Quelle est la limite au voisinage de +∞ de la fonction rationnelle f(x)=2x2+54x2−3x+1 ?
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 : limx→+∞2x24x2=2.
Point de départ · 2
Lorsque la variable x grandit indéfiniment vers +∞, les valeurs de f(x) se rapprochent sans cesse de 2. Géométriquement, de quelle droite la courbe représentative Cf se rapproche-t-elle ?
Remarque
La distance verticale entre le point de la courbe M(x,f(x)) et la droite horizontale y=2 devient arbitrairement petite quand x tend vers +∞.
Définition · 3
Définition — Asymptote horizontale
Soit f une fonction numérique et Cf sa courbe représentative dans un repère orthogonal.
x→+∞limf(x)=L⟺la droite y=L est asymptote horizontale aˋCf au voisinage de +∞
x→−∞limf(x)=L⟺la droite y=L est asymptote horizontale aˋCf au voisinage de −∞
Remarque
Le réel L est une constante finie. Une fonction peut posséder une asymptote horizontale en +∞ et une asymptote différente (ou aucune) en −∞.
Exemple travaillé · 4
Calculer la limite de la fonction f(x)=x2+43x2−x+1 en −∞, puis en donner une interprétation géométrique.
1
La fonction f est une fraction rationnelle. En −∞, sa limite est égale à celle du rapport de ses termes de plus haut degré :
2
x→−∞limf(x)=x→−∞limx23x2=3
3
La limite obtenue est un réel fini constant L=3.
4
On en déduit que la droite d'équation y=3 est une asymptote horizontale à la courbe Cf au voisinage de −∞.
Exemple travaillé · 5
Soit la fonction f définie sur [0;+∞[ par f(x)=x+4−x. Montrer que la courbe de f admet une asymptote horizontale en +∞ dont on précisera l'équation.
1
L'évaluation directe en +∞ conduit à une forme indéterminée +∞−∞. On multiplie et on divise par l'expression conjuguée :
Au dénominateur, limx→+∞(x+4+x)=+∞. Par quotient d'une constante par une limite infinie :
4
x→+∞limf(x)=x→+∞limx+4+x4=0
5
La limite étant le réel fini 0, la droite d'équation y=0 (l'axe des abscisses) est une asymptote horizontale à la courbe au voisinage de +∞.
Piège classique · 6
Une fonction f vérifie limx→+∞f(x)=−5. Quelle est l'équation de l'asymptote horizontale à sa courbe Cf ?
Attention
Écrire x=−5 en confondant l'asymptote horizontale avec une droite verticale.
À la place : Une droite horizontale a pour équation y=L. Ici, comme la limite en +∞ vaut −5, l'équation de l'asymptote horizontale est y=−5.
Vérification · 7
Soit la fonction g définie sur R∖{−23} par g(x)=2x+31−6x. Quelle droite est asymptote horizontale à la courbe Cg aux voisinages de +∞ et −∞ ?
Remarque
Par la règle des termes de plus haut degré, limx→±∞g(x)=limx→±∞2x−6x=−3. La droite d'équation y=−3 est donc asymptote horizontale en +∞ et −∞.
Point de départ · 8
Lorsque x s'approche de 2 par valeurs supérieures (x>2), les valeurs de f(x) deviennent infiniment grandes (+∞). Vers quelle droite la courbe se rapproche-t-elle indéfiniment ?
Remarque
La courbe longe verticalement la droite fixe d'équation x=2 : c'est une asymptote verticale.
Définition · 9
Définition — Asymptote verticale
Soit f une fonction définie sur un intervalle ouvert I, sauf éventuellement en un réel a∈I, et Cf sa courbe représentative.
x→a+limf(x)=±∞oux→a−limf(x)=±∞
Si l'une au moins de ces limites latérales est infinie, la droite d'équation x=a est une asymptote verticale à la courbe Cf.
