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Généralités sur les fonctions — cours

3ème année · section Sciences expérimentales · mathématiques, programme officiel tunisien.

Le cours

Rappel · 1

Quelles sont les conditions d'existence pour déterminer l'ensemble de définition d'une fonction ?

Remarque

Pour tout quotient A(x)B(x)\frac{A(x)}{B(x)}, on impose B(x)0B(x) \neq 0. Pour toute racine A(x)\sqrt{A(x)}, on impose A(x)0A(x) \ge 0.

Point de départ · 2

Soit une fonction ff définie sur l'intervalle I=[1;3]I = [-1; 3]. Peut-on étudier la parité de ff en comparant f(x)f(x) et f(x)f(-x) pour tout réel xIx \in I ?

Remarque

Pour x=3Ix = 3 \in I, son opposé 3-3 n'appartient pas à II. L'image f(3)f(-3) n'existe pas : on ne peut donc pas comparer f(3)f(-3) et f(3)f(3).

Définition · 3

Définition : Parité d'une fonction

xDf,xDf(le domaine Df est symeˊtrique par rapport aˋ 0)\forall x \in D_f, \quad -x \in D_f \quad \text{(le domaine } D_f \text{ est symétrique par rapport à } 0\text{)}

f est paire si xDf,f(x)=f(x)f \text{ est paire si } \forall x \in D_f, \quad f(-x) = f(x)

La courbe représentative Cf\mathcal{C}_f d'une fonction paire admet l'axe des ordonnées (O,j)(O, \vec{j}) comme axe de symétrie.

f est impaire si xDf,f(x)=f(x)f \text{ est impaire si } \forall x \in D_f, \quad f(-x) = -f(x)

La courbe représentative Cf\mathcal{C}_f d'une fonction impaire admet l'origine du repère OO comme centre de symétrie.

Exemple travaillé · 4

Étudier la parité de la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x3xx+4f(x) = \frac{x^3 - x}{|x| + 4}.

1

On détermine le domaine de définition : pour tout xRx \in \mathbb{R}, x0|x| \ge 0, donc x+44>0|x| + 4 \ge 4 > 0. Le dénominateur ne s'annule jamais, d'où Df=RD_f = \mathbb{R}.

2

L'ensemble R\mathbb{R} est symétrique par rapport à 00 : pour tout xRx \in \mathbb{R}, xR-x \in \mathbb{R}.

3
f(x)=(x)3(x)x+4=x3+xx+4f(-x) = \frac{(-x)^3 - (-x)}{|-x| + 4} = \frac{-x^3 + x}{|x| + 4}
4
f(x)=(x3x)x+4=x3xx+4=f(x)f(-x) = \frac{-(x^3 - x)}{|x| + 4} = -\frac{x^3 - x}{|x| + 4} = -f(x)
5

Pour tout xRx \in \mathbb{R}, f(x)=f(x)f(-x) = -f(x) : la fonction ff est impaire.

Exemple travaillé · 5

Déterminer l'ensemble de définition et étudier la parité de la fonction gg définie par g(x)=x2xg(x) = \sqrt{x^2 - |x|}.

1

Condition d'existence : x2x0x^2 - |x| \ge 0. Comme x2=x2x^2 = |x|^2, cela s'écrit x2x0|x|^2 - |x| \ge 0, soit x(x1)0|x|(|x| - 1) \ge 0.

2

Le produit est positif ou nul si x=0|x| = 0 ou x1|x| \ge 1, ce qui donne Dg=];1]{0}[1;+[D_g = ]-\infty; -1] \cup \{0\} \cup [1; +\infty[.

3

Pour tout xDgx \in D_g, on a x=x|-x| = |x|, donc xDg-x \in D_g : le domaine est symétrique par rapport à 00.

4
g(x)=(x)2x=x2x=g(x)g(-x) = \sqrt{(-x)^2 - |-x|} = \sqrt{x^2 - |x|} = g(x)
5

Pour tout xDgx \in D_g, g(x)=g(x)g(-x) = g(x) : la fonction gg est paire.

Piège classique · 6

Soit la fonction hh définie par h(x)=x2x+2h(x) = \frac{x^2}{x + 2} sur l'ensemble Dh=]2;+[D_h = ]-2; +\infty[. Quelle est la parité de hh ?

Attention

Calculer immédiatement h(x)h(-x) ou affirmer que la fonction est paire parce que le numérateur contient un carré x2x^2.

À la place : Le domaine Dh=]2;+[D_h = ]-2; +\infty[ n'est pas symétrique par rapport à 00 : par exemple, 3Dh3 \in D_h mais 3Dh-3 \notin D_h. La fonction n'est ni paire ni impaire, sans aucun calcul algébrique.

Vérification · 7

On considère la fonction kk définie par k(x)=xx232k(x) = \frac{x}{\sqrt{x^2 - 3} - 2}. Que peut-on conclure sur la parité de kk ?

Remarque

Le domaine Dk=];7[]7;3][3;7[]7;+[D_k = ]-\infty; -\sqrt{7}[ \cup ]-\sqrt{7}; -\sqrt{3}] \cup [\sqrt{3}; \sqrt{7}[ \cup ]\sqrt{7}; +\infty[ est symétrique par rapport à 00, et k(x)=x(x)232=xx232=k(x)k(-x) = \frac{-x}{\sqrt{(-x)^2 - 3} - 2} = -\frac{x}{\sqrt{x^2 - 3} - 2} = -k(x). La fonction est impaire.

Point de départ · 8

Si ff et gg sont deux fonctions impaires définies sur R\mathbb{R}, à ton avis, que vaut (f×g)(x)(f \times g)(-x) en fonction de (f×g)(x)(f \times g)(x) ?

Remarque

Pour tout xRx \in \mathbb{R}, on a f(x)=f(x)f(-x) = -f(x) et g(x)=g(x)g(-x) = -g(x). Leur produit donne (f(x))×(g(x))=f(x)g(x)(-f(x)) \times (-g(x)) = f(x)g(x). Les deux signes moins s'annulent : le produit est une fonction paire !

