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Généralités sur les fonctions — cours

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

Le cours

Rappel · 1

Conditions d'existence d'une fonction

Complète les deux conditions fondamentales d'existence pour une fonction réelle.

Remarque

Pour un quotient A(x)B(x)\frac{A(x)}{B(x)}, on doit avoir B(x)≠0B(x) \neq 0. Pour une racine carrée A(x)\sqrt{A(x)}, on doit avoir A(x)≥0A(x) \ge 0.

Point de départ · 2

On considère la fonction gg définie par g(x)=xg(x) = \sqrt{x}. Pourquoi peut-on affirmer immédiatement que gg ne peut être ni paire ni impaire, sans aucun calcul sur g(−x)g(-x) ?

Remarque

Le domaine de gg est Dg=[0    +∞[D_g = [0\,\;\,+\infty[. Si x=4∈Dgx = 4 \in D_g, son opposé −4∉Dg-4 \notin D_g. L'expression g(−4)g(-4) n'a aucun sens mathématique.

Définition · 3

Parité d'une fonction et interprétation géométrique

Soit ff une fonction définie sur un ensemble DfD_f.

Pour tout x∈Df,−x∈Df(Df est symeˊtrique par rapport aˋ 0)\text{Pour tout } x \in D_f, \quad -x \in D_f \quad \text{($D_f$ est symétrique par rapport à } 0\text{)}

f(−x)=f(x)  ⟺  f est paire (la courbe Cf est symeˊtrique par rapport aˋ l’axe (Oy))f(-x) = f(x) \iff f \text{ est paire (la courbe } \mathcal{C}_f \text{ est symétrique par rapport à l'axe } (Oy)\text{)}

f(−x)=−f(x)  ⟺  f est impaire (la courbe Cf admet l’origine O pour centre de symeˊtrie)f(-x) = -f(x) \iff f \text{ est impaire (la courbe } \mathcal{C}_f \text{ admet l'origine } O \text{ pour centre de symétrie)}

Piège classique · 4

Soit la fonction hh définie sur Dh=[−1    4]D_h = [-1\,\;\,4] par h(x)=x2h(x) = x^2. L'affirmation « h(−x)=(−x)2=x2=h(x)h(-x) = (-x)^2 = x^2 = h(x), donc hh est paire » est-elle correcte ?

Attention

Conclure que la fonction est paire en se basant uniquement sur la formule algébrique h(−x)=h(x)h(-x) = h(x).

À la place : Le domaine Dh=[−1    4]D_h = [-1\,\;\,4] n'est pas symétrique par rapport à 0 (par exemple 3∈Dh3 \in D_h mais −3∉Dh-3 \notin D_h). La fonction hh n'est pas paire.

Exemple travaillé · 5

Soient ff et gg deux fonctions impaires définies sur un même ensemble DD symétrique par rapport à 0. Déterminer la parité de la fonction somme f+gf+g et de la fonction produit f×gf \times g.

1

Puisque ff et gg sont impaires, on a pour tout x∈Dx \in D : f(−x)=−f(x)f(-x) = -f(x) et g(−x)=−g(x)g(-x) = -g(x).

2
(f+g)(−x)=f(−x)+g(−x)=−f(x)−g(x)=−(f(x)+g(x))=−(f+g)(x)(f+g)(-x) = f(-x) + g(-x) = -f(x) - g(x) = -(f(x) + g(x)) = -(f+g)(x)
3

La fonction somme f+gf+g est donc impaire.

4
(f×g)(−x)=f(−x)×g(−x)=(−f(x))×(−g(x))=f(x)×g(x)=(f×g)(x)(f \times g)(-x) = f(-x) \times g(-x) = (-f(x)) \times (-g(x)) = f(x) \times g(x) = (f \times g)(x)
5

Par la règle des signes, (−1)×(−1)=1(-1) \times (-1) = 1. Le produit de deux fonctions impaires est donc une fonction paire.

Exemple travaillé · 6

Déterminer l'ensemble de définition de la fonction f:x↦x3−x∣x∣+4f: x \mapsto \frac{x^3 - x}{|x| + 4} et étudier sa parité.

1

On cherche les valeurs où le dénominateur s'annule : ∣x∣+4=0  ⟺  ∣x∣=−4|x| + 4 = 0 \iff |x| = -4, ce qui est impossible car ∣x∣≥0|x| \ge 0 pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}.

2

Le dénominateur ne s'annule jamais. Donc Df=RD_f = \mathbb{R}, ensemble parfaitement symétrique par rapport à 0 : pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}, −x∈R-x \in \mathbb{R}.

3
f(−x)=(−x)3−(−x)∣−x∣+4=−x3+x∣x∣+4f(-x) = \frac{(-x)^3 - (-x)}{|-x| + 4} = \frac{-x^3 + x}{|x| + 4}
4
f(−x)=−(x3−x)∣x∣+4=−(x3−x∣x∣+4)=−f(x)f(-x) = \frac{-(x^3 - x)}{|x| + 4} = -\left(\frac{x^3 - x}{|x| + 4}\right) = -f(x)
5

La relation f(−x)=−f(x)f(-x) = -f(x) est vérifiée pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}. La fonction ff est donc impaire.

Vérification · 7

Soit la fonction hh définie par h(x)=x∣x∣−1h(x) = \frac{x}{|x| - 1}. Quel est son domaine de définition DhD_h et quelle est sa parité ?

