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Limites et Continuité — cours

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

Le cours

Point de départ · 1

On considère la fonction f:xx2+1f : x \mapsto x^2 + 1. Lorsque xx se rapproche de 22, vers quelle valeur f(x)f(x) se rapproche-t-elle ? Que vaut f(2)f(2) ?

Si on évalue l'image directe, on obtient f(2)=22+1=5f(2) = 2^2 + 1 = 5. Pour des valeurs de xx très proches de 22 (comme 1,991{,}99 ou 2,012{,}01), f(x)f(x) est très proche de 55 : 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 aIf \text{ est une fonction définie sur un intervalle ouvert } I \text{ et } a \in I

f est continue en a    limxaf(x)=f(a)f \text{ est continue en } a \iff \lim_{x \to a} f(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)f(a) par substitution directe.

Exemple travaillé · 3

Déterminer la limite de la fonction ff en a=2a = 2, avec f(x)=2x34x+1f(x) = 2x^3 - 4x + 1.

1

La fonction ff est une fonction polynôme, donc elle est continue sur R\mathbb{R}, en particulier en a=2a = 2.

2

D'après le théorème de continuité, la limite en 22 est égale à l'image f(2)f(2) :

3
limx2(2x34x+1)=f(2)=2(2)34(2)+1\lim_{x \to 2} (2x^3 - 4x + 1) = f(2) = 2(2)^3 - 4(2) + 1
4
limx2f(x)=168+1=9\lim_{x \to 2} f(x) = 16 - 8 + 1 = 9

Exemple travaillé · 4

Déterminer la limite de la fonction rationnelle gg en a=2a = -2, avec g(x)=x2+5xx1g(x) = \frac{x^2 + 5x}{x - 1}.

1

Le dénominateur s'annule en x=1x = 1. L'ensemble de définition est Dg=R{1}D_g = \mathbb{R} \setminus \{1\}.

2

Puisque 21-2 \neq 1, la fonction gg est définie et continue en a=2a = -2.

3
limx2x2+5xx1=g(2)=(2)2+5(2)21\lim_{x \to -2} \frac{x^2 + 5x}{x - 1} = g(-2) = \frac{(-2)^2 + 5(-2)}{-2 - 1}
4
limx2g(x)=4103=63=2\lim_{x \to -2} g(x) = \frac{4 - 10}{-3} = \frac{-6}{-3} = 2

Piège classique · 5

On souhaite déterminer limx112xx23\lim_{x \to -1} \left|\frac{1 - 2x}{x^2 - 3}\right|. 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=1x = -1, le dénominateur vaut (1)23=20(-1)^2 - 3 = -2 \neq 0. L'expression est bien définie et continue en 1-1, donc on substitue directement : 12(1)(1)23=32=32\left|\frac{1 - 2(-1)}{(-1)^2 - 3}\right| = \left|\frac{3}{-2}\right| = \frac{3}{2}.

Vérification · 6

Quelle est la valeur de limx1x22x+3\lim_{x \to 1} \sqrt{x^2 - 2x + 3} ?

Remarque

Pour x=1x = 1, le trinôme sous le radical vaut 122(1)+3=2>01^2 - 2(1) + 3 = 2 > 0. La fonction est continue en 11, donc la limite est 2\sqrt{2}.

Point de départ · 7

On considère la fonction définie pour tout x0x \neq 0 par f(x)=xxf(x) = \frac{|x|}{x}. Si xx approche 00 par des valeurs positives (x>0x > 0), que vaut f(x)f(x) ? Et si xx approche 00 par des valeurs négatives (x<0x < 0) ?

Pour x>0x > 0, x=x|x| = x donc f(x)=1f(x) = 1. Pour x<0x < 0, x=x|x| = -x donc f(x)=1f(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 aIf \text{ est définie sur un intervalle ouvert } I \text{ sauf peut-être en } a \in I

limxaf(x)=L    limxa+f(x)=limxaf(x)=L\lim_{x \to a} f(x) = L \iff \lim_{x \to a^+} f(x) = \lim_{x \to a^-} f(x) = L

Une fonction admet une limite finie LL en aa si et seulement si ses limites à droite et à gauche en aa existent, sont finies et égales à LL.

