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Limites et comportements asymptotiques — cours

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

Le cours

Rappel · 1

Quelle est la limite au voisinage de +∞+\infty de la fonction rationnelle f(x)=4x2−3x+12x2+5f(x) = \frac{4x^2 - 3x + 1}{2x^2 + 5} ?

Remarque

Au voisinage de l'infini, la limite d'une fonction rationnelle est égale à la limite du quotient de ses termes de plus haut degré : lim⁡x→+∞4x22x2=2\lim_{x\to+\infty}\frac{4x^2}{2x^2} = 2.

Point de départ · 2

Lorsque la variable xx grandit indéfiniment vers +∞+\infty, les valeurs de f(x)f(x) se rapprochent sans cesse de 22. Géométriquement, de quelle droite la courbe représentative Cf\mathcal{C}_f se rapproche-t-elle ?

Remarque

La distance verticale entre le point de la courbe M(x,f(x))M(x, f(x)) et la droite horizontale y=2y = 2 devient arbitrairement petite quand xx tend vers +∞+\infty.

Définition · 3

Définition — Asymptote horizontale

Soit ff une fonction numérique et Cf\mathcal{C}_f sa courbe représentative dans un repère orthogonal.

lim⁡x→+∞f(x)=L  ⟺  la droite y=L est asymptote horizontale aˋ Cf au voisinage de +∞\lim_{x\to+\infty} f(x) = L \iff \text{la droite } y = L \text{ est asymptote horizontale à } \mathcal{C}_f \text{ au voisinage de } +\infty

lim⁡x→−∞f(x)=L  ⟺  la droite y=L est asymptote horizontale aˋ Cf au voisinage de −∞\lim_{x\to-\infty} f(x) = L \iff \text{la droite } y = L \text{ est asymptote horizontale à } \mathcal{C}_f \text{ au voisinage de } -\infty

Remarque

Le réel LL est une constante finie. Une fonction peut posséder une asymptote horizontale en +∞+\infty et une asymptote différente (ou aucune) en −∞-\infty.

Exemple travaillé · 4

Calculer la limite de la fonction f(x)=3x2−x+1x2+4f(x) = \frac{3x^2 - x + 1}{x^2 + 4} en −∞-\infty, puis en donner une interprétation géométrique.

1

La fonction ff est une fraction rationnelle. En −∞-\infty, sa limite est égale à celle du rapport de ses termes de plus haut degré :

2
lim⁡x→−∞f(x)=lim⁡x→−∞3x2x2=3\lim_{x\to-\infty} f(x) = \lim_{x\to-\infty} \frac{3x^2}{x^2} = 3
3

La limite obtenue est un réel fini constant L=3L = 3.

4

On en déduit que la droite d'équation y=3y = 3 est une asymptote horizontale à la courbe Cf\mathcal{C}_f au voisinage de −∞-\infty.

Exemple travaillé · 5

Soit la fonction ff définie sur [0 ; +∞[[0\,;\,+\infty[ par f(x)=x+4−xf(x) = \sqrt{x+4} - \sqrt{x}. Montrer que la courbe de ff admet une asymptote horizontale en +∞+\infty dont on précisera l'équation.

1

L'évaluation directe en +∞+\infty conduit à une forme indéterminée +∞−∞+\infty - \infty. On multiplie et on divise par l'expression conjuguée :

2
f(x)=(x+4−x)(x+4+x)x+4+x=(x+4)−xx+4+x=4x+4+xf(x) = \frac{(\sqrt{x+4}-\sqrt{x})(\sqrt{x+4}+\sqrt{x})}{\sqrt{x+4}+\sqrt{x}} = \frac{(x+4)-x}{\sqrt{x+4}+\sqrt{x}} = \frac{4}{\sqrt{x+4}+\sqrt{x}}
3

Au dénominateur, lim⁡x→+∞(x+4+x)=+∞\lim_{x\to+\infty}(\sqrt{x+4}+\sqrt{x}) = +\infty. Par quotient d'une constante par une limite infinie :

4
lim⁡x→+∞f(x)=lim⁡x→+∞4x+4+x=0\lim_{x\to+\infty} f(x) = \lim_{x\to+\infty} \frac{4}{\sqrt{x+4}+\sqrt{x}} = 0
5

La limite étant le réel fini 00, la droite d'équation y=0y = 0 (l'axe des abscisses) est une asymptote horizontale à la courbe au voisinage de +∞+\infty.