Définition · 9

Propriété : Algèbre de la parité

Soient f et g deux fonctions deˊfinies sur un ensemble D symeˊtrique par rapport aˋ 0, et α,βR.\text{Soient } f \text{ et } g \text{ deux fonctions définies sur un ensemble } D \text{ symétrique par rapport à } 0, \text{ et } \alpha, \beta \in \mathbb{R}.

Si f et g sont paires, alors αf+βg et fg sont paires.\text{Si } f \text{ et } g \text{ sont paires, alors } \alpha f + \beta g \text{ et } fg \text{ sont paires.}

Si f et g sont impaires, alors αf+βg est impaire, mais fg est paire.\text{Si } f \text{ et } g \text{ sont impaires, alors } \alpha f + \beta g \text{ est impaire, mais } fg \text{ est paire.}

Si f est paire et g est impaire, alors fg est impaire.\text{Si } f \text{ est paire et } g \text{ est impaire, alors } fg \text{ est impaire.}

Exemple travaillé · 10

Soient ff et gg deux fonctions impaires définies sur un ensemble DD symétrique par rapport à 00. Démontrer la parité de la fonction somme S=f+gS = f+g et de la fonction produit P=fgP = fg.

1

Pour tout xDx \in D, comme DD est symétrique par rapport à 00, on a xD-x \in D.

2

Puisque ff et gg sont impaires, on a f(x)=f(x)f(-x) = -f(x) et g(x)=g(x)g(-x) = -g(x).

3
S(x)=f(x)+g(x)=f(x)g(x)=(f(x)+g(x))=S(x)S(-x) = f(-x) + g(-x) = -f(x) - g(x) = -(f(x) + g(x)) = -S(x)
4

La fonction somme S=f+gS = f+g est donc impaire.

5
P(x)=f(x)g(x)=(f(x))(g(x))=f(x)g(x)=P(x)P(-x) = f(-x) \cdot g(-x) = (-f(x)) \cdot (-g(x)) = f(x) \cdot g(x) = P(x)
6

La fonction produit P=fgP = fg est donc paire.

Exemple travaillé · 11

Soit ff une fonction définie sur R\mathbb{R} vérifiant pour tout xRx \in \mathbb{R} : 3f(x)+f(x)=4x3+2x3f(x) + f(-x) = 4x^3 + 2x. Déterminer l'expression explicite de f(x)f(x).

1

L'égalité étant vraie pour tout réel xx, on remplace xx par x-x dans l'équation : 3f(x)+f(x)=4(x)3+2(x)=4x32x3f(-x) + f(x) = 4(-x)^3 + 2(-x) = -4x^3 - 2x.

2

De l'équation initiale, on isole f(x)f(-x) : f(x)=4x3+2x3f(x)f(-x) = 4x^3 + 2x - 3f(x).

3
3(4x3+2x3f(x))+f(x)=4x32x3(4x^3 + 2x - 3f(x)) + f(x) = -4x^3 - 2x
4
12x3+6x9f(x)+f(x)=4x32x    8f(x)=16x38x12x^3 + 6x - 9f(x) + f(x) = -4x^3 - 2x \implies -8f(x) = -16x^3 - 8x
5

En divisant par 8-8, on obtient pour tout réel xx : f(x)=2x3+xf(x) = 2x^3 + x.

Piège classique · 12

Soit ff et gg deux fonctions impaires définies sur R\mathbb{R}. Quelle est la parité de la fonction produit h=f×gh = f \times g ?

Attention

Penser que le produit de deux fonctions impaires est impair par analogie avec le vocabulaire ordinaire.

À la place : Le produit de deux fonctions impaires est toujours une fonction paire, car (f(x))×(g(x))=f(x)g(x)(-f(x)) \times (-g(x)) = f(x)g(x).

Vérification · 13

Soit ff une fonction impaire définie sur R\mathbb{R}. Que vaut obligatoirement f(0)f(0) ?

Remarque

Par définition de l'imparité, f(0)=f(0)    f(0)=f(0)    2f(0)=0    f(0)=0f(-0) = -f(0) \iff f(0) = -f(0) \iff 2f(0) = 0 \iff f(0) = 0. Toute fonction impaire définie en 00 s'annule obligatoirement en 00.

Point de départ · 14

Si deux fonctions uu et vv sont strictement décroissantes sur un même intervalle II, que peut-on prévoir pour le sens de variation de leur somme u+vu + v sur II ?

Remarque

Si a<ba < b, alors u(a)>u(b)u(a) > u(b) et v(a)>v(b)v(a) > v(b). En additionnant membre à membre ces deux inégalités de même sens, on obtient (u+v)(a)>(u+v)(b)(u+v)(a) > (u+v)(b). La somme u+vu+v est donc strictement décroissante sur II.

Définition · 15

Théorème : Variations et opérations sur les fonctions

Soient u et v deux fonctions deˊfinies sur un intervalle I, et λR.\text{Soient } u \text{ et } v \text{ deux fonctions définies sur un intervalle } I, \text{ et } \lambda \in \mathbb{R}^*.

Si u et v ont le meˆme sens de variation sur I, alors u+v a ce meˆme sens de variation sur I.\text{Si } u \text{ et } v \text{ ont le même sens de variation sur } I, \text{ alors } u + v \text{ a ce même sens de variation sur } I.

Si λ>0,λu a le meˆme sens de variation que u. Si λ<0,λu a un sens de variation contraire aˋ celui de u.\text{Si } \lambda > 0, \lambda u \text{ a le même sens de variation que } u. \text{ Si } \lambda < 0, \lambda u \text{ a un sens de variation contraire à celui de } u.

Si u est strictement positive sur I:\text{Si } u \text{ est strictement positive sur } I :

u a le meˆme sens de variation que u, et 1u a un sens de variation contraire aˋ celui de u.\sqrt{u} \text{ a le même sens de variation que } u, \text{ et } \frac{1}{u} \text{ a un sens de variation contraire à celui de } u.