Remarque
Il suffit qu'un seul des deux côtés tende vers l'infini pour que la droite x=a soit asymptote verticale.
Exemple travaillé · 10
Soit f(x)=x−3x+1. Étudier les limites de f en 3 à gauche et à droite, puis en déduire l'asymptote verticale à Cf.
1
On évalue le numérateur en 3 : limx→3(x+1)=4=0. Le dénominateur x−3 s'annule en changeant de signe.
2
Pour x<3, on a x−3<0, donc le dénominateur tend vers 0− :
3
x→3−limf(x)=0−4=−∞
4
Pour x>3, on a x−3>0, donc le dénominateur tend vers 0+ :
5
x→3+limf(x)=0+4=+∞
6
Les limites latérales étant infinies, la droite d'équation x=3 est une asymptote verticale à Cf.
Exemple travaillé · 11
Soit f(x)=(2x−1)2x−6. Déterminer la limite de f en 21 et préciser l'asymptote à sa courbe Cf.
1
Le numérateur tend vers 21−6=−211<0.
2
Le dénominateur est un carré non nul sur R∖{21} : pour tout x=21, (2x−1)2>0.
3
x→21lim(2x−1)2=0+
4
Le signe de 0+ étant garanti des deux côtés, il est inutile de séparer gauche et droite :
5
x→21limf(x)=0+−211=−∞
6
La droite d'équation x=21 est une asymptote verticale commune à gauche et à droite.
Piège classique · 12
Soit f(x)=x−1x2−1 définie sur R∖{1}. La courbe de f admet-elle la droite x=1 comme asymptote verticale ?
Attention
Déclarer immédiatement que x=1 est une asymptote verticale sous prétexte que 1 est une valeur interdite.
À la place : Pour x=1, f(x)=x−1(x−1)(x+1)=x+1. Donc limx→1f(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)=(x+4)22−x définie sur R∖{−4}. Quelle est la limite de h en −4 et quelle en est la conséquence géométrique ?
Remarque
En −4, le numérateur tend vers 2−(−4)=6>0 et le dénominateur vers 0+ (car (x+4)2>0). Donc limx→−4h(x)=0+6=+∞. La droite x=−4 est asymptote verticale à Ch.
Point de départ · 14
Pour la fonction f(x)=x−1+x−12, lorsque x devient très grand (x→+∞), le terme x−12 tend vers 0. De quelle droite la courbe Cf se rapproche-t-elle indéfiniment ?
Remarque
L'écart vertical entre la courbe et la droite affine d'équation y=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 f une fonction numérique et Cf sa courbe représentative dans un repère orthogonal.
x→+∞lim(f(x)−(ax+b))=0⟺y=ax+b est asymptote oblique aˋCf en +∞
x→−∞lim(f(x)−(ax+b))=0⟺y=ax+b est asymptote oblique aˋCf en −∞
Position relative de la courbe par rapport à l'asymptote Δ:y=ax+b :
f(x)−(ax+b)>0⟹Cf est strictement au-dessus de Δ
f(x)−(ax+b)<0⟹Cf est strictement au-dessous de Δ
Exemple travaillé · 16
Soit f(x)=x−2x2−3x+6=x−1+x−24 sur R∖{2}. 1. Montrer que la droite Δ:y=x−1 est asymptote oblique à Cf en +∞ et −∞. 2. Étudier la position relative de Cf par rapport à Δ.
1
On forme la différence entre l'expression de f(x) et l'équation de la droite Δ :
2
f(x)−(x−1)=x−1+x−24−(x−1)=x−24
3
On calcule la limite de cette différence aux voisinages de +∞ et −∞ :
4
x→+∞limx−24=0etx→−∞limx−24=0
5
La limite étant nulle, la droite Δ:y=x−1 est asymptote oblique à Cf en +∞ et en −∞.