Piège classique · 6

Une fonction ff vérifie lim⁡x→+∞f(x)=−5\lim_{x\to+\infty} f(x) = -5. Quelle est l'équation de l'asymptote horizontale à sa courbe Cf\mathcal{C}_f ?

Attention

Écrire x=−5x = -5 en confondant l'asymptote horizontale avec une droite verticale.

À la place : Une droite horizontale a pour équation y=Ly = L. Ici, comme la limite en +∞+\infty vaut −5-5, l'équation de l'asymptote horizontale est y=−5y = -5.

Vérification · 7

Soit la fonction gg définie sur R∖{−32}\mathbb{R} \setminus \{-\frac{3}{2}\} par g(x)=1−6x2x+3g(x) = \frac{1-6x}{2x+3}. Quelle droite est asymptote horizontale à la courbe Cg\mathcal{C}_g aux voisinages de +∞+\infty et −∞-\infty ?

Remarque

Par la règle des termes de plus haut degré, lim⁡x→±∞g(x)=lim⁡x→±∞−6x2x=−3\lim_{x\to\pm\infty} g(x) = \lim_{x\to\pm\infty} \frac{-6x}{2x} = -3. La droite d'équation y=−3y = -3 est donc asymptote horizontale en +∞+\infty et −∞-\infty.

Point de départ · 8

Lorsque xx s'approche de 22 par valeurs supérieures (x>2x > 2), les valeurs de f(x)f(x) deviennent infiniment grandes (+∞+\infty). Vers quelle droite la courbe se rapproche-t-elle indéfiniment ?

Remarque

La courbe longe verticalement la droite fixe d'équation x=2x = 2 : c'est une asymptote verticale.

Définition · 9

Définition — Asymptote verticale

Soit ff une fonction définie sur un intervalle ouvert II, sauf éventuellement en un réel a∈Ia \in I, et Cf\mathcal{C}_f sa courbe représentative.

lim⁡x→a+f(x)=±∞oulim⁡x→a−f(x)=±∞\lim_{x \to a^+} f(x) = \pm\infty \quad \text{ou} \quad \lim_{x \to a^-} f(x) = \pm\infty

Si l'une au moins de ces limites latérales est infinie, la droite d'équation x=ax = a est une asymptote verticale à la courbe Cf\mathcal{C}_f.

Remarque

Il suffit qu'un seul des deux côtés tende vers l'infini pour que la droite x=ax = a soit asymptote verticale.

Exemple travaillé · 10

Soit f(x)=x+1x−3f(x) = \frac{x+1}{x-3}. Étudier les limites de ff en 33 à gauche et à droite, puis en déduire l'asymptote verticale à Cf\mathcal{C}_f.

1

On évalue le numérateur en 33 : lim⁡x→3(x+1)=4≠0\lim_{x \to 3}(x+1) = 4 \neq 0. Le dénominateur x−3x-3 s'annule en changeant de signe.

2

Pour x<3x < 3, on a x−3<0x - 3 < 0, donc le dénominateur tend vers 0−0^- :

3
lim⁡x→3−f(x)=40−=−∞\lim_{x \to 3^-} f(x) = \frac{4}{0^-} = -\infty
4

Pour x>3x > 3, on a x−3>0x - 3 > 0, donc le dénominateur tend vers 0+0^+ :

5
lim⁡x→3+f(x)=40+=+∞\lim_{x \to 3^+} f(x) = \frac{4}{0^+} = +\infty
6

Les limites latérales étant infinies, la droite d'équation x=3x = 3 est une asymptote verticale à Cf\mathcal{C}_f.

