Complète les règles de signe pour le quotient 0L avec L>0 :
Remarque
Si le dénominateur tend vers 0 en restant strictement positif (0+), le quotient d'un réel L>0 donne +∞. S'il tend vers 0 en restant négatif (0−), le quotient donne −∞.
Point de départ · 2
On considère la fonction f(x)=x−21. Lorsque x se rapproche de 2 par valeurs supérieures (x>2), que devient la valeur de f(x) ?
Le dénominateur x−2 devient infiniment petit et positif (0+), donc le quotient prend des valeurs positives arbitrairement grandes : f(x) tend vers +∞. Graphiquement, la courbe s'élève le long de la droite verticale x=2.
Définition · 3
Asymptote verticale
Soit f une fonction définie sur un intervalle ouvert I, sauf en un réel a.
Si x→a+limf(x)=±∞oux→a−limf(x)=±∞
alors la droite d'équation x=a est une asymptote verticale à la courbe Cf.
Remarque
Il suffit qu'au moins une des deux limites latérales soit infinie pour conclure à l'existence de l'asymptote verticale.
Exemple travaillé · 4
Soit f(x)=x−3x+1. Justifie que la courbe Cf admet une asymptote verticale dont tu préciseras l'équation.
1
On détermine l'ensemble de définition : le dénominateur s'annule en x=3. Ainsi, Df=R∖{3}.
2
On calcule la limite du numérateur : limx→3(x+1)=4>0.
3
On étudie le signe du dénominateur : si x>3, x−3>0 (0+) ; si x<3, x−3<0 (0−).
4
x→3+limf(x)=0+4=+∞etx→3−limf(x)=0−4=−∞
5
Les limites latérales en 3 étant infinies, la droite d'équation x=3 est une asymptote verticale à la courbe Cf.
Exemple travaillé · 5
Soit g(x)=(2x−1)2x−6. Détermine la limite de g en 21 et précise l'asymptote associée.
1
Le dénominateur s'annule en x=21. Le numérateur tend vers 21−6=−211<0.
2
Pour tout x=21, le terme (2x−1)2 est un carré non nul, donc (2x−1)2>0. Le dénominateur tend vers 0+ à gauche comme à droite.
3
x→21limg(x)=0+−211=−∞
4
La limite en 21 étant −∞, la droite d'équation x=21 est une asymptote verticale à la courbe représentative de g.
Piège classique · 6
Soit h(x)=x−1x2−1 définie sur R∖{1}. La droite d'équation x=1 est-elle une asymptote verticale à la courbe de h ?
Attention
Conclure immédiatement qu'il y a une asymptote verticale parce que x=1 annule le dénominateur.
À la place : En x=1, le numérateur s'annule aussi (0/0). Pour x=1, h(x)=x−1(x−1)(x+1)=x+1, donc limx→1h(x)=2. La limite étant finie, il n'y a pas d'asymptote verticale (la fonction admet un prolongement par continuité).
Vérification · 7
On considère la fonction f(x)=x2−3x+22x2−4x+6. Quelles sont les asymptotes verticales de sa courbe représentative ?
Remarque
Le dénominateur se factorise en (x−1)(x−2). En x=1, le numérateur vaut 2(1)2−4(1)+6=4=0. En x=2, il vaut 2(4)−4(2)+6=6=0. Les deux limites sont donc infinies : les droites x=1 et x=2 sont deux asymptotes verticales.
Point de départ · 8
On considère la fonction f(x)=x+32x+1. Lorsque x prend des valeurs de plus en plus grandes (x→+∞), f(x) se rapproche de 2. Quelle droite la courbe Cf semble-t-elle longer à l'infini ?
À mesure que l'abscisse x grandit, les ordonnées f(x) se stabilisent autour de la valeur fixe 2. La courbe s'écrase sur la droite horizontale d'équation y=2.
Définition · 9
Asymptote horizontale
Soit f une fonction définie au voisinage de +∞ (respectivement de −∞) et L un nombre réel.