Exemple travaillé · 16

Déterminer 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 en somme de deux fonctions de référence : 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 u:x2x+1u : x \mapsto -2x + 1 a pour coefficient directeur 2<0-2 < 0, elle est donc strictement décroissante sur ]0;+[]0; +\infty[.

3

La fonction v:x3×1xv : x \mapsto 3 \times \frac{1}{x} est le produit de la fonction inverse (strictement décroissante sur ]0;+[]0; +\infty[) par le réel 3>03 > 0. Elle est donc strictement décroissante sur ]0;+[]0; +\infty[.

4

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

Exemple travaillé · 17

Étudier le sens de variation de la fonction gg définie sur ]1;+[]1; +\infty[ par g(x)=2xx2+1g(x) = \frac{2x}{x^2 + 1} en étudiant le signe de g(a)g(b)g(a) - g(b) pour 1a<b1 \le a < b.

1

Soient aa et bb deux réels tels que 1a<b1 \le a < b. On exprime la différence g(a)g(b)g(a) - g(b) :

2
g(a)g(b)=2aa2+12bb2+1=2a(b2+1)2b(a2+1)(a2+1)(b2+1)g(a) - g(b) = \frac{2a}{a^2 + 1} - \frac{2b}{b^2 + 1} = \frac{2a(b^2 + 1) - 2b(a^2 + 1)}{(a^2 + 1)(b^2 + 1)}
3
g(a)g(b)=2ab(ba)2(ba)(a2+1)(b2+1)=2(ba)(ab1)(a2+1)(b2+1)g(a) - g(b) = \frac{2ab(b - a) - 2(b - a)}{(a^2 + 1)(b^2 + 1)} = \frac{2(b - a)(ab - 1)}{(a^2 + 1)(b^2 + 1)}
4

On étudie le signe de chaque facteur : comme a<ba < b, on a ba>0b - a > 0. Comme a1a \ge 1 et b>1b > 1, on a ab>1ab > 1, donc ab1>0ab - 1 > 0. Le dénominateur (a2+1)(b2+1)(a^2 + 1)(b^2 + 1) est strictement positif.

5

Le quotient est strictement positif : g(a)g(b)>0    g(a)>g(b)g(a) - g(b) > 0 \implies g(a) > g(b). La fonction gg est donc strictement décroissante sur [1;+[[1; +\infty[.

Piège classique · 18

Soient u(x)=xu(x) = x et v(x)=xv(x) = x définies sur l'intervalle I=];0]I = ]-\infty; 0]. Les deux fonctions uu et vv sont strictement croissantes sur II. Quel est le sens de variation de leur produit p(x)=(u×v)(x)=x2p(x) = (u \times v)(x) = x^2 sur II ?

Attention

Conclure que le produit de deux fonctions croissantes est toujours croissant.

À la place : Sur ];0]]-\infty; 0], u(x)0u(x) \le 0 et v(x)0v(x) \le 0. La fonction produit p(x)=x2p(x) = x^2 est strictement décroissante sur ];0]]-\infty; 0]. Le produit de deux fonctions croissantes n'est croissant que si les deux fonctions sont à valeurs positives.

Vérification · 19

Soit la fonction hh définie sur ];2]]-\infty; 2] par h(x)=x2+4x+5h(x) = \sqrt{-x^2 + 4x + 5}. Sachant que le trinôme u(x)=x2+4x+5u(x) = -x^2 + 4x + 5 est positif et strictement croissant sur ];2]]-\infty; 2], que peut-on dire du sens de variation de hh sur cet intervalle ?

Remarque

Comme la fonction racine carrée est strictement croissante sur R+\mathbb{R}_+, la composée h=uh = \sqrt{u} conserve le sens de variation de uu. hh est donc strictement croissante sur ];2]]-\infty; 2].

Point de départ · 20

Pour tout réel xx, on a x20x^2 \ge 0, d'où x2+44x^2 + 4 \ge 4. Que peut-on en déduire pour les valeurs prises par la fonction f(x)=4x2+4f(x) = \frac{4}{x^2 + 4} sur R\mathbb{R} ?

Remarque

Puisque x2+44>0x^2 + 4 \ge 4 > 0, le passage à l'inverse donne 0<1x2+4140 < \frac{1}{x^2 + 4} \le \frac{1}{4}. En multipliant par 44, on obtient 0<f(x)10 < f(x) \le 1. La fonction reste confinée dans l'intervalle ]0;1]]0; 1].

Définition · 21

Définitions : Fonctions majorées, minorées, bornées

f est une fonction deˊfinie sur un ensemble D.f \text{ est une fonction définie sur un ensemble } D.

f est majoreˊe sur D    MR,  xD,  f(x)Mf \text{ est majorée sur } D \iff \exists M \in \mathbb{R}, \; \forall x \in D, \; f(x) \le M

f est minoreˊe sur D    mR,  xD,  f(x)mf \text{ est minorée sur } D \iff \exists m \in \mathbb{R}, \; \forall x \in D, \; f(x) \ge m

f est borneˊe sur D    m,MR,  xD,  mf(x)Mf \text{ est bornée sur } D \iff \exists m, M \in \mathbb{R}, \; \forall x \in D, \; m \le f(x) \le M

Exemple travaillé · 22

Montrer que la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=xx2+1f(x) = \frac{x}{x^2 + 1} est minorée par 12-\frac{1}{2} et majorée par 12\frac{1}{2}.

1

Pour prouver la minoration, on étudie le signe de la différence f(x)(12)f(x) - \left(-\frac{1}{2}\right) :

2
f(x)+12=xx2+1+12=2x+x2+12(x2+1)=(x+1)22(x2+1)f(x) + \frac{1}{2} = \frac{x}{x^2 + 1} + \frac{1}{2} = \frac{2x + x^2 + 1}{2(x^2 + 1)} = \frac{(x + 1)^2}{2(x^2 + 1)}
3

Pour tout xRx \in \mathbb{R}, (x+1)20(x+1)^2 \ge 0 et 2(x2+1)>02(x^2+1) > 0. Le quotient est positif ou nul, donc f(x)12f(x) \ge -\frac{1}{2}.