Exemple travaillé · 11

Soit f(x)=x−6(2x−1)2f(x) = \frac{x-6}{(2x-1)^2}. Déterminer la limite de ff en 12\frac{1}{2} et préciser l'asymptote à sa courbe Cf\mathcal{C}_f.

1

Le numérateur tend vers 12−6=−112<0\frac{1}{2} - 6 = -\frac{11}{2} < 0.

2

Le dénominateur est un carré non nul sur R∖{12}\mathbb{R} \setminus \{\frac{1}{2}\} : pour tout x≠12x \neq \frac{1}{2}, (2x−1)2>0(2x-1)^2 > 0.

3
lim⁡x→12(2x−1)2=0+\lim_{x \to \frac{1}{2}} (2x-1)^2 = 0^+
4

Le signe de 0+0^+ étant garanti des deux côtés, il est inutile de séparer gauche et droite :

5
lim⁡x→12f(x)=−1120+=−∞\lim_{x \to \frac{1}{2}} f(x) = \frac{-\frac{11}{2}}{0^+} = -\infty
6

La droite d'équation x=12x = \frac{1}{2} est une asymptote verticale commune à gauche et à droite.

Piège classique · 12

Soit f(x)=x2−1x−1f(x) = \frac{x^2 - 1}{x - 1} définie sur R∖{1}\mathbb{R} \setminus \{1\}. La courbe de ff admet-elle la droite x=1x = 1 comme asymptote verticale ?

Attention

Déclarer immédiatement que x=1x = 1 est une asymptote verticale sous prétexte que 11 est une valeur interdite.

À la place : Pour x≠1x \neq 1, f(x)=(x−1)(x+1)x−1=x+1f(x) = \frac{(x-1)(x+1)}{x-1} = x+1. Donc lim⁡x→1f(x)=2\lim_{x \to 1} f(x) = 2 (limite finie). Il n'y a pas d'asymptote verticale, mais un trou dans la courbe (prolongement par continuité).

Vérification · 13

Soit la fonction h(x)=2−x(x+4)2h(x) = \frac{2 - x}{(x + 4)^2} définie sur R∖{−4}\mathbb{R} \setminus \{-4\}. Quelle est la limite de hh en −4-4 et quelle en est la conséquence géométrique ?

Remarque

En −4-4, le numérateur tend vers 2−(−4)=6>02 - (-4) = 6 > 0 et le dénominateur vers 0+0^+ (car (x+4)2>0(x+4)^2 > 0). Donc lim⁡x→−4h(x)=60+=+∞\lim_{x \to -4} h(x) = \frac{6}{0^+} = +\infty. La droite x=−4x = -4 est asymptote verticale à Ch\mathcal{C}_h.

Point de départ · 14

Pour la fonction f(x)=x−1+2x−1f(x) = x - 1 + \frac{2}{x-1}, lorsque xx devient très grand (x→+∞x \to +\infty), le terme 2x−1\frac{2}{x-1} tend vers 00. De quelle droite la courbe Cf\mathcal{C}_f se rapproche-t-elle indéfiniment ?

Remarque

L'écart vertical entre la courbe et la droite affine d'équation y=x−1y = x - 1 s'annule à l'infini : cette droite non parallèle aux axes est une asymptote oblique.