Définition · 9

Continuité à droite et à gauche

f est deˊfinie sur un intervalle I et aIf \text{ est définie sur un intervalle } I \text{ et } a \in I

f est continue aˋ droite en a    limxa+f(x)=f(a)f \text{ est continue à droite en } a \iff \lim_{x \to a^+} f(x) = f(a)

f est continue aˋ gauche en a    limxaf(x)=f(a)f \text{ est continue à gauche en } a \iff \lim_{x \to a^-} f(x) = f(a)

f est continue en a    limxa+f(x)=limxaf(x)=f(a)f \text{ est continue en } a \iff \lim_{x \to a^+} f(x) = \lim_{x \to a^-} f(x) = f(a)

Exemple travaillé · 10

Soit la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par :
f(x)={x32si x2x+2si x<2f(x) = \begin{cases} x^3 - 2 & \text{si } x \ge 2 \\ \sqrt{x+2} & \text{si } x < 2 \end{cases}
Étudier la continuité de ff en 22.

1

Calculons la valeur de f(2)f(2) et la limite à droite en 22 à l'aide de la branche x2x \ge 2 :

2
f(2)=232=6etlimx2+f(x)=6f(2) = 2^3 - 2 = 6 \quad \text{et} \quad \lim_{x \to 2^+} f(x) = 6
3

Calculons la limite à gauche en 22 à l'aide de la branche x<2x < 2 :

4
limx2f(x)=limx2x+2=2+2=2\lim_{x \to 2^-} f(x) = \lim_{x \to 2^-} \sqrt{x+2} = \sqrt{2+2} = 2
5

Puisque limx2f(x)f(2)\lim_{x \to 2^-} f(x) \neq f(2), ff n'est pas continue à gauche en 22. Comme les limites latérales sont distinctes (626 \neq 2), ff n'admet pas de limite en 22 et n'est pas continue en 22.

Piège classique · 11

On considère la fonction ff définie sur R{13}\mathbb{R} \setminus \{-\frac{1}{3}\} par f(x)=(3x+1)23x+1f(x) = \frac{\sqrt{(3x+1)^2}}{3x+1}. Que vaut limx(13)f(x)\lim_{x \to (-\frac{1}{3})^-} f(x) ?

Attention

Remplacer (3x+1)2\sqrt{(3x+1)^2} par (3x+1)(3x+1) sans tenir compte du signe, ce qui donnerait une limite égale à 11.

À la place : On a (3x+1)2=3x+1\sqrt{(3x+1)^2} = |3x+1|. Quand x<13x < -\frac{1}{3}, on a 3x+1<03x+1 < 0, donc 3x+1=(3x+1)|3x+1| = -(3x+1). Ainsi f(x)=(3x+1)3x+1=1f(x) = \frac{-(3x+1)}{3x+1} = -1, d'où une limite égale à 1-1.

Exemple travaillé · 12

Étudier la limite en 33 de la fonction ff définie par f(x)=x29x3f(x) = \frac{x^2 - 9}{|x - 3|}.

1

Factorisons le numérateur : x29=(x3)(x+3)x^2 - 9 = (x - 3)(x + 3).

2

Pour x>3x > 3, x3>0x - 3 > 0 donc x3=x3|x - 3| = x - 3. On simplifie :

3
limx3+f(x)=limx3+(x3)(x+3)x3=limx3+(x+3)=6\lim_{x \to 3^+} f(x) = \lim_{x \to 3^+} \frac{(x-3)(x+3)}{x-3} = \lim_{x \to 3^+} (x+3) = 6
4

Pour x<3x < 3, x3<0x - 3 < 0 donc x3=(x3)|x - 3| = -(x - 3). On simplifie :

5
limx3f(x)=limx3(x3)(x+3)(x3)=limx3(x+3)=6\lim_{x \to 3^-} f(x) = \lim_{x \to 3^-} \frac{(x-3)(x+3)}{-(x-3)} = \lim_{x \to 3^-} -(x+3) = -6
6

Puisque limx3+f(x)limx3f(x)\lim_{x \to 3^+} f(x) \neq \lim_{x \to 3^-} f(x), la fonction ff n'admet pas de limite en 33.

Vérification · 13

Soit la fonction gg définie sur R\mathbb{R} par :
g(x)={2x+1si x1x1si x<1g(x) = \begin{cases} 2x + 1 & \text{si } x \ge 1 \\ x - 1 & \text{si } x < 1 \end{cases}
La fonction gg admet-elle une limite en 11 ?

Remarque

On a limx1+g(x)=2(1)+1=3\lim_{x \to 1^+} g(x) = 2(1) + 1 = 3 et limx1g(x)=11=0\lim_{x \to 1^-} g(x) = 1 - 1 = 0. Comme les limites latérales sont différentes (303 \neq 0), gg n'admet pas de limite en 11.