4

Pour prouver la majoration, on étudie le signe de la différence f(x)12f(x) - \frac{1}{2} :

5
f(x)12=xx2+112=2x(x2+1)2(x2+1)=(x1)22(x2+1)f(x) - \frac{1}{2} = \frac{x}{x^2 + 1} - \frac{1}{2} = \frac{2x - (x^2 + 1)}{2(x^2 + 1)} = -\frac{(x - 1)^2}{2(x^2 + 1)}
6

Pour tout xRx \in \mathbb{R}, (x1)20-(x-1)^2 \le 0 et 2(x2+1)>02(x^2+1) > 0. Le quotient est négatif ou nul, donc f(x)12f(x) \le \frac{1}{2}.

7

Conclusion : pour tout réel xx, 12f(x)12-\frac{1}{2} \le f(x) \le \frac{1}{2}. La fonction ff est donc bornée sur R\mathbb{R}.

Exemple travaillé · 23

1. Montrer que pour tout réel xx, on a 2xx2+12|x| \le x^2 + 1.
2. En déduire que la fonction g:x2xx2+1g : x \mapsto \frac{2x}{x^2 + 1} est bornée sur R\mathbb{R}.

1

Pour tout xRx \in \mathbb{R}, le carré d'un réel est positif ou nul : (x1)20(|x| - 1)^2 \ge 0.

2
(x1)2=x22x+1=x22x+10    2xx2+1(|x| - 1)^2 = |x|^2 - 2|x| + 1 = x^2 - 2|x| + 1 \ge 0 \implies 2|x| \le x^2 + 1
3

Pour tout xRx \in \mathbb{R}, x2+1>0x^2 + 1 > 0. On peut diviser chaque membre par (x2+1)(x^2 + 1) :

4
2xx2+11    2xx2+11    g(x)1\frac{2|x|}{x^2 + 1} \le 1 \iff \left| \frac{2x}{x^2 + 1} \right| \le 1 \iff |g(x)| \le 1
5

L'inégalité g(x)1|g(x)| \le 1 équivaut à 1g(x)1-1 \le g(x) \le 1 pour tout xRx \in \mathbb{R} : la fonction gg est donc bornée sur R\mathbb{R}.

Exemple travaillé · 24

Soit la fonction hh définie sur [0;+[[0; +\infty[ par h(x)=x+1xh(x) = \sqrt{x + 1} - \sqrt{x}. Montrer que hh est bornée sur son ensemble de définition.

1

On multiplie et on divise par l'expression conjuguée (x+1+x)(\sqrt{x + 1} + \sqrt{x}) :

2
h(x)=(x+1x)(x+1+x)x+1+x=(x+1)xx+1+x=1x+1+xh(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 x0x \ge 0, on a x+11    x+11x + 1 \ge 1 \implies \sqrt{x + 1} \ge 1, et x0\sqrt{x} \ge 0. Par addition, x+1+x1\sqrt{x + 1} + \sqrt{x} \ge 1.

4

En passant à l'inverse de termes strictement positifs, on obtient :

5
0<1x+1+x10 < \frac{1}{\sqrt{x + 1} + \sqrt{x}} \le 1
6

Pour tout x[0;+[x \in [0; +\infty[, 0<h(x)10 < h(x) \le 1. La fonction hh est donc bornée sur [0;+[[0; +\infty[.

Piège classique · 25

Pour prouver que x21+x+x243\frac{x^2}{1 + x + x^2} \le \frac{4}{3} sur R\mathbb{R}, un élève multiplie directement chaque membre de l'inégalité par le dénominateur (1+x+x2)(1 + x + x^2). Quelle justification obligatoire a-t-il omise ?

Attention

Multiplier une inéquation par une expression littérale sans prouver au préalable qu'elle garde un signe strictement positif.

À la place : On ne peut conserver le sens d'une inégalité lors d'une multiplication que si le facteur est strictement positif. Ici, le discriminant de x2+x+1x^2+x+1 est Δ=3<0\Delta = -3 < 0 et son coefficient dominant est 1>01 > 0, donc 1+x+x2>01+x+x^2 > 0 sur R\mathbb{R}.

Vérification · 26

Soit la fonction ff définie sur l'intervalle [1;3][-1; 3] par f(x)=(x+1)2+2f(x) = -(x + 1)^2 + 2. Quel encadrement de f(x)f(x) obtient-on sur [1;3][-1; 3] ?

Remarque

Pour x[1;3]x \in [-1; 3], on a 1x3    0x+14    0(x+1)216-1 \le x \le 3 \implies 0 \le x + 1 \le 4 \implies 0 \le (x + 1)^2 \le 16. En multipliant par 1-1, on inverse l'ordre : 16(x+1)20-16 \le -(x + 1)^2 \le 0. En ajoutant 22, on conclut que 14f(x)2-14 \le f(x) \le 2.

Point de départ · 27

Soit la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x2x2+1f(x) = \frac{x^2}{x^2 + 1}. Pour tout xRx \in \mathbb{R}, on a f(x)<1f(x) < 1. Le nombre 11 est-il le maximum de ff sur R\mathbb{R} ?

Remarque

Non ! Pour tout réel xx, on a x2<x2+1x^2 < x^2 + 1, donc f(x)<1f(x) < 1. Le réel 11 est bien un majorant de ff, mais il n'existe aucun réel x0x_0 tel que f(x0)=1f(x_0) = 1. Le nombre 11 n'est donc pas un maximum.

Définition · 28

Définition : Extremums d'une fonction (Maximum et Minimum)

Soit f une fonction deˊfinie sur un ensemble D et x0D.\text{Soit } f \text{ une fonction définie sur un ensemble } D \text{ et } x_0 \in D.

f admet un maximum en x0 sur D    xD,  f(x)f(x0)f \text{ admet un maximum en } x_0 \text{ sur } D \iff \forall x \in D, \; f(x) \le f(x_0)

Le réel M=f(x0)M = f(x_0) est la valeur de ce maximum sur DD.

f admet un minimum en x0 sur D    xD,  f(x)f(x0)f \text{ admet un minimum en } x_0 \text{ sur } D \iff \forall x \in D, \; f(x) \ge f(x_0)

Le réel m=f(x0)m = f(x_0) est la valeur de ce minimum sur DD.