6
Pour la position relative, on étudie le signe de la différence x−24 : - Sur ]2;+∞[, x−2>0⟹f(x)−(x−1)>0 : Cf est au-dessus de Δ. - Sur ]−∞;2[, x−2<0⟹f(x)−(x−1)<0 : Cf est au-dessous de Δ.
Exemple travaillé · 17
Soit f(x)=x+2x2+3x+4 définie sur R∖{−2}. 1. Déterminer les réels a,b,c tels que f(x)=ax+b+x+2c. 2. En déduire une équation de l'asymptote oblique Δ à Cf en ±∞.
1
On réduit au même dénominateur l'expression cible :
Par identification terme à terme avec x2+3x+4, on établit le système :
4
⎩⎨⎧a=12a+b=32b+c=4⟹⎩⎨⎧a=1b=3−2(1)=1c=4−2(1)=2
5
On obtient l'écriture décomposée : f(x)=x+1+x+22.
6
Comme limx→±∞[f(x)−(x+1)]=limx→±∞x+22=0, la droite Δ d'équation y=x+1 est asymptote oblique à Cf en +∞ et −∞.
Piège classique · 18
Soit f une fonction telle que f(x)−(2x−1)=x+1−3 pour x>−1. Quelle est la position de la courbe Cf par rapport à son asymptote oblique Δ:y=2x−1 sur l'intervalle ]−1;+∞[ ?
Attention
Affirmer que Cf est au-dessus de Δ au motif que la pente de l'asymptote est positive (2>0) ou que les valeurs de f(x) tendent vers +∞.
À la place : Seul le signe algébrique de la différence f(x)−yΔ détermine la position. Pour x>−1, x+1>0, donc x+1−3<0. La différence étant strictement négative, la courbe Cf est strictement au-dessous de Δ.
Vérification · 19
Soit g(x)=x+12x2+5x−1=2x+3−x+14 sur ]−1;+∞[. Quelle est l'équation de l'asymptote oblique Δ à Cg et la position de Cg par rapport à Δ sur cet intervalle ?
Remarque
On a limx→+∞(g(x)−(2x+3))=limx→+∞x+1−4=0, donc la droite Δ:y=2x+3 est asymptote oblique. Pour x>−1, le reste −x+14 est strictement négatif, ce qui place Cg strictement au-dessous de Δ.
Rappel · 20
Pour tout nombre réel x<0, à quoi est égale l'expression x2 ?
Remarque
Pour tout réel x, on a x2=∣x∣. Lorsque x<0, la valeur absolue de x est égale à son opposé : ∣x∣=−x.
Définition · 21
Propriété — Asymptotes obliques d'une fonction irrationnelle
Pour une fonction de la forme f(x)=x2+αx+β, les comportements asymptotiques aux deux infinis se dédoublent en raison de la racine carrée.
x→+∞lim(f(x)−(x+2α))=0⟹y=x+2α est asymptote oblique en +∞
x→−∞lim(f(x)−(−x−2α))=0⟹y=−x−2α est asymptote oblique en −∞
Remarque
La courbe Cf admet deux asymptotes obliques distinctes, dont les coefficients directeurs sont opposés (1 et −1).
Exemple travaillé · 22
Soit la fonction f(x)=x2+6x+8 définie sur [0;+∞[. Montrer que la droite Δ:y=x+3 est une asymptote oblique à Cf au voisinage de +∞.
1
On forme la différence f(x)−(x+3)=x2+6x+8−(x+3) qui engendre une forme indéterminée +∞−∞.
2
On multiplie et on divise par l'expression conjuguée (x2+6x+8+(x+3)) :
Quand x→−∞, le terme −x−3 tend vers +∞ (car −x→+∞). Le dénominateur tend donc vers +∞ par somme de deux termes positifs infinis :
5
x→−∞lim[f(x)−(−x−3)]=x→−∞limx2+6x+8−x−3−1=0
6
La droite Δ′:y=−x−3 est donc bien une asymptote oblique à Cf au voisinage de −∞.
