On considère la fonction f:x↦x2+1. Lorsque x se rapproche de 2, vers quelle valeur f(x) se rapproche-t-elle ? Que vaut f(2) ?
Si on évalue l'image directe, on obtient f(2)=22+1=5. Pour des valeurs de x très proches de 2 (comme 1,99 ou 2,01), f(x) est très proche de 5 : la limite coïncide avec la valeur de la fonction.
Définition · 2
Définition de la continuité en un point
f est une fonction deˊfinie sur un intervalle ouvert I et a∈I
f est continue en a⟺x→alimf(x)=f(a)
Pour déterminer la limite d'une fonction usuelle (polynôme, rationnelle, racine carrée) en un point où elle est définie et continue, il suffit de calculer l'image f(a) par substitution directe.
Exemple travaillé · 3
Déterminer la limite de la fonction f en a=2, avec f(x)=2x3−4x+1.
1
La fonction f est une fonction polynôme, donc elle est continue sur R, en particulier en a=2.
2
D'après le théorème de continuité, la limite en 2 est égale à l'image f(2) :
3
x→2lim(2x3−4x+1)=f(2)=2(2)3−4(2)+1
4
x→2limf(x)=16−8+1=9
Exemple travaillé · 4
Déterminer la limite de la fonction rationnelle g en a=−2, avec g(x)=x−1x2+5x.
1
Le dénominateur s'annule en x=1. L'ensemble de définition est Dg=R∖{1}.
2
Puisque −2=1, la fonction g est définie et continue en a=−2.
3
x→−2limx−1x2+5x=g(−2)=−2−1(−2)2+5(−2)
4
x→−2limg(x)=−34−10=−3−6=2
Piège classique · 5
On souhaite déterminer limx→−1x2−31−2x. Quelle démarche doit-on adopter ?
Attention
Découper systématiquement en limites à gauche et à droite dès qu'une valeur absolue apparaît.
À la place : En x=−1, le dénominateur vaut (−1)2−3=−2=0. L'expression est bien définie et continue en −1, donc on substitue directement : (−1)2−31−2(−1)=−23=23.
Vérification · 6
Quelle est la valeur de limx→1x2−2x+3 ?
Remarque
Pour x=1, le trinôme sous le radical vaut 12−2(1)+3=2>0. La fonction est continue en 1, donc la limite est 2.
Point de départ · 7
On considère la fonction définie pour tout x=0 par f(x)=x∣x∣. Si x approche 0 par des valeurs positives (x>0), que vaut f(x) ? Et si x approche 0 par des valeurs négatives (x<0) ?
Pour x>0, ∣x∣=x donc f(x)=1. Pour x<0, ∣x∣=−x donc f(x)=−1. Le comportement de la fonction change selon la direction d'approche : cela nécessite d'introduire les limites à droite et à gauche.
Définition · 8
Limites latérales et existence de la limite finie
f est deˊfinie sur un intervalle ouvert I sauf peut-eˆtre en a∈I
x→alimf(x)=L⟺x→a+limf(x)=x→a−limf(x)=L
Une fonction admet une limite finie L en a si et seulement si ses limites à droite et à gauche en a existent, sont finies et égales à L.
Définition · 9
Continuité à droite et à gauche
f est deˊfinie sur un intervalle I et a∈I
f est continue aˋ droite en a⟺x→a+limf(x)=f(a)
f est continue aˋ gauche en a⟺x→a−limf(x)=f(a)
f est continue en a⟺x→a+limf(x)=x→a−limf(x)=f(a)
Exemple travaillé · 10
Soit la fonction f définie sur R par : f(x)={x3−2x+2si x≥2si x<2 Étudier la continuité de f en 2.
1
Calculons la valeur de f(2) et la limite à droite en 2 à l'aide de la branche x≥2 :
2
f(2)=23−2=6etx→2+limf(x)=6
3
Calculons la limite à gauche en 2 à l'aide de la branche x<2 :
4
x→2−limf(x)=x→2−limx+2=2+2=2
5
Puisque limx→2−f(x)=f(2), f n'est pas continue à gauche en 2. Comme les limites latérales sont distinctes (6=2), f n'admet pas de limite en 2 et n'est pas continue en 2.