Exemple travaillé · 29

Montrer que la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=2x2+10x5f(x) = 2x^2 + 10x - 5 admet un minimum en x0=52x_0 = -\frac{5}{2} sur R\mathbb{R}.

1

On calcule d'abord l'image de x0=52x_0 = -\frac{5}{2} :

2
f(52)=2(52)2+10(52)5=2(254)255=25230=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

On étudie le signe de la différence f(x)f(52)f(x) - f\left(-\frac{5}{2}\right) pour tout réel xx :

4
f(x)(352)=2x2+10x5+352=2x2+10x+252=2(x2+5x+254)f(x) - \left(-\frac{35}{2}\right) = 2x^2 + 10x - 5 + \frac{35}{2} = 2x^2 + 10x + \frac{25}{2} = 2\left(x^2 + 5x + \frac{25}{4}\right)
5
f(x)f(52)=2(x+52)2f(x) - f\left(-\frac{5}{2}\right) = 2\left(x + \frac{5}{2}\right)^2
6

Pour tout réel xx, un carré est positif ou nul : 2(x+52)202\left(x + \frac{5}{2}\right)^2 \ge 0, donc f(x)f(52)f(x) \ge f\left(-\frac{5}{2}\right).

7

La valeur 352-\frac{35}{2} est atteinte pour x0=52Rx_0 = -\frac{5}{2} \in \mathbb{R} : c'est donc le minimum de ff sur R\mathbb{R}.

Exemple travaillé · 30

Soit la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=4x2+16x17x24x+5f(x) = \frac{-4x^2 + 16x - 17}{x^2 - 4x + 5}. Déterminer le maximum de ff sur R\mathbb{R} et la valeur de xx où il est atteint.

1

On fait apparaître le dénominateur au numérateur pour décomposer la fraction :

2
4x2+16x17=4(x24x+5)+2017=4(x24x+5)+3-4x^2 + 16x - 17 = -4(x^2 - 4x + 5) + 20 - 17 = -4(x^2 - 4x + 5) + 3
3
f(x)=4(x24x+5)+3x24x+5=4+3x24x+5f(x) = \frac{-4(x^2 - 4x + 5) + 3}{x^2 - 4x + 5} = -4 + \frac{3}{x^2 - 4x + 5}
4

On écrit le dénominateur sous forme canonique : x24x+5=(x2)2+1x^2 - 4x + 5 = (x - 2)^2 + 1.

5

Pour tout réel xx, (x2)20    (x2)2+11(x - 2)^2 \ge 0 \implies (x - 2)^2 + 1 \ge 1. Par passage à l'inverse :

6
0<1(x2)2+11    4+3(x2)2+14+3(1)=10 < \frac{1}{(x - 2)^2 + 1} \le 1 \implies -4 + \frac{3}{(x - 2)^2 + 1} \le -4 + 3(1) = -1
7

On a donc f(x)1f(x) \le -1 pour tout réel xx. De plus, f(2)=4+31=1f(2) = -4 + \frac{3}{1} = -1. Le maximum de ff sur R\mathbb{R} est donc 1-1, atteint en x=2x = 2.

Piège classique · 31

Soit la fonction ff définie sur ]0;+[]0; +\infty[ par f(x)=1x2+1f(x) = \frac{1}{x^2 + 1}. Un élève observe que pour tout x>0x > 0, 0<f(x)<10 < f(x) < 1. Il conclut que « le maximum de ff est 11 et son minimum est 00 sur ]0;+[]0; +\infty[ ». Que penser de cette conclusion ?

Attention

Confondre un majorant ou un minorant strict avec un extremum sans vérifier si la valeur est effectivement atteinte dans le domaine.

À la place : Sur ]0;+[]0; +\infty[, l'équation f(x)=1f(x) = 1 exigerait x=0]0;+[x = 0 \notin ]0; +\infty[, et l'équation f(x)=0f(x) = 0 n'a aucune solution. Les nombres 00 et 11 sont des bornes (minorant et majorant), mais la fonction n'admet ni minimum ni maximum sur ]0;+[]0; +\infty[.

Vérification · 32

Soit la fonction gg définie sur R\mathbb{R} par g(x)=(x3)2+4g(x) = -(x - 3)^2 + 4. Complète pour indiquer la valeur du maximum de gg sur R\mathbb{R} et l'abscisse où il est atteint.

Remarque

Pour tout réel xx, (x3)20-(x - 3)^2 \le 0, donc g(x)4g(x) \le 4. De plus, g(3)=4g(3) = 4. Le maximum de gg sur R\mathbb{R} est donc 44, et il est atteint en x=3x = 3.

Point de départ · 33

Quelle est la différence géométrique entre la courbe de g(x)=f(x2)g(x) = f(x - 2) et celle de h(x)=f(x)2h(x) = f(x) - 2 par rapport à la courbe Cf\mathcal{C}_f ?

Remarque

Une constante soustraite à l'intérieur de la variable (x2x - 2) décale la courbe horizontalement de 22 unités vers la droite (2i2\vec{i}). Une constante soustraite à l'extérieur (f(x)2f(x) - 2) décale la courbe verticalement de 22 unités vers le bas (2j-2\vec{j}).

Définition · 34

Propriété : Transformations géométriques de courbes

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

La courbe de xf(xa)+b est l’image de Cf par la translation de vecteur u=ai+bj.\text{La courbe de } x \mapsto f(x - a) + b \text{ est l'image de } \mathcal{C}_f \text{ par la translation de vecteur } \vec{u} = a\vec{i} + b\vec{j}.

La courbe de xf(x) est l’image de Cf par la symeˊtrie orthogonale d’axe (O,i).\text{La courbe de } x \mapsto -f(x) \text{ est l'image de } \mathcal{C}_f \text{ par la symétrie orthogonale d'axe } (O, \vec{i}).