Remarque

∣x∣−1=0  ⟺  ∣x∣=1  ⟺  x∈{−1    1}|x| - 1 = 0 \iff |x| = 1 \iff x \in \{-1\,\;\,1\}. Donc Dh=R∖{−1    1}D_h = \mathbb{R} \setminus \{-1\,\;\,1\}, qui est symétrique en 0. De plus, h(−x)=−x∣−x∣−1=−x∣x∣−1=−h(x)h(-x) = \frac{-x}{|-x|-1} = -\frac{x}{|x|-1} = -h(x), donc hh est impaire.

Point de départ · 8

Pour prouver que pour tout réel xx, on a 2xx2+1≤1\frac{2x}{x^2+1} \le 1, quelle démarche algébrique directe est la plus rigoureuse ?

Remarque

Encadrer séparément 2x2x et x2+1x^2+1 sur R\mathbb{R} est impossible car la variable n'est pas bornée. Étudier le signe de la différence 1−f(x)1 - f(x) permet de réduire au même dénominateur et de faire apparaître le carré parfait (x−1)2≥0(x-1)^2 \ge 0.

Définition · 9

Fonctions majorées, minorées et bornées

Soit ff une fonction définie sur un ensemble DD.

f est majoreˊe sur D  ⟺  il existe un reˊel M tel que pour tout x∈D,  f(x)≤Mf \text{ est majorée sur } D \iff \text{il existe un réel } M \text{ tel que pour tout } x \in D, \; f(x) \le M

f est minoreˊe sur D  ⟺  il existe un reˊel m tel que pour tout x∈D,  f(x)≥mf \text{ est minorée sur } D \iff \text{il existe un réel } m \text{ tel que pour tout } x \in D, \; f(x) \ge m

f est borneˊe sur D  ⟺  f est aˋ la fois majoreˊe et minoreˊe sur D  (m≤f(x)≤M)f \text{ est bornée sur } D \iff f \text{ est à la fois majorée et minorée sur } D \; (m \le f(x) \le M)

Exemple travaillé · 10

Démontrer que la fonction f:x↦2xx2+1f: x \mapsto \frac{2x}{x^2+1} est bornée sur R\mathbb{R}.

1

Pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}, x2≥0  ⟹  x2+1≥1>0x^2 \ge 0 \implies x^2+1 \ge 1 > 0. Le dénominateur est strictement positif sur R\mathbb{R}.

2

Étudions la majoration par 11 en évaluant la différence 1−f(x)1 - f(x) :

3
1−2xx2+1=x2+1−2xx2+1=(x−1)2x2+11 - \frac{2x}{x^2+1} = \frac{x^2+1-2x}{x^2+1} = \frac{(x-1)^2}{x^2+1}
4

Puisque (x−1)2≥0(x-1)^2 \ge 0 et x2+1>0x^2+1 > 0, on a 1−f(x)≥01 - f(x) \ge 0, soit f(x)≤1f(x) \le 1 pour tout réel xx.

5

Étudions la minoration par −1-1 en évaluant la différence f(x)−(−1)f(x) - (-1) :

6
2xx2+1+1=2x+x2+1x2+1=(x+1)2x2+1\frac{2x}{x^2+1} + 1 = \frac{2x+x^2+1}{x^2+1} = \frac{(x+1)^2}{x^2+1}
7

Puisque (x+1)2≥0(x+1)^2 \ge 0, on a f(x)+1≥0f(x) + 1 \ge 0, soit f(x)≥−1f(x) \ge -1 pour tout réel xx.

8

Pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}, −1≤f(x)≤1-1 \le f(x) \le 1. La fonction ff est donc bornée sur R\mathbb{R}.

Exemple travaillé · 11

Soit la fonction ff définie sur [0    +∞[[0\,\;\,+\infty[ par f(x)=x+1−xf(x) = \sqrt{x+1} - \sqrt{x}. Démontrer que ff est bornée sur [0    +∞[[0\,\;\,+\infty[.

1

Multiplions et divisons l'expression par la quantité conjuguée x+1+x\sqrt{x+1} + \sqrt{x} pour tout x≥0x \ge 0 :

2
f(x)=(x+1−x)(x+1+x)x+1+x=(x+1)−xx+1+x=1x+1+xf(x) = \frac{(\sqrt{x+1}-\sqrt{x})(\sqrt{x+1}+\sqrt{x})}{\sqrt{x+1}+\sqrt{x}} = \frac{(x+1)-x}{\sqrt{x+1}+\sqrt{x}} = \frac{1}{\sqrt{x+1}+\sqrt{x}}
3

Pour tout x≥0x \ge 0, on a x+1≥1  ⟹  x+1≥1x+1 \ge 1 \implies \sqrt{x+1} \ge 1. Comme x≥0\sqrt{x} \ge 0, on obtient :

4
x+1+x≥1+0=1\sqrt{x+1} + \sqrt{x} \ge 1 + 0 = 1
5

Par passage à l'inverse de quantités strictement positives :

6
0<1x+1+x≤10 < \frac{1}{\sqrt{x+1}+\sqrt{x}} \le 1
7

Ainsi, pour tout x∈[0    +∞[x \in [0\,\;\,+\infty[, 0<f(x)≤10 < f(x) \le 1. La fonction ff est donc bornée sur [0    +∞[[0\,\;\,+\infty[.

Piège classique · 12

Pour démontrer que la fonction f(x)=x21+x+x2f(x) = \frac{x^2}{1+x+x^2} est majorée par 43\frac{4}{3} sur R\mathbb{R}, quelle démarche est correcte ?