Si x→+∞limf(x)=L(respectivement x→−∞limf(x)=L)
alors la droite d'équation y=L est une asymptote horizontale à la courbe Cf au voisinage de +∞ (respectivement de −∞).
Remarque
L'existence d'une asymptote horizontale traduit le fait que l'écart vertical ∣f(x)−L∣ tend vers 0 lorsque x tend vers l'infini.
Exemple travaillé · 10
Soit f(x)=x2+43x2−5x. Justifie que la courbe Cf admet une asymptote horizontale en +∞ et en −∞, puis précise son équation.
1
La fonction f est une fraction rationnelle définie sur R car son dénominateur ne s'annule jamais (x2+4>0 pour tout réel x).
2
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 :
Puisque la limite est le réel fini 3, la droite d'équation y=3 est une asymptote horizontale à la courbe Cf au voisinage de +∞ et de −∞.
Exemple travaillé · 11
Soit g(x)=∣x−3∣2x−1 définie sur R∖{3}. Montre que la courbe de g admet deux asymptotes horizontales distinctes en +∞ et en −∞.
1
Au voisinage de +∞, on a x>3, donc ∣x−3∣=x−3. L'expression devient g(x)=x−32x−1.
2
x→+∞limg(x)=x→+∞limx2x=2
3
La droite d'équation y=2 est donc asymptote horizontale à la courbe au voisinage de +∞.
4
Au voisinage de −∞, on a x<3, donc ∣x−3∣=−(x−3)=−x+3. L'expression devient g(x)=−x+32x−1.
5
x→−∞limg(x)=x→−∞lim−x2x=−2
6
La droite d'équation y=−2 est donc asymptote horizontale à la courbe au voisinage de −∞.
Vérification · 12
On sait qu'une fonction f vérifie limx→+∞f(x)=−5. Quelle est la conclusion graphique exacte ?
Remarque
Une limite finie L lorsque x→+∞ correspond à une droite horizontale d'équation y=L. Ici, l'asymptote a pour équation y=−5.
Point de départ · 13
On considère la fonction f(x)=2x−1+x1. Lorsque x devient très grand (x→+∞), le terme x1 devient négligeable. De quelle droite la courbe Cf semble-t-elle se rapprocher ?
Lorsque x→+∞, x1→0, donc f(x)≈2x−1. La distance verticale entre la courbe et la droite d'équation y=2x−1 s'annule à l'infini : cette droite oblique sert de guide à la courbe.
Définition · 14
Asymptote oblique
Soit f une fonction définie au voisinage de +∞ (respectivement de −∞) et Δ une droite d'équation y=ax+b avec a=0.
Si x→+∞lim[f(x)−(ax+b)]=0(respectivement x→−∞lim[f(x)−(ax+b)]=0)
alors la droite Δ:y=ax+b est une asymptote oblique à la courbe Cf au voisinage de +∞ (respectivement de −∞).
Remarque
Une asymptote oblique peut parfaitement couper la courbe Cf en un ou plusieurs points finis : seule compte l'annulation de l'écart à l'infini.
Exemple travaillé · 15
Soit f(x)=x−2x2−3x+3 définie sur R∖{2}. Démontre que la droite Δ d'équation y=x−1 est une asymptote oblique à Cf au voisinage de +∞.
1
On forme l'expression de la différence f(x)−(x−1) pour tout x=2 :
2
f(x)−(x−1)=x−2x2−3x+3−(x−1)
3
On réduit au même dénominateur en développant (x−1)(x−2)=x2−3x+2 :
4
f(x)−(x−1)=x−2x2−3x+3−(x2−3x+2)=x−21
5
On évalue la limite de cette différence en +∞ :
6
x→+∞lim[f(x)−(x−1)]=x→+∞limx−21=0
7
La limite étant nulle, la droite Δ:y=x−1 est une asymptote oblique à Cf au voisinage de +∞.