Définition · 15

Définition — Asymptote oblique et position relative

Soit ff une fonction numérique et Cf\mathcal{C}_f sa courbe représentative dans un repère orthogonal.

lim⁡x→+∞(f(x)−(ax+b))=0  ⟺  y=ax+b est asymptote oblique aˋ Cf en +∞\lim_{x \to +\infty} (f(x) - (ax + b)) = 0 \iff y = ax + b \text{ est asymptote oblique à } \mathcal{C}_f \text{ en } +\infty

lim⁡x→−∞(f(x)−(ax+b))=0  ⟺  y=ax+b est asymptote oblique aˋ Cf en −∞\lim_{x \to -\infty} (f(x) - (ax + b)) = 0 \iff y = ax + b \text{ est asymptote oblique à } \mathcal{C}_f \text{ en } -\infty

Position relative de la courbe par rapport à l'asymptote Δ:y=ax+b\Delta : y = ax + b :

f(x)−(ax+b)>0  ⟹  Cf est strictement au-dessus de Δf(x) - (ax + b) > 0 \implies \mathcal{C}_f \text{ est strictement au-dessus de } \Delta
f(x)−(ax+b)<0  ⟹  Cf est strictement au-dessous de Δf(x) - (ax + b) < 0 \implies \mathcal{C}_f \text{ est strictement au-dessous de } \Delta

Exemple travaillé · 16

Soit f(x)=x2−3x+6x−2=x−1+4x−2f(x) = \frac{x^2 - 3x + 6}{x - 2} = x - 1 + \frac{4}{x - 2} sur R∖{2}\mathbb{R} \setminus \{2\}.
1. Montrer que la droite Δ:y=x−1\Delta : y = x - 1 est asymptote oblique à Cf\mathcal{C}_f en +∞+\infty et −∞-\infty.
2. Étudier la position relative de Cf\mathcal{C}_f par rapport à Δ\Delta.

1

On forme la différence entre l'expression de f(x)f(x) et l'équation de la droite Δ\Delta :

2
f(x)−(x−1)=x−1+4x−2−(x−1)=4x−2f(x) - (x - 1) = x - 1 + \frac{4}{x - 2} - (x - 1) = \frac{4}{x - 2}
3

On calcule la limite de cette différence aux voisinages de +∞+\infty et −∞-\infty :

4
lim⁡x→+∞4x−2=0etlim⁡x→−∞4x−2=0\lim_{x \to +\infty} \frac{4}{x - 2} = 0 \quad \text{et} \quad \lim_{x \to -\infty} \frac{4}{x - 2} = 0
5

La limite étant nulle, la droite Δ:y=x−1\Delta : y = x - 1 est asymptote oblique à Cf\mathcal{C}_f en +∞+\infty et en −∞-\infty.

6

Pour la position relative, on étudie le signe de la différence 4x−2\frac{4}{x - 2} :
- Sur ]2 ; +∞[]2\,;\,+\infty[, x−2>0  ⟹  f(x)−(x−1)>0x - 2 > 0 \implies f(x) - (x-1) > 0 : Cf\mathcal{C}_f est au-dessus de Δ\Delta.
- Sur ]−∞ ; 2[]-\infty\,;\,2[, x−2<0  ⟹  f(x)−(x−1)<0x - 2 < 0 \implies f(x) - (x-1) < 0 : Cf\mathcal{C}_f est au-dessous de Δ\Delta.

Exemple travaillé · 17

Soit f(x)=x2+3x+4x+2f(x) = \frac{x^2 + 3x + 4}{x + 2} définie sur R∖{−2}\mathbb{R} \setminus \{-2\}.
1. Déterminer les réels a,b,ca, b, c tels que f(x)=ax+b+cx+2f(x) = ax + b + \frac{c}{x + 2}.
2. En déduire une équation de l'asymptote oblique Δ\Delta à Cf\mathcal{C}_f en ±∞\pm\infty.