Attention

Essayer d'encadrer séparément le numérateur et le dénominateur sur R\mathbb{R}.

À la place : Sur R\mathbb{R}, xx n'est pas borné. L'encadrement terme à terme est impossible. La seule méthode générale consiste à étudier le signe de la différence f(x)−43=−(x+2)23(1+x+x2)≤0f(x) - \frac{4}{3} = \frac{-(x+2)^2}{3(1+x+x^2)} \le 0.

Définition · 13

Extremums d'une fonction : Maximum et Minimum

Soit ff une fonction définie sur un ensemble DD.

M est le maximum de f sur D  ⟺  il existe x0∈D tel que f(x0)=M et pour tout x∈D,  f(x)≤MM \text{ est le maximum de } f \text{ sur } D \iff \text{il existe } x_0 \in D \text{ tel que } f(x_0) = M \text{ et pour tout } x \in D, \; f(x) \le M

m est le minimum de f sur D  ⟺  il existe x0∈D tel que f(x0)=m et pour tout x∈D,  f(x)≥mm \text{ est le minimum de } f \text{ sur } D \iff \text{il existe } x_0 \in D \text{ tel que } f(x_0) = m \text{ et pour tout } x \in D, \; f(x) \ge m

Remarque

Un extremum est une valeur atteinte : MM ne peut être un maximum que s'il possède au moins un antécédent x0x_0 dans DD.

Piège classique · 14

On considère la fonction ff définie sur l'intervalle ouvert ]0    +∞[]0\,\;\,+\infty[ par f(x)=1x2+1f(x) = \frac{1}{x^2+1}. On sait que pour tout x>0x > 0, 0<f(x)<10 < f(x) < 1. Peut-on affirmer que 11 est le maximum de ff sur ]0    +∞[]0\,\;\,+\infty[ ?

Attention

Confondre un majorant avec un maximum sans vérifier si la valeur est atteinte.

À la place : Le réel 11 est un majorant strict de ff sur ]0    +∞[]0\,\;\,+\infty[, mais l'équation f(x)=1  ⟺  x=0f(x) = 1 \iff x = 0 n'a aucune solution dans ]0    +∞[]0\,\;\,+\infty[. La valeur 11 n'étant jamais atteinte sur ce domaine, ff n'admet pas de maximum sur ]0    +∞[]0\,\;\,+\infty[.

Exemple travaillé · 15

Démontrer que la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=2x2+10x−5f(x) = 2x^2 + 10x - 5 admet un minimum en x0=−52x_0 = -\frac{5}{2}.

1

Calculons d'abord la valeur candidate f(−52)f\left(-\frac{5}{2}\right) :

2
f(−52)=2(−52)2+10(−52)−5=2(254)−25−5=252−30=−352f\left(-\frac{5}{2}\right) = 2\left(-\frac{5}{2}\right)^2 + 10\left(-\frac{5}{2}\right) - 5 = 2\left(\frac{25}{4}\right) - 25 - 5 = \frac{25}{2} - 30 = -\frac{35}{2}
3

Étudions le signe de la différence f(x)−f(−52)f(x) - f\left(-\frac{5}{2}\right) pour tout x∈Rx \in \mathbb{R} :

4
f(x)−(−352)=2x2+10x−5+352=2x2+10x+252f(x) - \left(-\frac{35}{2}\right) = 2x^2 + 10x - 5 + \frac{35}{2} = 2x^2 + 10x + \frac{25}{2}
5

Factorisons par 22 pour faire apparaître une identité remarquable :

6
2(x2+5x+254)=2(x+52)22\left(x^2 + 5x + \frac{25}{4}\right) = 2\left(x + \frac{5}{2}\right)^2
7

Pour tout réel xx, (x+52)2≥0\left(x + \frac{5}{2}\right)^2 \ge 0, donc 2(x+52)2≥02\left(x + \frac{5}{2}\right)^2 \ge 0. Ainsi, f(x)≥−352f(x) \ge -\frac{35}{2}.

8

Puisque f(x)≥f(−52)f(x) \ge f\left(-\frac{5}{2}\right) pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}, −352-\frac{35}{2} est le minimum de ff sur R\mathbb{R}, atteint en x0=−52x_0 = -\frac{5}{2}.

Vérification · 16

Soit la fonction hh définie sur R\mathbb{R} par h(x)=−(x−3)2+4h(x) = -(x-3)^2 + 4. Que peut-on affirmer sur hh ?

Remarque

Pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}, (x−3)2≥0  ⟹  −(x−3)2≤0  ⟹  h(x)≤4(x-3)^2 \ge 0 \implies -(x-3)^2 \le 0 \implies h(x) \le 4. De plus, h(3)=4h(3) = 4. La valeur 44 est donc le maximum absolu de hh sur R\mathbb{R}. En revanche, hh n'est pas minorée, elle n'est donc pas bornée sur R\mathbb{R}.

Rappel · 17

Définition du sens de variation

Soit ff une fonction définie sur un intervalle II.

a≤b  ⟹  f(a)≤f(b)  ⟺  f est croissante sur Ia \le b \implies f(a) \le f(b) \iff f \text{ est croissante sur } I

a≤b  ⟹  f(a)≥f(b)  ⟺  f est deˊcroissante sur Ia \le b \implies f(a) \ge f(b) \iff f \text{ est décroissante sur } I

Remarque

Une fonction conserve l'ordre quand elle est croissante et inverse l'ordre quand elle est décroissante.