Pour g(x)=f(x):Cg coı¨ncide avec Cf si f(x)0, et est symeˊtrique par rapport aˋ (O,i) si f(x)0.\text{Pour } g(x) = |f(x)| : \mathcal{C}_g \text{ coïncide avec } \mathcal{C}_f \text{ si } f(x) \ge 0, \text{ et est symétrique par rapport à } (O, \vec{i}) \text{ si } f(x) \le 0.

Pour h(x)=f(x):h est paire. Ch coı¨ncide avec Cf sur DR+, puis est compleˊteˊe par symeˊtrie d’axe (O,j).\text{Pour } h(x) = f(|x|) : h \text{ est paire. } \mathcal{C}_h \text{ coïncide avec } \mathcal{C}_f \text{ sur } D \cap \mathbb{R}_+, \text{ puis est complétée par symétrie d'axe } (O, \vec{j}).

Exemple travaillé · 35

Soit f(x)=x2f(x) = x^2 la parabole de référence. Déterminer la transformation géométrique permettant d'obtenir la courbe Cg\mathcal{C}_g de la fonction g(x)=(x3)22g(x) = (x - 3)^2 - 2, puis tracer Cg\mathcal{C}_g.

1

On identifie la forme g(x)=f(xa)+bg(x) = f(x - a) + b avec a=3a = 3 et b=2b = -2.

2

D'après la propriété des transformations, la courbe Cg\mathcal{C}_g est l'image de Cf\mathcal{C}_f par la translation de vecteur u=3i2j\vec{u} = 3\vec{i} - 2\vec{j}.

3

Le sommet O(0,0)O(0, 0) de Cf\mathcal{C}_f est transformé en le sommet S(3,2)S(3, -2) de Cg\mathcal{C}_g.

Exemple travaillé · 36

Soit ff la fonction définie sur R\mathbb{R} par f(x)=2x24xf(x) = 2x^2 - 4x. Expliquer comment construire la courbe Cg\mathcal{C}_g de la fonction g(x)=2x24xg(x) = 2x^2 - 4|x| à partir de la courbe Cf\mathcal{C}_f.

1

Comme x2=x2x^2 = |x|^2, on a g(x)=2x24x=f(x)g(x) = 2|x|^2 - 4|x| = f(|x|) pour tout réel xx.

2

Pour tout xRx \in \mathbb{R}, g(x)=f(x)=f(x)=g(x)g(-x) = f(|-x|) = f(|x|) = g(x) : la fonction gg est paire, sa courbe Cg\mathcal{C}_g est symétrique par rapport à l'axe des ordonnées (O,j)(O, \vec{j}).

3

Pour tout x0x \ge 0, x=x|x| = x, donc g(x)=f(x)g(x) = f(x). Sur [0;+[[0; +\infty[, la courbe Cg\mathcal{C}_g coïncide exactement avec Cf\mathcal{C}_f.

4

Pour x<0x < 0, on complète le tracé de Cg\mathcal{C}_g par symétrie axiale d'axe (O,j)(O, \vec{j}) de la partie tracée sur [0;+[[0; +\infty[.

Piège classique · 37

Soit ff une fonction dont la courbe Cf\mathcal{C}_f passe par le point A(2,3)A(-2, -3) et par le point B(2,5)B(2, 5). Quelles sont les ordonnées des points d'abscisse 2-2 sur les courbes de g(x)=f(x)g(x) = |f(x)| et de h(x)=f(x)h(x) = f(|x|) ?

Attention

Appliquer la même transformation géométrique à f(x)|f(x)| et à f(x)f(|x|) en pensant que la valeur absolue rend simplement toutes les ordonnées positives.

À la place : Pour g(x)=f(x)g(x) = |f(x)|, l'ordonnée en 2-2 est f(2)=3=3|f(-2)| = |-3| = 3 (rabattement au-dessus de l'axe (Ox)(Ox)). Pour h(x)=f(x)h(x) = f(|x|), l'ordonnée en 2-2 est f(2)=f(2)=5f(|-2|) = f(2) = 5 (symétrie par rapport à l'axe (Oy)(Oy)).

Piège classique · 38

Par quelle translation passe-t-on de la courbe de f(x)=xf(x) = \sqrt{x} à la courbe de g(x)=x+4g(x) = \sqrt{x + 4} ?

Attention

Penser que x+4\sqrt{x+4} correspond à une translation vers la droite (vecteur +4i+4\vec{i}) en se fiant au signe positif.

À la place : On écrit g(x)=f(x(4))g(x) = f(x - (-4)). D'après la règle f(xa)f(x - a), le paramètre vaut a=4a = -4. La translation est de vecteur 4i-4\vec{i}, ce qui décale la courbe de 44 unités vers la gauche.

Vérification · 39

Soit la fonction hh définie sur R\mathbb{R} par h(x)=(x1)2+3h(x) = -(x - 1)^2 + 3. Quelles transformations successives permettent d'obtenir sa courbe à partir de la parabole de référence y=x2y = x^2 ?

Remarque

On effectue d'abord la translation horizontale x(x1)2x \mapsto (x - 1)^2 de vecteur i\vec{i}, puis la symétrie axiale par rapport à l'axe des abscisses (O,i)(O, \vec{i}) pour obtenir (x1)2-(x - 1)^2, et enfin la translation verticale de vecteur 3j3\vec{j} pour aboutir à (x1)2+3-(x - 1)^2 + 3.

Point de départ · 40

Que vaut la partie entière du nombre négatif 1,2-1,2 : est-ce 1-1 ou 2-2 ?

Remarque

Par définition, la partie entière d'un réel xx est le plus grand entier relatif inférieur ou égal à xx. Comme 21,2<1-2 \le -1,2 < -1, le plus grand entier inférieur ou égal à 1,2-1,2 est 2-2. On a donc E(1,2)=2E(-1,2) = -2.