1

On réduit au même dénominateur l'expression cible :

2
ax+b+cx+2=(ax+b)(x+2)+cx+2=ax2+(2a+b)x+(2b+c)x+2ax + b + \frac{c}{x + 2} = \frac{(ax + b)(x + 2) + c}{x + 2} = \frac{ax^2 + (2a + b)x + (2b + c)}{x + 2}
3

Par identification terme à terme avec x2+3x+4x^2 + 3x + 4, on établit le système :

4
{a=12a+b=32b+c=4  ⟹  {a=1b=3−2(1)=1c=4−2(1)=2\begin{cases} a = 1 \\ 2a + b = 3 \\ 2b + c = 4 \end{cases} \implies \begin{cases} a = 1 \\ b = 3 - 2(1) = 1 \\ c = 4 - 2(1) = 2 \end{cases}
5

On obtient l'écriture décomposée : f(x)=x+1+2x+2f(x) = x + 1 + \frac{2}{x + 2}.

6

Comme lim⁡x→±∞[f(x)−(x+1)]=lim⁡x→±∞2x+2=0\lim_{x \to \pm\infty} [f(x) - (x + 1)] = \lim_{x \to \pm\infty} \frac{2}{x + 2} = 0, la droite Δ\Delta d'équation y=x+1y = x + 1 est asymptote oblique à Cf\mathcal{C}_f en +∞+\infty et −∞-\infty.

Piège classique · 18

Soit ff une fonction telle que f(x)−(2x−1)=−3x+1f(x) - (2x - 1) = \frac{-3}{x + 1} pour x>−1x > -1. Quelle est la position de la courbe Cf\mathcal{C}_f par rapport à son asymptote oblique Δ:y=2x−1\Delta : y = 2x - 1 sur l'intervalle ]−1 ; +∞[]-1\,;\,+\infty[ ?

Attention

Affirmer que Cf\mathcal{C}_f est au-dessus de Δ\Delta au motif que la pente de l'asymptote est positive (2>02 > 0) ou que les valeurs de f(x)f(x) tendent vers +∞+\infty.

À la place : Seul le signe algébrique de la différence f(x)−yΔf(x) - y_\Delta détermine la position. Pour x>−1x > -1, x+1>0x+1 > 0, donc −3x+1<0\frac{-3}{x+1} < 0. La différence étant strictement négative, la courbe Cf\mathcal{C}_f est strictement au-dessous de Δ\Delta.

Vérification · 19

Soit g(x)=2x2+5x−1x+1=2x+3−4x+1g(x) = \frac{2x^2 + 5x - 1}{x + 1} = 2x + 3 - \frac{4}{x+1} sur ]−1 ; +∞[]-1\,;\,+\infty[. Quelle est l'équation de l'asymptote oblique Δ\Delta à Cg\mathcal{C}_g et la position de Cg\mathcal{C}_g par rapport à Δ\Delta sur cet intervalle ?

Remarque

On a lim⁡x→+∞(g(x)−(2x+3))=lim⁡x→+∞−4x+1=0\lim_{x\to+\infty}(g(x) - (2x+3)) = \lim_{x\to+\infty}\frac{-4}{x+1} = 0, donc la droite Δ:y=2x+3\Delta : y = 2x + 3 est asymptote oblique. Pour x>−1x > -1, le reste −4x+1-\frac{4}{x+1} est strictement négatif, ce qui place Cg\mathcal{C}_g strictement au-dessous de Δ\Delta.

Rappel · 20

Pour tout nombre réel x<0x < 0, à quoi est égale l'expression x2\sqrt{x^2} ?

Remarque

Pour tout réel xx, on a x2=∣x∣\sqrt{x^2} = |x|. Lorsque x<0x < 0, la valeur absolue de xx est égale à son opposé : ∣x∣=−x|x| = -x.