Définition · 18

Opérations sur les variations : Somme et Multiplication par un réel

Soient ff et gg deux fonctions définies sur un intervalle II, et λ∈R∗\lambda \in \mathbb{R}^*.

f et g croissantes sur I  ⟹  f+g est croissante sur If \text{ et } g \text{ croissantes sur } I \implies f+g \text{ est croissante sur } I

f et g deˊcroissantes sur I  ⟹  f+g est deˊcroissante sur If \text{ et } g \text{ décroissantes sur } I \implies f+g \text{ est décroissante sur } I

λ>0  ⟹  λf a le meˆme sens de variation que f\lambda > 0 \implies \lambda f \text{ a le même sens de variation que } f

λ<0  ⟹  λf a un sens de variation contraire aˋ celui de f\lambda < 0 \implies \lambda f \text{ a un sens de variation contraire à celui de } f

Remarque

Si ff et gg ont des sens de variation contraires, on ne peut déduire aucune règle générale pour leur somme sans étude spécifique.

Définition · 19

Variations de la racine carrée f\sqrt{f} et de l'inverse 1u\frac{1}{u}

f est une fonction positive sur If \text{ est une fonction positive sur } I

f a le meˆme sens de variation que f sur I\sqrt{f} \text{ a le même sens de variation que } f \text{ sur } I

u garde un signe constant et ne s’annule pas sur Iu \text{ garde un signe constant et ne s'annule pas sur } I

1u a le sens de variation contraire de u sur I\frac{1}{u} \text{ a le sens de variation contraire de } u \text{ sur } I

Exemple travaillé · 20

Étudier le sens de variation de la fonction ff définie sur ]0    +∞[]0\,\;\,+\infty[ par f(x)=−2x+1+3xf(x) = -2x + 1 + \frac{3}{x}.

1

On décompose ff sous la forme f=u+vf = u + v avec u(x)=−2x+1u(x) = -2x + 1 et v(x)=3xv(x) = \frac{3}{x}.

2

La fonction affine uu a pour coefficient directeur −2<0-2 < 0, elle est donc strictement décroissante sur ]0    +∞[]0\,\;\,+\infty[.

3

La fonction usuelle x↦1xx \mapsto \frac{1}{x} est strictement décroissante sur ]0    +∞[]0\,\;\,+\infty[. En multipliant par la constante 3>03 > 0, la fonction vv est strictement décroissante sur ]0    +∞[]0\,\;\,+\infty[.

4

Comme somme de deux fonctions strictement décroissantes sur ]0    +∞[]0\,\;\,+\infty[, ff est strictement décroissante sur ]0    +∞[]0\,\;\,+\infty[.

Exemple travaillé · 21

Étudier le sens de variation de la fonction ff définie sur ]−∞    2]]-\infty\,\;\,2] par f(x)=−x2+4x+5f(x) = \sqrt{-x^2+4x+5}.

1

Posons u(x)=−x2+4x+5u(x) = -x^2 + 4x + 5. C'est un trinôme du second degré avec a=−1<0a = -1 < 0.

2

L'abscisse du sommet de la parabole est α=−b2a=−42(−1)=2\alpha = -\frac{b}{2a} = -\frac{4}{2(-1)} = 2.

3

Puisque a<0a < 0, la parabole est orientée vers le bas : la fonction uu est strictement croissante sur ]−∞    2]]-\infty\,\;\,2].

4

Sur l'intervalle où u(x)≥0u(x) \ge 0, la fonction racine carrée u\sqrt{u} conserve le sens de variation de uu.

5

La fonction f=uf = \sqrt{u} est donc strictement croissante sur ]−∞    2]]-\infty\,\;\,2].

Piège classique · 22

La fonction u(x)=xu(x) = x est strictement croissante sur R\mathbb{R}. Peut-on affirmer que la fonction inverse g(x)=1xg(x) = \frac{1}{x} est strictement décroissante sur l'ensemble R∗=]−∞    0[∪]0    +∞[\mathbb{R}^* = ]-\infty\,\;\,0[ \cup ]0\,\;\,+\infty[ ?

Attention

Affirmer que 1u\frac{1}{u} est décroissante sur une réunion d'intervalles où uu change de signe.

À la place : Le théorème des variations de 1u\frac{1}{u} exige que uu garde un signe strictement constant. La fonction x↦1xx \mapsto \frac{1}{x} est strictement décroissante sur ]−∞    0[]-\infty\,\;\,0[ et sur ]0    +∞[]0\,\;\,+\infty[ séparément, mais pas sur leur réunion (par exemple −1<1-1 < 1 mais 1−1=−1<1=11\frac{1}{-1} = -1 < 1 = \frac{1}{1}).

Exemple travaillé · 23

Étudier le sens de variation de la fonction ff définie sur [0    +∞[[0\,\;\,+\infty[ par f(x)=(x2+3)xf(x) = (x^2+3)\sqrt{x}.

1

On pose u(x)=x2+3u(x) = x^2+3 et v(x)=xv(x) = \sqrt{x} sur [0    +∞[[0\,\;\,+\infty[.

2

La fonction carrée étant strictement croissante sur [0    +∞[[0\,\;\,+\infty[, la fonction u:x↦x2+3u: x \mapsto x^2+3 est strictement croissante sur [0    +∞[[0\,\;\,+\infty[.

3

La fonction usuelle v:x↦xv: x \mapsto \sqrt{x} est strictement croissante sur [0    +∞[[0\,\;\,+\infty[.