Définition · 41

Définitions : Fonction partie entière et fonctions affines par intervalles

On appelle partie entière d'un réel xx, notée E(x)E(x), le plus grand entier relatif inférieur ou égal à xx.

xR,!nZtel quenx<n+1    E(x)=n\forall x \in \mathbb{R}, \quad \exists ! n \in \mathbb{Z} \quad \text{tel que} \quad n \le x < n + 1 \implies E(x) = n

E(x)x<E(x)+1E(x) \le x < E(x) + 1

Une fonction affine par intervalles est une fonction définie sur une réunion d'intervalles telle que sa restriction à chacun de ces intervalles soit une fonction affine (xax+bx \mapsto ax + b).

Exemple travaillé · 42

Soit la fonction ff définie sur [2;2][-2; 2] par f(x)=1xE(x)f(x) = 1 - x E(x). Exprimer f(x)f(x) sans le symbole EE sur chaque sous-intervalle.

1

On découpe l'intervalle [2;2][-2; 2] en sous-intervalles semi-ouverts [n;n+1[[n; n+1[ sur lesquels E(x)E(x) est constante.

2

Pour x[2;1[x \in [-2; -1[, on a E(x)=2E(x) = -2, d'où f(x)=1x(2)=2x+1f(x) = 1 - x(-2) = 2x + 1.

3

Pour x[1;0[x \in [-1; 0[, on a E(x)=1E(x) = -1, d'où f(x)=1x(1)=x+1f(x) = 1 - x(-1) = x + 1.

4

Pour x[0;1[x \in [0; 1[, on a E(x)=0E(x) = 0, d'où f(x)=1x(0)=1f(x) = 1 - x(0) = 1.

5

Pour x[1;2[x \in [1; 2[, on a E(x)=1E(x) = 1, d'où f(x)=1x(1)=1xf(x) = 1 - x(1) = 1 - x.

6

Pour la borne isolée x=2x = 2, on a E(2)=2E(2) = 2, d'où f(2)=12(2)=3f(2) = 1 - 2(2) = -3.

7

Sur chaque sous-intervalle, f(x)f(x) s'exprime sous la forme d'un polynôme de degré inférieur ou égal à 11 : ff est donc une fonction affine par intervalles.

Exemple travaillé · 43

Soit 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). Expliciter f(x)f(x) sur chaque sous-intervalle.

1

E(x)E(x) change de valeur aux entiers kk, et E(x/2)E(x/2) change de valeur aux entiers pairs 2k2k. On découpe [1;2][-1; 2] en sous-intervalles de longueur 11.

2

Sur [1;0[[-1; 0[ : 1x<0    E(x)=1-1 \le x < 0 \implies E(x) = -1. En divisant par 22, 12x2<0    E(x2)=1-\frac{1}{2} \le \frac{x}{2} < 0 \implies E\left(\frac{x}{2}\right) = -1. Ainsi, f(x)=12(1)=1f(x) = -1 - 2(-1) = 1.

3

Sur [0;1[[0; 1[ : 0x<1    E(x)=00 \le x < 1 \implies E(x) = 0. En divisant par 22, 0x2<12    E(x2)=00 \le \frac{x}{2} < \frac{1}{2} \implies E\left(\frac{x}{2}\right) = 0. Ainsi, f(x)=02(0)=0f(x) = 0 - 2(0) = 0.

4

Sur [1;2[[1; 2[ : 1x<2    E(x)=11 \le x < 2 \implies E(x) = 1. En divisant par 22, 12x2<1    E(x2)=0\frac{1}{2} \le \frac{x}{2} < 1 \implies E\left(\frac{x}{2}\right) = 0. Ainsi, f(x)=12(0)=1f(x) = 1 - 2(0) = 1.

5

Pour x=2x = 2 : E(2)=2E(2) = 2 et E(22)=E(1)=1E\left(\frac{2}{2}\right) = E(1) = 1. Ainsi, f(2)=22(1)=0f(2) = 2 - 2(1) = 0.

Piège classique · 44

Un élève affirme que pour tout réel xx, on a la relation E(2x)=2E(x)E(2x) = 2E(x). Que donne cette formule pour x=0,7x = 0,7 ?

Attention

Considérer la partie entière comme une opération linéaire et appliquer des formules fausses du type E(kx)=kE(x)E(kx) = kE(x).

À la place : Pour x=0,7x = 0,7, on a 2x=1,42x = 1,4, donc E(2x)=E(1,4)=1E(2x) = E(1,4) = 1. En revanche, E(0,7)=0E(0,7) = 0, donc 2E(x)=2×0=02E(x) = 2 \times 0 = 0. Comme 101 \neq 0, la propriété E(2x)=2E(x)E(2x) = 2E(x) est fausse.

Vérification · 45

Complète les valeurs exactes des parties entières suivantes :

Remarque

E(3,8)=3E(3,8) = 3 car 33,8<43 \le 3,8 < 4. E(2,4)=3E(-2,4) = -3 car 32,4<2-3 \le -2,4 < -2.

Point de départ · 46

On souhaite résoudre l'équation x+4=4x2\sqrt{x+4} = \frac{-4}{x-2}. Sachant qu'une racine carrée est toujours positive ou nulle, que peut-on affirmer sur le signe de x2x-2 ?

Remarque

Le premier membre x+4\sqrt{x+4} est positif ou nul, donc le second membre 4x2\frac{-4}{x-2} doit l'être aussi. Comme son numérateur 4-4 est strictement négatif, le dénominateur x2x-2 doit impérativement être strictement négatif, soit x<2x < 2.

Définition · 47

Propriété : Intersections et positions relatives de courbes

Soient Cf\mathcal{C}_f et Cg\mathcal{C}_g les courbes représentatives de deux fonctions ff et gg définies sur un domaine DD.