Définition · 21

Propriété — Asymptotes obliques d'une fonction irrationnelle

Pour une fonction de la forme f(x)=x2+αx+βf(x) = \sqrt{x^2 + \alpha x + \beta}, les comportements asymptotiques aux deux infinis se dédoublent en raison de la racine carrée.

lim⁡x→+∞(f(x)−(x+α2))=0  ⟹  y=x+α2 est asymptote oblique en +∞\lim_{x \to +\infty} \left(f(x) - \left(x + \frac{\alpha}{2}\right)\right) = 0 \implies y = x + \frac{\alpha}{2} \text{ est asymptote oblique en } +\infty

lim⁡x→−∞(f(x)−(−x−α2))=0  ⟹  y=−x−α2 est asymptote oblique en −∞\lim_{x \to -\infty} \left(f(x) - \left(-x - \frac{\alpha}{2}\right)\right) = 0 \implies y = -x - \frac{\alpha}{2} \text{ est asymptote oblique en } -\infty

Remarque

La courbe Cf\mathcal{C}_f admet deux asymptotes obliques distinctes, dont les coefficients directeurs sont opposés (11 et −1-1).

Exemple travaillé · 22

Soit la fonction f(x)=x2+6x+8f(x) = \sqrt{x^2 + 6x + 8} définie sur [0 ; +∞[[0\,;\,+\infty[. Montrer que la droite Δ:y=x+3\Delta : y = x + 3 est une asymptote oblique à Cf\mathcal{C}_f au voisinage de +∞+\infty.

1

On forme la différence f(x)−(x+3)=x2+6x+8−(x+3)f(x) - (x + 3) = \sqrt{x^2 + 6x + 8} - (x + 3) qui engendre une forme indéterminée +∞−∞+\infty - \infty.

2

On multiplie et on divise par l'expression conjuguée (x2+6x+8+(x+3))(\sqrt{x^2 + 6x + 8} + (x + 3)) :

3
f(x)−(x+3)=(x2+6x+8)−(x+3)2x2+6x+8+x+3=x2+6x+8−(x2+6x+9)x2+6x+8+x+3=−1x2+6x+8+x+3f(x) - (x+3) = \frac{(x^2+6x+8) - (x+3)^2}{\sqrt{x^2+6x+8} + x + 3} = \frac{x^2+6x+8 - (x^2+6x+9)}{\sqrt{x^2+6x+8} + x + 3} = \frac{-1}{\sqrt{x^2+6x+8} + x + 3}
4

En +∞+\infty, le dénominateur est la somme de deux termes tendant vers +∞+\infty :

5
lim⁡x→+∞[f(x)−(x+3)]=lim⁡x→+∞−1x2+6x+8+x+3=0\lim_{x \to +\infty} [f(x) - (x+3)] = \lim_{x \to +\infty} \frac{-1}{\sqrt{x^2+6x+8} + x + 3} = 0
6

La limite de la différence étant nulle, la droite Δ:y=x+3\Delta : y = x + 3 est asymptote oblique à Cf\mathcal{C}_f au voisinage de +∞+\infty.

Exemple travaillé · 23

Pour la même fonction f(x)=x2+6x+8f(x) = \sqrt{x^2 + 6x + 8} sur ]−∞ ; −4]]-\infty\,;\,-4], montrer que la droite Δ′:y=−x−3\Delta' : y = -x - 3 est asymptote oblique à Cf\mathcal{C}_f au voisinage de −∞-\infty.

1

On étudie la différence f(x)−(−x−3)=x2+6x+8+(x+3)f(x) - (-x - 3) = \sqrt{x^2 + 6x + 8} + (x + 3).

2

Quand x→−∞x \to -\infty, on a x2+6x+8→+∞\sqrt{x^2+6x+8} \to +\infty et x+3→−∞x+3 \to -\infty. C'est une forme indéterminée +∞−∞+\infty - \infty. On applique la quantité conjuguée :

3
f(x)−(−x−3)=(x2+6x+8+(x+3))(x2+6x+8−(x+3))x2+6x+8−(x+3)=−1x2+6x+8−x−3f(x) - (-x-3) = \frac{(\sqrt{x^2+6x+8} + (x+3))(\sqrt{x^2+6x+8} - (x+3))}{\sqrt{x^2+6x+8} - (x+3)} = \frac{-1}{\sqrt{x^2+6x+8} - x - 3}
4