4

Vérifions les signes : pour tout x≥0x \ge 0, u(x)=x2+3≥3>0u(x) = x^2+3 \ge 3 > 0 et v(x)=x≥0v(x) = \sqrt{x} \ge 0.

5

Puisque uu et vv sont deux fonctions strictement croissantes et positives sur [0    +∞[[0\,\;\,+\infty[, leur produit f=u×vf = u \times v est strictement croissant sur [0    +∞[[0\,\;\,+\infty[.

Vérification · 24

Soit la fonction hh définie sur [1    +∞[[1\,\;\,+\infty[ par h(x)=−3x+2−x−1h(x) = -3x + 2 - \sqrt{x-1}. Quel est le sens de variation de hh sur [1    +∞[[1\,\;\,+\infty[ ?

Remarque

La fonction affine x↦−3x+2x \mapsto -3x+2 est strictement décroissante sur [1    +∞[[1\,\;\,+\infty[. La fonction x↦x−1x \mapsto x-1 est croissante et positive, donc x↦x−1x \mapsto \sqrt{x-1} est strictement croissante, ce qui donne x↦−x−1x \mapsto -\sqrt{x-1} strictement décroissante. Comme somme de deux fonctions strictement décroissantes, hh est strictement décroissante sur [1    +∞[[1\,\;\,+\infty[.

Point de départ · 25

On considère la parabole de référence d'équation y=x2y = x^2, dont le sommet est en (0    0)(0\,\;\,0). Où se situe le sommet de la parabole d'équation y=(x−2)2y = (x-2)^2 ?

Remarque

Pour que (x−2)2=0(x-2)^2 = 0, il faut x=2x = 2. Le minimum 00 est donc atteint en x=2x = 2 : le sommet est en (2    0)(2\,\;\,0). La parabole s'est déplacée de 22 unités vers la droite.

Définition · 26

Translations de courbes

Soit ff une fonction et Cf\mathcal{C}_f sa courbe représentative dans un repère orthogonal (O,i⃗,j⃗)(O, \vec{i}, \vec{j}).

g(x)=f(x−a)  ⟺  Cg=tai⃗(Cf)g(x) = f(x - a) \iff \mathcal{C}_g = t_{a\vec{i}}(\mathcal{C}_f)

g(x)=f(x)+b  ⟺  Cg=tbj⃗(Cf)g(x) = f(x) + b \iff \mathcal{C}_g = t_{b\vec{j}}(\mathcal{C}_f)

g(x)=f(x−a)+b  ⟺  Cg=tai⃗+bj⃗(Cf)g(x) = f(x - a) + b \iff \mathcal{C}_g = t_{a\vec{i} + b\vec{j}}(\mathcal{C}_f)

Piège classique · 27

Soit f(x)=x2f(x) = x^2. Par quelle transformation géométrique obtient-on la courbe de g(x)=(x+3)2g(x) = (x+3)^2 à partir de Cf\mathcal{C}_f ?

Attention

Penser que (x+3)(x+3) correspond à un décalage vers la droite de vecteur 3i⃗3\vec{i} en suivant le signe « + ».

À la place : On écrit g(x)=f(x−(−3))g(x) = f(x - (-3)). La courbe Cg\mathcal{C}_g est l'image de Cf\mathcal{C}_f par la translation de vecteur −3i⃗-3\vec{i}, soit un glissement de 33 unités vers la gauche.

Définition · 28

Courbes avec valeur absolue : ∣f(x)∣|f(x)| et f(∣x∣)f(|x|)

Soit ff une fonction définie sur DfD_f et Cf\mathcal{C}_f sa courbe représentative.

g(x)=∣f(x)∣  ⟹  {Cg=Cfsur les intervalles ouˋ f(x)≥0Cg=S(Ox)(Cf)sur les intervalles ouˋ f(x)<0g(x) = |f(x)| \implies \begin{cases} \mathcal{C}_g = \mathcal{C}_f & \text{sur les intervalles où } f(x) \ge 0 \\ \mathcal{C}_g = S_{(Ox)}(\mathcal{C}_f) & \text{sur les intervalles où } f(x) < 0 \end{cases}

h(x)=f(∣x∣)  ⟹  h est paire : {Ch=Cfsur Df∩R+Ch=S(Oy)(Ch∩R+)sur Df∩R−h(x) = f(|x|) \implies h \text{ est paire : } \begin{cases} \mathcal{C}_h = \mathcal{C}_f & \text{sur } D_f \cap \mathbb{R}_+ \\ \mathcal{C}_h = S_{(Oy)}(\mathcal{C}_h \cap \mathbb{R}_+) & \text{sur } D_f \cap \mathbb{R}_- \end{cases}

Piège classique · 29

Pour tracer la courbe de h(x)=f(∣x∣)h(x) = f(|x|) à partir de la courbe de ff, quelle méthode applique-t-on ?

Attention

Confondre f(∣x∣)f(|x|) avec ∣f(x)∣|f(x)| en rabattant les ordonnées négatives vers le haut par rapport à l'axe (Ox)(Ox).

À la place : Dans f(∣x∣)f(|x|), la valeur absolue est à l'intérieur de la variable : hh est paire. On conserve la partie droite (x≥0x \ge 0) et on la reproduit à gauche (x<0x < 0) par symétrie par rapport à l'axe des ordonnées (Oy)(Oy).

Exemple travaillé · 30

Soit la fonction f:x↦−32x2f: x \mapsto -\frac{3}{2}x^2. Décrire les étapes de construction de la courbe de g:x↦−32(x−2)2g: x \mapsto -\frac{3}{2}(x-2)^2, puis de celle de h:x↦−32(∣x∣−2)2h: x \mapsto -\frac{3}{2}(|x|-2)^2.