Point de départ · 14

On considère la fonction ff définie pour tout réel x1x \neq 1 par f(x)=x21x1f(x) = \frac{x^2 - 1}{x - 1}. Peut-on calculer f(1)f(1) ? Que se passe-t-il lorsque xx devient très proche de 11 sans lui être égal ?

Pour x=1x = 1, le dénominateur s'annule et l'expression donne la forme 00\frac{0}{0} : la fonction ff n'est pas définie en 11. En revanche, pour tout x1x \neq 1, on a x21=(x1)(x+1)x^2 - 1 = (x-1)(x+1), ce qui permet de simplifier par (x1)(x-1) et d'écrire f(x)=x+1f(x) = x+1. Lorsque xx tend vers 11, f(x)f(x) tend vers 22 : 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 aIf \text{ est une fonction définie sur un intervalle ouvert } I \text{ sauf en un réel } a \in I

Si limxaf(x)=L avec LR, alors f est prolongeable par continuiteˊ en a.\text{Si } \lim_{x \to a} f(x) = L \text{ avec } L \in \mathbb{R}, \text{ alors } f \text{ est prolongeable par continuité en } a.

Le prolongement par continuité de ff en aa est la fonction FF définie sur II par :

F(x)={f(x)si xaLsi x=aF(x) = \begin{cases} f(x) & \text{si } x \neq a \\ L & \text{si } x = a \end{cases}

La fonction FF est alors continue en aa.

Exemple travaillé · 16

Soit la fonction ff définie sur R{2}\mathbb{R} \setminus \{2\} par f(x)=x38x2f(x) = \frac{x^3 - 8}{x - 2}. Montrer que ff est prolongeable par continuité en 22 et donner l'expression de son prolongement FF.

1

L'évaluation directe en x=2x = 2 donne la forme indéterminée 00\frac{0}{0}.

2

On factorise le numérateur à l'aide de l'identité remarquable a3b3=(ab)(a2+ab+b2)a^3 - b^3 = (a-b)(a^2+ab+b^2) :

3
x38=x323=(x2)(x2+2x+4)x^3 - 8 = x^3 - 2^3 = (x-2)(x^2 + 2x + 4)
4

Pour tout x2x \neq 2, on simplifie par (x2)(x-2) :

5
f(x)=(x2)(x2+2x+4)x2=x2+2x+4f(x) = \frac{(x-2)(x^2 + 2x + 4)}{x-2} = x^2 + 2x + 4
6

La fonction polynôme xx2+2x+4x \mapsto x^2 + 2x + 4 est continue sur R\mathbb{R}, donc on calcule la limite par substitution directe :

7
limx2f(x)=22+2(2)+4=12\lim_{x \to 2} f(x) = 2^2 + 2(2) + 4 = 12
8

La limite étant un nombre réel fini, ff est prolongeable par continuité en 22. Son prolongement FF est défini sur R\mathbb{R} par F(x)=f(x)F(x) = f(x) pour x2x \neq 2 et F(2)=12F(2) = 12.

Exemple travaillé · 17

Déterminer la limite en 22 de la fonction gg définie sur [52;2[]2;+[\left[-\frac{5}{2} ; 2\right[ \cup ]2 ; +\infty[ par g(x)=2x+53x2g(x) = \frac{\sqrt{2x+5} - 3}{x - 2}, puis préciser si gg admet un prolongement par continuité en 22.

1

En remplaçant xx par 22, on obtient 9322=00\frac{\sqrt{9}-3}{2-2} = \frac{0}{0} (forme indéterminée).

2

On multiplie le numérateur et le dénominateur par l'expression conjuguée (2x+5+3)(\sqrt{2x+5} + 3) :

3
g(x)=(2x+53)(2x+5+3)(x2)(2x+5+3)=(2x+5)32(x2)(2x+5+3)g(x) = \frac{(\sqrt{2x+5} - 3)(\sqrt{2x+5} + 3)}{(x-2)(\sqrt{2x+5} + 3)} = \frac{(2x+5) - 3^2}{(x-2)(\sqrt{2x+5} + 3)}
4
g(x)=2x4(x2)(2x+5+3)=2(x2)(x2)(2x+5+3)g(x) = \frac{2x - 4}{(x-2)(\sqrt{2x+5} + 3)} = \frac{2(x-2)}{(x-2)(\sqrt{2x+5} + 3)}
5

Pour tout x2x \neq 2, on simplifie par (x2)(x-2) :

6
g(x)=22x+5+3g(x) = \frac{2}{\sqrt{2x+5} + 3}
7

On évalue la limite par substitution dans l'expression simplifiée :

8
limx2g(x)=22(2)+5+3=29+3=26=13\lim_{x \to 2} g(x) = \frac{2}{\sqrt{2(2)+5} + 3} = \frac{2}{\sqrt{9} + 3} = \frac{2}{6} = \frac{1}{3}
9

Puisque la limite est finie, gg admet un prolongement par continuité GG en 22 défini par G(x)=g(x)G(x) = g(x) pour x2x \neq 2 et G(2)=13G(2) = \frac{1}{3}.

