f(x)=−2x3−7x+4f(x) = -2x^3 - 7x + 4. On sait que l'équation f(x)=0f(x) = 0 admet une solution α∈[0;1]\alpha \in [0; 1].
Donner un encadrement de α\alpha d'amplitude 0.10.1 par balayage, puis préciser sa valeur approchée par défaut à 0.10.1 près.

1

On évalue f(x)f(x) au pas de 0.10.1 à partir de 00 pour localiser le changement de signe :
- f(0)=4>0f(0) = 4 > 0
- f(0.5)=−2(0.5)3−7(0.5)+4=−0.25−3.5+4=0.25>0f(0.5) = -2(0.5)^3 - 7(0.5) + 4 = -0.25 - 3.5 + 4 = 0.25 > 0
- f(0.6)=−2(0.6)3−7(0.6)+4=−0.432−4.2+4=−0.632<0f(0.6) = -2(0.6)^3 - 7(0.6) + 4 = -0.432 - 4.2 + 4 = -0.632 < 0

2

Puisque f(0.5)>0f(0.5) > 0 et f(0.6)<0f(0.6) < 0, la fonction continue ff s'annule entre 0.50.5 et 0.60.6.

3

L'encadrement d'amplitude 0.10.1 est :

4
0.5<α<0.60.5 < \alpha < 0.6
5

La valeur approchée par défaut correspond à la borne inférieure, soit 0.50.5.

Piège classique · 28

Une solution α\alpha d'une équation vérifie l'encadrement −0.7<α<−0.6-0.7 < \alpha < -0.6.
Quelle est la valeur approchée de α\alpha à 0.10.1 près **par défaut** ?

Attention

Choisir −0.6-0.6 en pensant que la valeur par défaut est celle de plus petite valeur absolue.

À la place : La valeur approchée par défaut est toujours la borne inférieure (la plus petite algébriquement), c'est-à-dire −0.7-0.7. Pour les nombres négatifs, −0.7<−0.6-0.7 < -0.6.

Exemple travaillé · 29

Soit la fonction polynôme f(x)=8x3−6x−1f(x) = 8x^3 - 6x - 1.
Montrer que l'équation f(x)=0f(x) = 0 admet exactement 33 solutions réelles distinctes dans [−1;1][-1; 1].

1

La fonction ff est un polynôme de degré 33, elle est donc continue sur R\mathbb{R}.

2

On évalue ff en quatre points de [−1;1][-1; 1] :
- f(−1)=8(−1)3−6(−1)−1=−3<0f(-1) = 8(-1)^3 - 6(-1) - 1 = -3 < 0
- f(−12)=8(−18)−6(−12)−1=1>0f\left(-\frac{1}{2}\right) = 8\left(-\frac{1}{8}\right) - 6\left(-\frac{1}{2}\right) - 1 = 1 > 0
- f(0)=−1<0f(0) = -1 < 0
- f(1)=8(1)3−6(1)−1=1>0f(1) = 8(1)^3 - 6(1) - 1 = 1 > 0

3

On applique le TVI sur les trois intervalles disjoints :
- Sur [−1;−12]\left[-1; -\frac{1}{2}\right], f(−1)×f(−12)<0  ⟹  f(-1) \times f\left(-\frac{1}{2}\right) < 0 \implies au moins une racine α1∈]−1;−12[\alpha_1 \in \left]-1; -\frac{1}{2}\right[.
- Sur [−12;0]\left[-\frac{1}{2}; 0\right], f(−12)×f(0)<0  ⟹  f\left(-\frac{1}{2}\right) \times f(0) < 0 \implies au moins une racine α2∈]−12;0[\alpha_2 \in \left]-\frac{1}{2}; 0\right[.
- Sur [0;1][0; 1], f(0)×f(1)<0  ⟹  f(0) \times f(1) < 0 \implies au moins une racine α3∈]0;1[\alpha_3 \in ]0; 1[.

4

L'équation admet donc au moins 33 solutions réelles distinctes dans [−1;1][-1; 1].

5

Or, un polynôme de degré 33 admet au maximum 33 racines réelles. L'équation admet donc exactement 33 solutions réelles.

Vérification · 30

Soit une fonction ff continue et strictement croissante sur [1;5][1; 5] telle que f(1)=−4f(1) = -4 et f(5)=6f(5) = 6.
Combien de solutions l'équation f(x)=0f(x) = 0 admet-elle dans [1;5][1; 5] ?

Remarque

Puisque ff est continue, strictement croissante sur [1;5][1; 5] et que f(1)×f(5)=−24<0f(1) \times f(5) = -24 < 0, le TVI avec stricte monotonie garantit l'existence d'une **unique** solution.

Chapitres liés

Continuer sur Lumio

Ce chapitre compte 55 exercices dans Lumio, servis un par un selon ce que tu réussis et ce que tu rates, avec la correction détaillée à chaque étape.

Créer mon compte gratuitement