1

On reconnaît g(x)=f(x−2)g(x) = f(x-2). La courbe Cg\mathcal{C}_g est l'image de la parabole Cf\mathcal{C}_f par la translation de vecteur 2i⃗2\vec{i}. Son sommet est le point S(2    0)S(2\,\;\,0).

2

Pour tout x≥0x \ge 0, ∣x∣=x|x| = x, donc h(x)=−32(x−2)2=g(x)h(x) = -\frac{3}{2}(x-2)^2 = g(x). La courbe Ch\mathcal{C}_h coïncide donc avec Cg\mathcal{C}_g sur [0    +∞[[0\,\;\,+\infty[.

3

Pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}, h(−x)=−32(∣−x∣−2)2=−32(∣x∣−2)2=h(x)h(-x) = -\frac{3}{2}(|-x|-2)^2 = -\frac{3}{2}(|x|-2)^2 = h(x). La fonction hh est paire.

4

On complète Ch\mathcal{C}_h sur ]−∞    0]]-\infty\,\;\,0] en traçant le symétrique de la branche positive par rapport à l'axe des ordonnées (Oy)(Oy).

Vérification · 31

Soit la fonction inverse f:x↦1xf: x \mapsto \frac{1}{x}. Par quelles transformations géométriques successives obtient-on la courbe de k:x↦−1x+1+4k: x \mapsto -\frac{1}{x+1} + 4 à partir de Cf\mathcal{C}_f ?

Remarque

L'expression x+1=x−(−1)x+1 = x - (-1) correspond à une translation horizontale de vecteur −i⃗-\vec{i}. Le signe « - » devant le quotient applique une symétrie orthogonale par rapport à l'axe des abscisses (Ox)(Ox). L'ajout de +4+4 applique enfin une translation verticale de vecteur 4j⃗4\vec{j}.

Point de départ · 32

Par définition, la partie entière d'un réel xx, notée E(x)E(x), est le plus grand entier relatif inférieur ou égal à xx. Que vaut E(−1,2)E(-1{,}2) ?

Remarque

L'entier immédiatement inférieur ou égal à −1,2-1{,}2 est −2-2, car −2≤−1,2<−1-2 \le -1{,}2 < -1. L'entier −1-1 est strictement supérieur à −1,2-1{,}2.

Définition · 33

Fonction Partie Entière

Pour tout réel xx, il existe un unique entier relatif n∈Zn \in \mathbb{Z} tel que :

n≤x<n+1n \le x < n + 1

E(x)=nE(x) = n

∀x∈R,E(x)≤x<E(x)+1\forall x \in \mathbb{R}, \quad E(x) \le x < E(x) + 1

Piège classique · 34

Que vaut la partie entière du réel négatif −3,7-3{,}7 ?

Attention

Penser que E(−3,7)=−3E(-3{,}7) = -3 par simple troncature de la partie décimale.

À la place : Pour un nombre négatif non entier, on prend l'entier situé à gauche sur l'axe réel. Puisque −4≤−3,7<−3-4 \le -3{,}7 < -3, on a E(−3,7)=−4E(-3{,}7) = -4.

Définition · 35

Fonction affine par intervalles

f est affine par intervalles  ⟺  sa restriction aˋ chaque intervalle est de la forme x↦ax+bf \text{ est affine par intervalles} \iff \text{sa restriction à chaque intervalle est de la forme } x \mapsto ax+b

Remarque

La courbe représentative d'une fonction affine par intervalles est constituée d'une réunion de segments de droites ou de demi-droites.

Exemple travaillé · 36

Soit la fonction ff définie sur [−2    2][-2\,\;\,2] par f(x)=1−xE(x)f(x) = 1 - x E(x). Exprimer f(x)f(x) sans le symbole E(x)E(x) et montrer qu'elle est affine par intervalles.

1

On découpe l'intervalle d'étude selon les entiers consécutifs :

2

Si x∈[−2    −1[x \in [-2\,\;\,-1[, alors E(x)=−2E(x) = -2, donc f(x)=1−x(−2)=1+2xf(x) = 1 - x(-2) = 1 + 2x.

3

Si x∈[−1    0[x \in [-1\,\;\,0[, alors E(x)=−1E(x) = -1, donc f(x)=1−x(−1)=1+xf(x) = 1 - x(-1) = 1 + x.

4

Si x∈[0    1[x \in [0\,\;\,1[, alors E(x)=0E(x) = 0, donc f(x)=1−x(0)=1f(x) = 1 - x(0) = 1.

5

Si x∈[1    2[x \in [1\,\;\,2[, alors E(x)=1E(x) = 1, donc f(x)=1−x(1)=1−xf(x) = 1 - x(1) = 1 - x.

6

Si x=2x = 2, alors E(2)=2E(2) = 2, donc f(2)=1−2(2)=−3f(2) = 1 - 2(2) = -3.

7

Sur chaque sous-intervalle, f(x)f(x) est un polynôme de degré inférieur ou égal à 1 : ff est une fonction affine par intervalles.

Exemple travaillé · 37

On considère la fonction ff définie sur [−1    2][-1\,\;\,2] par f(x)=E(x)−2E(x2)f(x) = E(x) - 2E\left(\frac{x}{2}\right). Donner l'expression simplifiée de f(x)f(x) sur chaque sous-intervalle.