Piège classique · 11
On considère la fonction f définie sur R∖{−31} par f(x)=3x+1(3x+1)2. Que vaut limx→(−31)−f(x) ?
Attention
Remplacer (3x+1)2 par (3x+1) sans tenir compte du signe, ce qui donnerait une limite égale à 1.
À la place : On a (3x+1)2=∣3x+1∣. Quand x<−31, on a 3x+1<0, donc ∣3x+1∣=−(3x+1). Ainsi f(x)=3x+1−(3x+1)=−1, d'où une limite égale à −1.
Exemple travaillé · 12
Étudier la limite en 3 de la fonction f définie par f(x)=∣x−3∣x2−9.
Puisque limx→3+f(x)=limx→3−f(x), la fonction f n'admet pas de limite en 3.
Vérification · 13
Soit la fonction g définie sur R par : g(x)={2x+1x−1si x≥1si x<1 La fonction g admet-elle une limite en 1 ?
Remarque
On a limx→1+g(x)=2(1)+1=3 et limx→1−g(x)=1−1=0. Comme les limites latérales sont différentes (3=0), g n'admet pas de limite en 1.
Point de départ · 14
On considère la fonction f définie pour tout réel x=1 par f(x)=x−1x2−1. Peut-on calculer f(1) ? Que se passe-t-il lorsque x devient très proche de 1 sans lui être égal ?
Pour x=1, le dénominateur s'annule et l'expression donne la forme 00 : la fonction f n'est pas définie en 1. En revanche, pour tout x=1, on a x2−1=(x−1)(x+1), ce qui permet de simplifier par (x−1) et d'écrire f(x)=x+1. Lorsque x tend vers 1, f(x) tend vers 2 : le « trou » dans la courbe peut être comblé.
Définition · 15
Prolongement par continuité
f est une fonction deˊfinie sur un intervalle ouvert I sauf en un reˊel a∈I
Si x→alimf(x)=L avec L∈R, alors f est prolongeable par continuiteˊ en a.
Le prolongement par continuité de f en a est la fonction F définie sur I par :
F(x)={f(x)Lsi x=asi x=a
La fonction F est alors continue en a.
Exemple travaillé · 16
Soit la fonction f définie sur R∖{2} par f(x)=x−2x3−8. Montrer que f est prolongeable par continuité en 2 et donner l'expression de son prolongement F.
1
L'évaluation directe en x=2 donne la forme indéterminée 00.
2
On factorise le numérateur à l'aide de l'identité remarquable a3−b3=(a−b)(a2+ab+b2) :
3
x3−8=x3−23=(x−2)(x2+2x+4)
4
Pour tout x=2, on simplifie par (x−2) :
5
f(x)=x−2(x−2)(x2+2x+4)=x2+2x+4
6
La fonction polynôme x↦x2+2x+4 est continue sur R, donc on calcule la limite par substitution directe :
7
x→2limf(x)=22+2(2)+4=12
8
La limite étant un nombre réel fini, f est prolongeable par continuité en 2. Son prolongement F est défini sur R par F(x)=f(x) pour x=2 et F(2)=12.
Exemple travaillé · 17
Déterminer la limite en 2 de la fonction g définie sur [−25;2[∪]2;+∞[ par g(x)=x−22x+5−3, puis préciser si g admet un prolongement par continuité en 2.
1
En remplaçant x par 2, on obtient 2−29−3=00 (forme indéterminée).
2
On multiplie le numérateur et le dénominateur par l'expression conjuguée (2x+5+3) :
On évalue la limite par substitution dans l'expression simplifiée :
8
x→2limg(x)=2(2)+5+32=9+32=62=31
9
Puisque la limite est finie, g admet un prolongement par continuité G en 2 défini par G(x)=g(x) pour x=2 et G(2)=31.