Piège classique · 18

Soit la fonction ff définie sur R{1}\mathbb{R} \setminus \{1\} par f(x)=x26x+5x1f(x) = \frac{x^2 - 6x + 5}{x - 1}. Après calcul, on trouve limx1f(x)=4\lim_{x \to 1} f(x) = -4. Quelle conclusion est mathématiquement correcte ?

Attention

Dire que la fonction ff est continue en 11 parce que sa limite en 11 existe et est finie.

À la place : Pour être continue en 11, une fonction doit d'abord être définie en 11. La fonction ff n'est pas définie en 11 (1Df1 \notin D_f) : elle n'est donc pas continue en 11, mais elle est prolongeable par continuité en 11 par une nouvelle fonction FF telle que F(1)=4F(1) = -4.

Vérification · 19

On considère la fonction hh définie sur [1;0[]0;+[\left[-1 ; 0\right[ \cup ]0 ; +\infty[ par h(x)=x+11xh(x) = \frac{\sqrt{x+1} - 1}{x}. Pour quelle valeur de LL la fonction HH définie par H(x)=h(x)H(x) = h(x) si x0x \neq 0 et H(0)=LH(0) = L est-elle continue en 00 ?

Remarque

En multipliant par l'expression conjuguée x+1+1\sqrt{x+1}+1, on obtient pour tout x0x \neq 0 :
h(x)=(x+1)1x(x+1+1)=1x+1+1h(x) = \frac{(x+1)-1}{x(\sqrt{x+1}+1)} = \frac{1}{\sqrt{x+1}+1}
La limite en 00 vaut limx0h(x)=10+1+1=12\lim_{x \to 0} h(x) = \frac{1}{\sqrt{0+1}+1} = \frac{1}{2}. Pour que HH soit continue en 00, il faut poser H(0)=limx0h(x)H(0) = \lim_{x \to 0} h(x), c'est-à-dire L=12L = \frac{1}{2}.

Point de départ · 20

On considère la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par :
f(x)={x+1si x22x+asi x>2f(x) = \begin{cases} x + 1 & \text{si } x \le 2 \\ 2x + a & \text{si } x > 2 \end{cases}
Quelle valeur doit prendre le réel aa pour que les deux morceaux se rejoignent exactement en x=2x = 2 sans rupture ?

Pour que la courbe se raccorde sans saut en 22, il faut que la limite à droite en 22 soit égale à la valeur f(2)=2+1=3f(2) = 2 + 1 = 3. Comme limx2+(2x+a)=4+a\lim_{x \to 2^+} (2x+a) = 4 + a, on doit avoir 4+a=34 + a = 3, soit a=1a = -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 aRf \text{ est une fonction définie au voisinage de } x_0 \text{ dont l'expression dépend d'un paramètre } a \in \mathbb{R}

f est continue en x0    limxx0+f(x)=limxx0f(x)=f(x0)f \text{ est continue en } x_0 \iff \lim_{x \to x_0^+} f(x) = \lim_{x \to x_0^-} f(x) = f(x_0)

Pour déterminer un paramètre assurant la continuité en x0x_0, on calcule séparément les limites latérales et la valeur f(x0)f(x_0), puis on résout l'équation qui impose leur égalité.

Exemple travaillé · 22

Soit aa un réel et soit la fonction ff définie sur [2;+[[-2 ; +\infty[ par :
f(x)={x+21x+1si x1asi x=1f(x) = \begin{cases} \frac{\sqrt{x+2}-1}{x+1} & \text{si } x \neq -1 \\ a & \text{si } x = -1 \end{cases}
Déterminer la valeur de aa pour que ff soit continue en 1-1.

1

La fonction ff est continue en 1-1 si et seulement si limx1f(x)=f(1)=a\lim_{x \to -1} f(x) = f(-1) = a.