1

Les sauts ont lieu aux entiers pour E(x)E(x) et aux entiers pairs pour E(x2)E\left(\frac{x}{2}\right). Subdivisons l'intervalle [−1    2][-1\,\;\,2] :

2

Si x∈[−1    0[x \in [-1\,\;\,0[ : on a E(x)=−1E(x) = -1. De plus −12≤x2<0  ⟹  E(x2)=−1-\frac{1}{2} \le \frac{x}{2} < 0 \implies E\left(\frac{x}{2}\right) = -1. Donc f(x)=−1−2(−1)=1f(x) = -1 - 2(-1) = 1.

3

Si x∈[0    1[x \in [0\,\;\,1[ : on a E(x)=0E(x) = 0 et 0≤x2<12  ⟹  E(x2)=00 \le \frac{x}{2} < \frac{1}{2} \implies E\left(\frac{x}{2}\right) = 0. Donc f(x)=0−2(0)=0f(x) = 0 - 2(0) = 0.

4

Si x∈[1    2[x \in [1\,\;\,2[ : on a E(x)=1E(x) = 1 et 12≤x2<1  ⟹  E(x2)=0\frac{1}{2} \le \frac{x}{2} < 1 \implies E\left(\frac{x}{2}\right) = 0. Donc f(x)=1−2(0)=1f(x) = 1 - 2(0) = 1.

5

Si x=2x = 2 : on a E(2)=2E(2) = 2 et E(1)=1E(1) = 1. Donc f(2)=2−2(1)=0f(2) = 2 - 2(1) = 0.

Exemple travaillé · 38

Soit la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=∣1−x∣−∣2x+4∣+xf(x) = |1-x| - |2x+4| + x. Écrire f(x)f(x) sans le symbole de la valeur absolue.

1

On étudie le signe des expressions intérieures : 1−x=0  ⟺  x=11-x = 0 \iff x = 1 et 2x+4=0  ⟺  x=−22x+4 = 0 \iff x = -2.

2

Si x∈]−∞    −2]x \in ]-\infty\,\;\,-2] : ∣1−x∣=1−x|1-x| = 1-x et ∣2x+4∣=−(2x+4)=−2x−4|2x+4| = -(2x+4) = -2x-4. On obtient : f(x)=(1−x)−(−2x−4)+x=2x+5f(x) = (1-x) - (-2x-4) + x = 2x + 5.

3

Si x∈[−2    1]x \in [-2\,\;\,1] : ∣1−x∣=1−x|1-x| = 1-x et ∣2x+4∣=2x+4|2x+4| = 2x+4. On obtient : f(x)=(1−x)−(2x+4)+x=−2x−3f(x) = (1-x) - (2x+4) + x = -2x - 3.

4

Si x∈[1    +∞[x \in [1\,\;\,+\infty[ : ∣1−x∣=−(1−x)=x−1|1-x| = -(1-x) = x-1 et ∣2x+4∣=2x+4|2x+4| = 2x+4. On obtient : f(x)=(x−1)−(2x+4)+x=−5f(x) = (x-1) - (2x+4) + x = -5.

Vérification · 39

Soit la fonction gg définie sur [−2    −1[[-2\,\;\,-1[ par g(x)=x+E(x)g(x) = x + E(x). Quelle est l'expression simplifiée de g(x)g(x) sur cet intervalle ?

Remarque

Pour tout x∈[−2    −1[x \in [-2\,\;\,-1[, on a −2≤x<−1-2 \le x < -1, donc E(x)=−2E(x) = -2. L'expression devient immédiatement g(x)=x−2g(x) = x - 2.

Point de départ · 40

Pour résoudre l'équation x+4=−4x−2\sqrt{x+4} = \frac{-4}{x-2}, peut-on élever directement les deux membres au carré sans aucune condition préalable sur les signes ?

Remarque

Une racine carrée est toujours positive ou nulle. Pour que l'égalité x+4=−4x−2\sqrt{x+4} = \frac{-4}{x-2} soit possible, le membre de droite doit impérativement être positif ou nul : −4x−2≥0\frac{-4}{x-2} \ge 0, ce qui impose x−2<0x-2 < 0, soit x<2x < 2.

Définition · 41

Résolution d'équations irrationnelles du type A(x)=B(x)\sqrt{A(x)} = B(x)

Soient AA et BB deux fonctions réelles.

A(x)=B(x)  ⟺  {A(x)=[B(x)]2B(x)≥0\sqrt{A(x)} = B(x) \iff \begin{cases} A(x) = [B(x)]^2 \\ B(x) \ge 0 \end{cases}

Remarque

La condition A(x)≥0A(x) \ge 0 est automatiquement satisfaite dès que A(x)=[B(x)]2A(x) = [B(x)]^2, mais la condition B(x)≥0B(x) \ge 0 est obligatoire pour préserver l'équivalence.

Piège classique · 42

En élevant au carré l'équation x+4=−4x−2\sqrt{x+4} = \frac{-4}{x-2}, on obtient après simplification l'équation polynomiale x(x2−12)=0x(x^2 - 12) = 0, dont les racines sont 00, 232\sqrt{3} et −23-2\sqrt{3}. La valeur 232\sqrt{3} est-elle une solution de l'équation de départ ?

Attention

Considérer que toutes les solutions de l'équation élevée au carré sont valables pour l'équation avec racine carrée.