Quand x→−∞x \to -\infty, le terme −x−3-x - 3 tend vers +∞+\infty (car −x→+∞-x \to +\infty). Le dénominateur tend donc vers +∞+\infty par somme de deux termes positifs infinis :

5
lim⁡x→−∞[f(x)−(−x−3)]=lim⁡x→−∞−1x2+6x+8−x−3=0\lim_{x \to -\infty} [f(x) - (-x-3)] = \lim_{x \to -\infty} \frac{-1}{\sqrt{x^2+6x+8} - x - 3} = 0
6

La droite Δ′:y=−x−3\Delta' : y = -x - 3 est donc bien une asymptote oblique à Cf\mathcal{C}_f au voisinage de −∞-\infty.

Piège classique · 24

Une fonction est donnée par f(x)=x2−4x+5f(x) = \sqrt{x^2 - 4x + 5}. Sachant que la droite Δ:y=x−2\Delta : y = x - 2 est asymptote oblique à Cf\mathcal{C}_f en +∞+\infty, quelle est l'équation de l'asymptote oblique à Cf\mathcal{C}_f en −∞-\infty ?

Attention

Penser que l'asymptote oblique en −∞-\infty est identique à celle de +∞+\infty (y=x−2y = x - 2), par mimétisme avec les fractions rationnelles.

À la place : Pour une fonction racine, l'asymptote oblique en −∞-\infty a un coefficient directeur opposé car x2=−x\sqrt{x^2} = -x. L'équation de l'asymptote en −∞-\infty est y=−(x−2)=−x+2y = -(x - 2) = -x + 2.

Vérification · 25

Soit la fonction g(x)=4x2−4x+3g(x) = \sqrt{4x^2 - 4x + 3}. Quelle est l'équation de l'asymptote oblique à la courbe Cg\mathcal{C}_g au voisinage de −∞-\infty ?

Remarque

Sous forme canonique, 4x2−4x+3=(2x−1)2+24x^2 - 4x + 3 = (2x-1)^2 + 2. En −∞-\infty, (2x−1)2=∣2x−1∣=−(2x−1)=−2x+1\sqrt{(2x-1)^2} = |2x-1| = -(2x-1) = -2x+1. L'asymptote oblique en −∞-\infty a donc pour équation y=−2x+1y = -2x + 1.

Point de départ · 26

On considère la fonction f(x)=x22+1xf(x) = \frac{x^2}{2} + \frac{1}{x} définie sur ]0 ; +∞[]0\,;\,+\infty[. Lorsque xx grandit indéfiniment (x→+∞x \to +\infty), le terme 1x\frac{1}{x} tend vers 00. De quelle courbe la courbe Cf\mathcal{C}_f se rapproche-t-elle indéfiniment ?

Remarque

L'écart vertical entre la courbe Cf\mathcal{C}_f et la parabole d'équation y=x22y = \frac{x^2}{2} s'annule à l'infini : cette parabole est une courbe asymptote.

Définition · 27

Définition — Courbe asymptote

Soit ff et gg deux fonctions numériques, et soient Cf\mathcal{C}_f et Cg\mathcal{C}_g leurs courbes représentatives respectives.

lim⁡x→+∞(f(x)−g(x))=0  ⟺  Cg est une courbe asymptote aˋ Cf au voisinage de +∞\lim_{x \to +\infty} (f(x) - g(x)) = 0 \iff \mathcal{C}_g \text{ est une courbe asymptote à } \mathcal{C}_f \text{ au voisinage de } +\infty

lim⁡x→−∞(f(x)−g(x))=0  ⟺  Cg est une courbe asymptote aˋ Cf au voisinage de −∞\lim_{x \to -\infty} (f(x) - g(x)) = 0 \iff \mathcal{C}_g \text{ est une courbe asymptote à } \mathcal{C}_f \text{ au voisinage de } -\infty

La position relative de Cf\mathcal{C}_f par rapport à Cg\mathcal{C}_g est donnée par le signe de la différence f(x)−g(x)f(x) - g(x).