Piège classique · 24
Une fonction est donnée par f(x)=x2−4x+5. Sachant que la droite Δ:y=x−2 est asymptote oblique à Cf en +∞, quelle est l'équation de l'asymptote oblique à Cf en −∞ ?
Attention
Penser que l'asymptote oblique en −∞ est identique à celle de +∞ (y=x−2), par mimétisme avec les fractions rationnelles.
À la place : Pour une fonction racine, l'asymptote oblique en −∞ a un coefficient directeur opposé car x2=−x. L'équation de l'asymptote en −∞ est y=−(x−2)=−x+2.
Vérification · 25
Soit la fonction g(x)=4x2−4x+3. Quelle est l'équation de l'asymptote oblique à la courbe Cg au voisinage de −∞ ?
Remarque
Sous forme canonique, 4x2−4x+3=(2x−1)2+2. En −∞, (2x−1)2=∣2x−1∣=−(2x−1)=−2x+1. L'asymptote oblique en −∞ a donc pour équation y=−2x+1.
Point de départ · 26
On considère la fonction f(x)=2x2+x1 définie sur ]0;+∞[. Lorsque x grandit indéfiniment (x→+∞), le terme x1 tend vers 0. De quelle courbe la courbe Cf se rapproche-t-elle indéfiniment ?
Remarque
L'écart vertical entre la courbe Cf et la parabole d'équation y=2x2 s'annule à l'infini : cette parabole est une courbe asymptote.
Définition · 27
Définition — Courbe asymptote
Soit f et g deux fonctions numériques, et soient Cf et Cg leurs courbes représentatives respectives.
x→+∞lim(f(x)−g(x))=0⟺Cg est une courbe asymptote aˋCf au voisinage de +∞
x→−∞lim(f(x)−g(x))=0⟺Cg est une courbe asymptote aˋCf au voisinage de −∞
La position relative de Cf par rapport à Cg est donnée par le signe de la différence f(x)−g(x).
Exemple travaillé · 28
Soit la fonction f(x)=2x2+x1 sur R∗. 1. Montrer que la parabole P:y=2x2 est une courbe asymptote à Cf en +∞ et −∞. 2. Étudier la position relative de Cf par rapport à P.
1
On calcule la différence entre l'expression de f(x) et celle de la parabole P :
2
f(x)−2x2=2x2+x1−2x2=x1
3
On évalue les limites de cette différence aux voisinages de +∞ et −∞ :
4
x→+∞limx1=0etx→−∞limx1=0
5
La limite étant nulle, la parabole P:y=2x2 est bien asymptote à Cf en +∞ et −∞.
6
Pour la position relative, on étudie le signe de x1 : - Sur ]0;+∞[, x1>0, donc Cf est strictement au-dessus de P. - Sur ]−∞;0[, x1<0, donc Cf est strictement au-dessous de P.
Piège classique · 29
Soit f(x)=x2+3x+1+x−15. Un élève cherche une asymptote oblique de la forme y=ax+b en +∞. Quelle erreur commet-il ?
Attention
Croire qu'une asymptote en l'infini est nécessairement une droite affine y=ax+b.
À la place : Ici, le terme dominant est quadratique (x2). Puisque f(x)−(x2+3x+1)=x−15→0 en +∞, l'asymptote n'est pas une droite mais la parabole d'équation y=x2+3x+1.
Vérification · 30
Soit la fonction h(x)=2x2−x+x2+13 définie sur R. Quelle est la courbe asymptote C′ à Ch en ±∞ et quelle est la position de Ch par rapport à C′ ?
Remarque
On a h(x)−(2x2−x)=x2+13. Comme limx→±∞x2+13=0, la parabole d'équation y=2x2−x est courbe asymptote. De plus, x2+13>0 pour tout réel x, donc Ch est strictement au-dessus de sa parabole asymptote sur R.