À la place : Pour x=23≈3,46x = 2\sqrt{3} \approx 3{,}46, le dénominateur x−2=23−2>0x-2 = 2\sqrt{3}-2 > 0, donc −4x−2<0\frac{-4}{x-2} < 0. Or x+4≥0\sqrt{x+4} \ge 0. Une quantité positive ne peut pas valoir un nombre strictement négatif : 232\sqrt{3} est une solution parasite introduite par le carré.

Exemple travaillé · 43

Déterminer les coordonnées des points d'intersection des courbes Cf\mathcal{C}_f et Cg\mathcal{C}_g définies par f(x)=x+4f(x) = \sqrt{x+4} et g(x)=−4x−2g(x) = \frac{-4}{x-2}.

1

On cherche les points M(x    y)M(x\,\;\,y) vérifiant le système y=f(x)y = f(x) et y=g(x)y = g(x) avec x≥−4x \ge -4 et x≠2x \neq 2.

2

L'égalité x+4=−4x−2\sqrt{x+4} = \frac{-4}{x-2} impose −4x−2≥0\frac{-4}{x-2} \ge 0, soit x−2<0  ⟺  x<2x-2 < 0 \iff x < 2. L'intervalle de recherche est donc [−4    2[[-4\,\;\,2[.

3
x+4=16(x−2)2  ⟺  (x+4)(x2−4x+4)=16  ⟺  x3−12x=0x+4 = \frac{16}{(x-2)^2} \iff (x+4)(x^2-4x+4) = 16 \iff x^3 - 12x = 0
4

On factorise : x(x2−12)=0x(x^2 - 12) = 0, ce qui donne les candidats x=0x = 0, x=−23x = -2\sqrt{3} et x=23x = 2\sqrt{3}.

5

On filtre avec [−4    2[[-4\,\;\,2[ : 0∈[−4    2[0 \in [-4\,\;\,2[ et −23≈−3,46∈[−4    2[-2\sqrt{3} \approx -3{,}46 \in [-4\,\;\,2[, tandis que 23>22\sqrt{3} > 2 est rejeté.

6

On calcule les ordonnées : pour x=0x=0, y=4=2y = \sqrt{4} = 2. Pour x=−23x=-2\sqrt{3}, y=4−23=(3−1)2=3−1y = \sqrt{4-2\sqrt{3}} = \sqrt{(\sqrt{3}-1)^2} = \sqrt{3}-1.

7

Les points d'intersection sont A(0    2)A(0\,\;\,2) et B(−23    3−1)B(-2\sqrt{3}\,\;\,\sqrt{3}-1).

Définition · 44

Résolution d'équations fonctionnelles liant f(x)f(x) et f(−x)f(-x)

Lorsqu'une relation fonctionnelle fait intervenir simultanément f(x)f(x) et f(−x)f(-x) pour tout réel xx :

On substitue x par −x dans toute l’eˊgaliteˊ pour former un systeˋme de deux eˊquations aˋ deux inconnues f(x) et f(−x).\text{On substitue } x \text{ par } -x \text{ dans toute l'égalité pour former un système de deux équations à deux inconnues } f(x) \text{ et } f(-x).

Remarque

On résout ensuite le système linéaire obtenu pour isoler l'expression explicite de f(x)f(x).

Exemple travaillé · 45

Déterminer l'expression de la fonction f:R→Rf: \mathbb{R} \to \mathbb{R} sachant que pour tout x∈Rx \in \mathbb{R} :
3f(x)+f(−x)=4x3+2x3f(x) + f(-x) = 4x^3 + 2x

1

L'égalité de départ est (E1) : 3f(x)+f(−x)=4x3+2x3f(x) + f(-x) = 4x^3 + 2x.

2

Remplaçons xx par −x-x dans toute l'équation pour obtenir (E2) :

3
3f(−x)+f(−(−x))=4(−x)3+2(−x)  ⟹  3f(−x)+f(x)=−4x3−2x3f(-x) + f(-(-x)) = 4(-x)^3 + 2(-x) \implies 3f(-x) + f(x) = -4x^3 - 2x
4

De (E1), on exprime f(−x)=4x3+2x−3f(x)f(-x) = 4x^3 + 2x - 3f(x) et on substitue dans (E2) :

5
3(4x3+2x−3f(x))+f(x)=−4x3−2x3(4x^3 + 2x - 3f(x)) + f(x) = -4x^3 - 2x
6
12x3+6x−9f(x)+f(x)=−4x3−2x  ⟹  −8f(x)=−16x3−8x12x^3 + 6x - 9f(x) + f(x) = -4x^3 - 2x \implies -8f(x) = -16x^3 - 8x
7

En divisant par −8-8, on obtient pour tout x∈Rx \in \mathbb{R} : f(x)=2x3+xf(x) = 2x^3 + x.

Vérification · 46

Soit ff une fonction définie sur R\mathbb{R} vérifiant pour tout réel xx : f(x)+xf(−x)=x2f(x) + x f(-x) = x^2. Que vaut f(x)f(x) pour tout réel xx ?

Remarque

En remplaçant xx par −x-x, on obtient f(−x)−xf(x)=x2f(-x) - x f(x) = x^2, d'où f(−x)=x2+xf(x)f(-x) = x^2 + x f(x). En remplaçant dans la première équation : f(x)+x(x2+xf(x))=x2  ⟺  f(x)(1+x2)=x2−x3  ⟺  f(x)=x2(1−x)1+x2f(x) + x(x^2 + x f(x)) = x^2 \iff f(x)(1+x^2) = x^2 - x^3 \iff f(x) = \frac{x^2(1-x)}{1+x^2}.

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