Exemple travaillé · 16
Soit f(x)=x+2x2+3x+4 définie sur R∖{−2}. Détermine l'équation de l'asymptote oblique à Cf en +∞ et −∞ par identification des coefficients.
1
On cherche trois réels a, b et c tels que pour tout x=−2 :
2
f(x)=ax+b+x+2c
3
On réduit au même dénominateur et on ordonne le numérateur :
Par identification avec x2+3x+4, on établit et on résout le système :
6
⎩⎨⎧a=12a+b=3⟹b=3−2(1)=12b+c=4⟹c=4−2(1)=2
7
On en déduit l'écriture décomposée f(x)=x+1+x+22. Comme limx→±∞x+22=0, la droite d'équation y=x+1 est l'asymptote oblique à Cf aux voisinages de +∞ et −∞.
Vérification · 17
On considère la fonction g(x)=−x+3+x2+12 définie sur R. Quelle est l'asymptote oblique à sa courbe représentative ?
Remarque
L'expression est déjà décomposée sous la forme ax+b+φ(x) avec ax+b=−x+3. Puisque limx→±∞x2+12=0, la droite d'équation y=−x+3 est directement l'asymptote oblique en +∞ et en −∞.
Définition · 18
Position relative d'une courbe et de son asymptote
Pour étudier la position de la courbe Cf par rapport à une droite asymptote Δ d'équation y=ax+b (ou y=L), on étudie le signe algébrique de la différence f(x)−yΔ sur le domaine d'étude.
f(x)−yΔ>0⟺Cf est situeˊe strictement au-dessus de Δ
f(x)−yΔ<0⟺Cf est situeˊe strictement en dessous de Δ
Remarque
Si la différence s'annule en un réel x0, la courbe Cf et la droite Δ se coupent au point d'abscisse x0.
Exemple travaillé · 19
Soit f(x)=x−1+x−24 définie sur R∖{2} et Δ la droite d'équation y=x−1. Étudie la position relative de Cf par rapport à Δ.
1
On calcule la différence entre f(x) et l'équation de l'asymptote pour tout x=2 :
2
f(x)−(x−1)=x−24
3
Le numérateur 4 est strictement positif. Le signe de la différence dépend uniquement du dénominateur x−2 :
x
−∞
2
+∞
x-2
-
0
+
f(x)−yΔ
-
‖
+
4
Sur ]−∞2[, la différence est négative : Cf est située en dessous de Δ.
5
Sur ]2+∞[, la différence est positive : Cf est située au-dessus de Δ.
Piège classique · 20
Sachant que limx→+∞[f(x)−(x−1)]=0, peut-on affirmer que la courbe Cf est toujours au-dessus de l'asymptote y=x−1 ?
Attention
Confondre la limite nulle de la différence avec un signe positif constant sur tout le domaine.
À la place : La limite nulle garantit seulement que la courbe se rapproche de la droite à l'infini. Pour connaître la position (au-dessus ou en dessous), il faut impérativement étudier le signe de la différence f(x)−(x−1) sur chaque intervalle.
Exemple travaillé · 21
Soit f(x)=x+x23x−1 définie sur R∗ et Δ la droite d'équation y=x. Étudie la position de Cf par rapport à Δ et détermine leur point d'intersection.
1
On calcule la différence : f(x)−yΔ=(x+x23x−1)−x=x23x−1.
2
Pour tout x=0, le dénominateur x2 est strictement positif. Le signe de la différence dépend uniquement du numérateur 3x−1.
3
On résout f(x)−yΔ=0⟺3x−1=0⟺x=31. La courbe Cf coupe Δ au point K(3131).
4
Sur ]−∞0[ et sur ]031[, 3x−1<0 : Cf est située en dessous de Δ.
5
Sur ]31+∞[, 3x−1>0 : Cf est située au-dessus de Δ.
Vérification · 22
Soit f(x)=1+(x−2)25x−14 définie sur R∖{2}. Au voisinage de +∞, quelle est la position de Cf par rapport à son asymptote horizontale y=1 ?