Piège classique · 18
Soit la fonction f définie sur R∖{1} par f(x)=x−1x2−6x+5. Après calcul, on trouve limx→1f(x)=−4. Quelle conclusion est mathématiquement correcte ?
Attention
Dire que la fonction f est continue en 1 parce que sa limite en 1 existe et est finie.
À la place : Pour être continue en 1, une fonction doit d'abord être définie en 1. La fonction f n'est pas définie en 1 (1∈/Df) : elle n'est donc pas continue en 1, mais elle est prolongeable par continuité en 1 par une nouvelle fonction F telle que F(1)=−4.
Vérification · 19
On considère la fonction h définie sur [−1;0[∪]0;+∞[ par h(x)=xx+1−1. Pour quelle valeur de L la fonction H définie par H(x)=h(x) si x=0 et H(0)=L est-elle continue en 0 ?
Remarque
En multipliant par l'expression conjuguée x+1+1, on obtient pour tout x=0 : h(x)=x(x+1+1)(x+1)−1=x+1+11 La limite en 0 vaut limx→0h(x)=0+1+11=21. Pour que H soit continue en 0, il faut poser H(0)=limx→0h(x), c'est-à-dire L=21.
Point de départ · 20
On considère la fonction f définie sur R par : f(x)={x+12x+asi x≤2si x>2 Quelle valeur doit prendre le réel a pour que les deux morceaux se rejoignent exactement en x=2 sans rupture ?
Pour que la courbe se raccorde sans saut en 2, il faut que la limite à droite en 2 soit égale à la valeur f(2)=2+1=3. Comme limx→2+(2x+a)=4+a, on doit avoir 4+a=3, soit a=−1.
Définition · 21
Continuité paramétrée en un point de raccordement
f est une fonction deˊfinie au voisinage de x0 dont l’expression deˊpend d’un parameˋtre a∈R
f est continue en x0⟺x→x0+limf(x)=x→x0−limf(x)=f(x0)
Pour déterminer un paramètre assurant la continuité en x0, on calcule séparément les limites latérales et la valeur f(x0), puis on résout l'équation qui impose leur égalité.
Exemple travaillé · 22
Soit a un réel et soit la fonction f définie sur [−2;+∞[ par : f(x)={x+1x+2−1asi x=−1si x=−1 Déterminer la valeur de a pour que f soit continue en −1.
1
La fonction f est continue en −1 si et seulement si limx→−1f(x)=f(−1)=a.
2
En substituant x par −1, on obtient la forme indéterminée 00. On multiplie par l'expression conjuguée (x+2+1) :
Pour x≤1, l'image et la limite à gauche s'obtiennent par substitution dans la branche affine :
4
g(1)=x→1−limg(x)=m(1)+3=m+3
5
Pour que g soit continue en 1, on impose l'égalité des limites latérales avec l'image :
6
m+3=−1⟺m=−4
7
La fonction g est continue en 1 si et seulement si m=−4.
Piège classique · 24
Soit la fonction f définie sur R par : f(x)=⎩⎨⎧x−13x2−2x−1x−1−x2−2x+3αsi x>1si x<1si x=1 Existe-t-il une valeur du réel α pour laquelle f est continue en 1 ?
Attention
Calculer la limite d'un seul côté (par exemple limx→1+f(x)=4) et poser immédiatement α=4 sans contrôler la limite à gauche.
À la place : Pour x>1, on simplifie par (x−1) et on trouve limx→1+(3x+1)=4. Pour x<1, on factorise −x2−2x+3=−(x−1)(x+3), d'où limx→1−−(x+3)=−4. Comme limx→1+f(x)=limx→1−f(x), f n'admet pas de limite en 1 : aucune valeur de α ne peut rendre f continue en 1.
Vérification · 25
On considère la fonction h définie sur R par : h(x)={x−2x2−4ksi x=2si x=2 Quelle valeur de k rend la fonction h continue en 2 ?
Remarque
Pour tout x=2, x−2x2−4=x−2(x−2)(x+2)=x+2. La limite en 2 est limx→2(x+2)=4. On doit donc poser k=4 pour que h(2)=limx→2h(x).