Exemple travaillé · 28

Soit la fonction f(x)=x22+1xf(x) = \frac{x^2}{2} + \frac{1}{x} sur R∗\mathbb{R}^*.
1. Montrer que la parabole P:y=x22\mathcal{P} : y = \frac{x^2}{2} est une courbe asymptote à Cf\mathcal{C}_f en +∞+\infty et −∞-\infty.
2. Étudier la position relative de Cf\mathcal{C}_f par rapport à P\mathcal{P}.

1

On calcule la différence entre l'expression de f(x)f(x) et celle de la parabole P\mathcal{P} :

2
f(x)−x22=x22+1x−x22=1xf(x) - \frac{x^2}{2} = \frac{x^2}{2} + \frac{1}{x} - \frac{x^2}{2} = \frac{1}{x}
3

On évalue les limites de cette différence aux voisinages de +∞+\infty et −∞-\infty :

4
lim⁡x→+∞1x=0etlim⁡x→−∞1x=0\lim_{x \to +\infty} \frac{1}{x} = 0 \quad \text{et} \quad \lim_{x \to -\infty} \frac{1}{x} = 0
5

La limite étant nulle, la parabole P:y=x22\mathcal{P} : y = \frac{x^2}{2} est bien asymptote à Cf\mathcal{C}_f en +∞+\infty et −∞-\infty.

6

Pour la position relative, on étudie le signe de 1x\frac{1}{x} :
- Sur ]0 ; +∞[]0\,;\,+\infty[, 1x>0\frac{1}{x} > 0, donc Cf\mathcal{C}_f est strictement au-dessus de P\mathcal{P}.
- Sur ]−∞ ; 0[]-\infty\,;\,0[, 1x<0\frac{1}{x} < 0, donc Cf\mathcal{C}_f est strictement au-dessous de P\mathcal{P}.

Piège classique · 29

Soit f(x)=x2+3x+1+5x−1f(x) = x^2 + 3x + 1 + \frac{5}{x-1}. Un élève cherche une asymptote oblique de la forme y=ax+by = ax + b en +∞+\infty. Quelle erreur commet-il ?

Attention

Croire qu'une asymptote en l'infini est nécessairement une droite affine y=ax+by = ax + b.

À la place : Ici, le terme dominant est quadratique (x2x^2). Puisque f(x)−(x2+3x+1)=5x−1→0f(x) - (x^2 + 3x + 1) = \frac{5}{x-1} \to 0 en +∞+\infty, l'asymptote n'est pas une droite mais la parabole d'équation y=x2+3x+1y = x^2 + 3x + 1.

Vérification · 30

Soit la fonction h(x)=2x2−x+3x2+1h(x) = 2x^2 - x + \frac{3}{x^2 + 1} définie sur R\mathbb{R}. Quelle est la courbe asymptote C′\mathcal{C}' à Ch\mathcal{C}_h en ±∞\pm\infty et quelle est la position de Ch\mathcal{C}_h par rapport à C′\mathcal{C}' ?

Remarque

On a h(x)−(2x2−x)=3x2+1h(x) - (2x^2 - x) = \frac{3}{x^2 + 1}. Comme lim⁡x→±∞3x2+1=0\lim_{x\to\pm\infty} \frac{3}{x^2 + 1} = 0, la parabole d'équation y=2x2−xy = 2x^2 - x est courbe asymptote. De plus, 3x2+1>0\frac{3}{x^2 + 1} > 0 pour tout réel xx, donc Ch\mathcal{C}_h est strictement au-dessus de sa parabole asymptote sur R\mathbb{R}.

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