Remarque
La différence f(x)−1=(x−2)25x−14 a un dénominateur strictement positif. Pour x>2,8, 5x−14>0, donc f(x)−1>0 : au voisinage de +∞, Cf est strictement au-dessus de son asymptote.
Rappel · 23
Complète la simplification de x2 selon le signe du réel x :
Remarque
Pour tout réel x, on a x2=∣x∣. Lorsque x<0 (notamment pour une limite au voisinage de −∞), la valeur absolue se simplifie en −x.
Point de départ · 24
On compare les limites en +∞ de f(x)=4x2+1−x et g(x)=x2+1−x. Pour laquelle de ces deux fonctions les termes dominants s'annulent-ils exactement en +∞ ?
Pour f(x), le terme sous la racine se comporte comme 4x2=2x, donc la différence des dominants est 2x−x=x→+∞ : la factorisation par x suffit. Pour g(x), le dominant est x2=x, donc les dominants se compensent (x−x=0) : seule l'expression conjuguée permet de lever l'indétermination.
Définition · 25
Levée d'indétermination sur ax2+bx+c+dx en l'infini
Soit une expression du type ax2+bx+c+dx avec a>0 et d=0, présentant une forme indéterminée ∞−∞ en +∞ ou −∞ :
Si a=∣d∣⟹Factoriser par ∣x∣ sous et hors de la racine
Si a=∣d∣ (avec termes de signes opposeˊs)⟹Multiplier par la quantiteˊ conjugueˊe
Remarque
Attention au signe lors de la factorisation : x2=x en +∞, mais x2=−x en −∞.
Exemple travaillé · 26
Calcule limx→+∞(9x2−8x+6−x).
1
On compare les coefficients : 9=3=1. Les termes dominants ne se compensent pas, on procède par factorisation par x (puisque x>0 en +∞).
2
9x2−8x+6−x=x2(9−x8+x26)−x=x9−x8+x26−x
3
=x(9−x8+x26−1)
4
On évalue les limites des facteurs :
5
x→+∞limx=+∞etx→+∞lim(9−x8+x26−1)=9−1=2>0
6
Par produit de limites, on conclut : limx→+∞(9x2−8x+6−x)=+∞.
Exemple travaillé · 27
Calcule limx→+∞(x2−4x−x).
1
Ici a=1 et d=−1, donc a=∣d∣=1. Les termes dominants s'annulent (x−x=0). On multiplie et divise par l'expression conjuguée :
Pour x>0, on factorise le dénominateur par x car x2−4x=x1−x4 :
4
x(1−x4+1)−4x=1−x4+1−4
5
Comme limx→+∞(1−x4+1)=1+1=2, on obtient par quotient : limx→+∞(x2−4x−x)=2−4=−2.
Piège classique · 28
Pour calculer limx→−∞(−x+x2−4), faut-il utiliser l'expression conjuguée ?
Attention
Appliquer l'expression conjuguée par réflexe dès qu'apparaissent un radical et un signe « - ».
À la place : En −∞, on a limx→−∞(−x)=+∞ et limx→−∞x2−4=+∞. Il s'agit d'une somme directe de termes tendant vers +∞, donc la limite vaut directement +∞ sans aucune indétermination.
Piège classique · 29
Lors de la factorisation de x2+2x pour x<0 (au voisinage de −∞), quelle expression obtient-on ?
Attention
Écrire x2(1+2/x)=x1+2/x en omettant le signe négatif de la variable.
À la place : Pour tout x<0, x2=∣x∣=−x. L'écriture correcte est donc −x1+x2.
Exemple travaillé · 30
Soit f(x)=x2+6x+8. Démontre que la droite Δ d'équation y=−x−3 est une asymptote oblique à Cf au voisinage de −∞.
1
On étudie la limite de la différence f(x)−(−x−3)=x2+6x+8+(x+3) quand x→−∞.
2
Puisque x2+6x+8→+∞ et x+3→−∞, il y a indétermination. On applique la quantité conjuguée :