M(x,y)CfCg    {y=f(x)f(x)=g(x)M(x, y) \in \mathcal{C}_f \cap \mathcal{C}_g \iff \begin{cases} y = f(x) \\ f(x) = g(x) \end{cases}

La position relative de Cf\mathcal{C}_f par rapport à Cg\mathcal{C}_g s'étudie par le signe de la différence f(x)g(x)f(x) - g(x) :

f(x)g(x)>0    Cf est strictement au-dessus de Cgf(x) - g(x) > 0 \iff \mathcal{C}_f \text{ est strictement au-dessus de } \mathcal{C}_g

f(x)g(x)<0    Cf est strictement au-dessous de Cgf(x) - g(x) < 0 \iff \mathcal{C}_f \text{ est strictement au-dessous de } \mathcal{C}_g

Pour reˊsoudre A(x)=B(x): imposer A(x)0 et B(x)0 avant d’eˊlever au carreˊ.\text{Pour résoudre } \sqrt{A(x)} = B(x) : \text{ imposer } A(x) \ge 0 \text{ et } B(x) \ge 0 \text{ avant d'élever au carré.}

Exemple travaillé · 48

Déterminer les coordonnées des points d'intersection des courbes Cf\mathcal{C}_f et Cg\mathcal{C}_g des fonctions définies par f(x)=x+4f(x) = \sqrt{x+4} et g(x)=4x2g(x) = \frac{-4}{x-2}.

1

Conditions de validité : on doit avoir x+40x + 4 \ge 0 (donc x4x \ge -4) et le second membre doit être positif : 4x20    x2<0    x<2\frac{-4}{x-2} \ge 0 \implies x - 2 < 0 \implies x < 2. L'équation n'est étudiée que sur [4;2[[-4; 2[.

2

Pour tout x[4;2[x \in [-4; 2[, on élève au carré : (x+4)2=(4x2)2(\sqrt{x+4})^2 = \left(\frac{-4}{x-2}\right)^2.

3
x+4=16(x2)2    (x+4)(x24x+4)=16x + 4 = \frac{16}{(x-2)^2} \iff (x+4)(x^2 - 4x + 4) = 16
4
x34x2+4x+4x216x+16=16    x312x=0    x(x212)=0x^3 - 4x^2 + 4x + 4x^2 - 16x + 16 = 16 \iff x^3 - 12x = 0 \iff x(x^2 - 12) = 0
5

Les solutions de l'équation polynomiale sont x=0x = 0, x=233,46x = 2\sqrt{3} \approx 3{,}46 et x=233,46x = -2\sqrt{3} \approx -3{,}46.

6

On confronte les solutions à la condition x[4;2[x \in [-4; 2[ : 0[4;2[0 \in [-4; 2[ et 23[4;2[-2\sqrt{3} \in [-4; 2[ sont retenues, tandis que 23[4;2[2\sqrt{3} \notin [-4; 2[ est rejetée.

7

On calcule les ordonnées : pour x=0x=0, y=4=2y = \sqrt{4} = 2. Pour x=23x=-2\sqrt{3}, y=423=(31)2=31y = \sqrt{4-2\sqrt{3}} = \sqrt{(\sqrt{3}-1)^2} = \sqrt{3}-1.

8

Les points d'intersection sont K(0,2)K(0, 2) et A(23,31)A(-2\sqrt{3}, \sqrt{3}-1).

Exemple travaillé · 49

En utilisant les points d'intersection K(0,2)K(0, 2) et A(23,31)A(-2\sqrt{3}, \sqrt{3}-1) de Cf\mathcal{C}_f et Cg\mathcal{C}_g (avec f(x)=x+4f(x) = \sqrt{x+4} et g(x)=4x2g(x) = \frac{-4}{x-2}), résoudre dans R\mathbb{R} l'inéquation x+44x2\sqrt{x+4} \le \frac{-4}{x-2}.

1

L'inéquation x+44x2\sqrt{x+4} \le \frac{-4}{x-2} équivaut à chercher les abscisses xx pour lesquelles la courbe Cf\mathcal{C}_f est située au-dessous ou coupe la courbe Cg\mathcal{C}_g.

2

L'inéquation n'a de sens que sur le domaine commun où le second membre est positif, c'est-à-dire [4;2[[-4; 2[.

3

Entre les deux abscisses d'intersection 23-2\sqrt{3} et 00, on teste par exemple x=1x = -1 : f(1)=31,73f(-1) = \sqrt{3} \approx 1{,}73 et g(1)=431,33g(-1) = \frac{-4}{-3} \approx 1{,}33, donc f(1)>g(1)f(-1) > g(-1).

4

La courbe Cf\mathcal{C}_f est en dessous de Cg\mathcal{C}_g sur [4;23][-4; -2\sqrt{3}] et sur [0;2[[0; 2[.

5

L'ensemble de solutions de l'inéquation est donc S=[4;23][0;2[S = [-4; -2\sqrt{3}] \cup [0; 2[.

Piège classique · 50

Pour résoudre dans ]1;+[]1; +\infty[ l'équation x+2=2x1\sqrt{x+2} = \frac{\sqrt{2}}{x-1}, un élève élève au carré et obtient (x1)2(x+2)=2(x-1)^2(x+2) = 2, dont les solutions sont x=0x = 0, x=3x = -\sqrt{3} et x=3x = \sqrt{3}. Quelle est la seule solution valide de l'équation initiale ?

Attention

Garder les trois solutions 00, 3-\sqrt{3} et 3\sqrt{3} trouvées après élévation au carré sans vérifier leur appartenance au domaine ]1;+[]1; +\infty[.

À la place : L'élévation au carré introduit des racines étrangères. Seule x=31,732x = \sqrt{3} \approx 1{,}732 appartient à l'intervalle d'étude ]1;+[]1; +\infty[. Les solutions 00 et 3-\sqrt{3} doivent être éliminées.

Vérification · 51

Soit f(x)=1x2f(x) = \frac{1}{x-2} et g(x)=x22xg(x) = x^2 - 2x. Quelle équation polynomiale caractérise les abscisses des points d'intersection de Cf\mathcal{C}_f et Cg\mathcal{C}_g sur R{2}\mathbb{R} \setminus \{2\} ?

Remarque

Sur R{2}\mathbb{R} \setminus \{2\}, 1x2=x22x    1=(x22x)(x2)    1=x34x2+4x    x34x2+4x1=0\frac{1}{x-2} = x^2 - 2x \iff 1 = (x^2 - 2x)(x - 2) \iff 1 = x^3 - 4x^2 + 4x \iff x^3 - 4x^2 + 4x - 1 = 0.

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