2

En substituant xx par 1-1, on obtient la forme indéterminée 00\frac{0}{0}. On multiplie par l'expression conjuguée (x+2+1)(\sqrt{x+2}+1) :

3
f(x)=(x+21)(x+2+1)(x+1)(x+2+1)=(x+2)1(x+1)(x+2+1)=x+1(x+1)(x+2+1)f(x) = \frac{(\sqrt{x+2}-1)(\sqrt{x+2}+1)}{(x+1)(\sqrt{x+2}+1)} = \frac{(x+2)-1}{(x+1)(\sqrt{x+2}+1)} = \frac{x+1}{(x+1)(\sqrt{x+2}+1)}
4

Pour tout x1x \neq -1, on simplifie par (x+1)(x+1) :

5
f(x)=1x+2+1f(x) = \frac{1}{\sqrt{x+2}+1}
6
limx1f(x)=11+2+1=11+1=12\lim_{x \to -1} f(x) = \frac{1}{\sqrt{-1+2}+1} = \frac{1}{1+1} = \frac{1}{2}
7

Ainsi, ff est continue en 1-1 si et seulement si a=12a = \frac{1}{2}.

Exemple travaillé · 23

Soit la fonction gg définie sur R\mathbb{R} par :
g(x)={x23x+2x1si x>1mx+3si x1g(x) = \begin{cases} \frac{x^2-3x+2}{x-1} & \text{si } x > 1 \\ mx + 3 & \text{si } x \le 1 \end{cases}
Déterminer le réel mm pour que gg soit continue en 11.

1

Pour x>1x > 1, on factorise le numérateur : x23x+2=(x1)(x2)x^2 - 3x + 2 = (x-1)(x-2).

2
limx1+g(x)=limx1+(x1)(x2)x1=limx1+(x2)=12=1\lim_{x \to 1^+} g(x) = \lim_{x \to 1^+} \frac{(x-1)(x-2)}{x-1} = \lim_{x \to 1^+} (x-2) = 1 - 2 = -1
3

Pour x1x \le 1, l'image et la limite à gauche s'obtiennent par substitution dans la branche affine :

4
g(1)=limx1g(x)=m(1)+3=m+3g(1) = \lim_{x \to 1^-} g(x) = m(1) + 3 = m + 3
5

Pour que gg soit continue en 11, on impose l'égalité des limites latérales avec l'image :

6
m+3=1    m=4m + 3 = -1 \iff m = -4
7

La fonction gg est continue en 11 si et seulement si m=4m = -4.

Piège classique · 24

Soit la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par :
f(x)={3x22x1x1si x>1x22x+3x1si x<1αsi x=1f(x) = \begin{cases} \frac{3x^2-2x-1}{x-1} & \text{si } x > 1 \\ \frac{-x^2-2x+3}{x-1} & \text{si } x < 1 \\ \alpha & \text{si } x = 1 \end{cases}
Existe-t-il une valeur du réel α\alpha pour laquelle ff est continue en 11 ?

Attention

Calculer la limite d'un seul côté (par exemple limx1+f(x)=4\lim_{x \to 1^+} f(x) = 4) et poser immédiatement α=4\alpha = 4 sans contrôler la limite à gauche.

À la place : Pour x>1x > 1, on simplifie par (x1)(x-1) et on trouve limx1+(3x+1)=4\lim_{x \to 1^+} (3x+1) = 4. Pour x<1x < 1, on factorise x22x+3=(x1)(x+3)-x^2-2x+3 = -(x-1)(x+3), d'où limx1(x+3)=4\lim_{x \to 1^-} -(x+3) = -4. Comme limx1+f(x)limx1f(x)\lim_{x \to 1^+} f(x) \neq \lim_{x \to 1^-} f(x), ff n'admet pas de limite en 11 : aucune valeur de α\alpha ne peut rendre ff continue en 11.

Vérification · 25

On considère la fonction hh définie sur R\mathbb{R} par :
h(x)={x24x2si x2ksi x=2h(x) = \begin{cases} \frac{x^2-4}{x-2} & \text{si } x \neq 2 \\ k & \text{si } x = 2 \end{cases}
Quelle valeur de kk rend la fonction hh continue en 22 ?

Remarque

Pour tout x2x \neq 2, x24x2=(x2)(x+2)x2=x+2\frac{x^2-4}{x-2} = \frac{(x-2)(x+2)}{x-2} = x+2. La limite en 22 est limx2(x+2)=4\lim_{x \to 2} (x+2) = 4. On doit donc poser k=4k = 4 pour que h(2)=limx2h(x)h(2) = \lim_{x \to 2} h(x).

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