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Généralités sur les fonctions — cours

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

Le cours

Rappel · 1

Conditions d'existence fondamentales

Pour qu'une expression algébrique soit calculable dans R\mathbb{R}, deux contraintes de base s'appliquent :

Pour AB, le deˊnominateur doit eˆtre non nul : B0\text{Pour } \frac{A}{B} \text{, le dénominateur doit être non nul : } B \neq 0
Pour A, l’expression sous le radical doit eˆtre positive ou nulle : A0\text{Pour } \sqrt{A} \text{, l'expression sous le radical doit être positive ou nulle : } A \ge 0

Définition · 2

Domaine de définition

L'ensemble de définition d'une fonction ff, noté DfD_f, est l'ensemble des réels xx pour lesquels l'image f(x)f(x) existe.

Df={xRf(x)R}D_f = \{ x \in \mathbb{R} \mid f(x) \in \mathbb{R} \}

Lorsque plusieurs opérations restreintes coexistent dans l'écriture de f(x)f(x), xx doit vérifier simultanément toutes les conditions d'existence.

Exemple travaillé · 3

Déterminer l'ensemble de définition de la fonction ff définie par f(x)=x+1x+11f(x) = \frac{x+1}{\sqrt{x+1}-1}.

1

On pose simultanément la condition de la racine carrée et celle du dénominateur non nul.

2
x+10    x1x + 1 \ge 0 \iff x \ge -1
3
x+110    x+11    x+11    x0\sqrt{x+1} - 1 \neq 0 \iff \sqrt{x+1} \neq 1 \iff x + 1 \neq 1 \iff x \neq 0
4

On prend l'intersection des deux conditions : x[1;+[x \in [-1\,;\,+\infty[ et x0x \neq 0.

5
Df=[1;0[]0;+[D_f = [-1\,;\,0[\, \cup\, ]0\,;\,+\infty[

Exemple travaillé · 4

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

1

La racine carrée impose que le radicande soit positif ou nul : x2x0x^2 - |x| \ge 0.

2

On utilise l'égalité x2=x2x^2 = |x|^2 pour factoriser par x|x| :

3
x2x0    x(x1)0|x|^2 - |x| \ge 0 \iff |x|(|x| - 1) \ge 0
4

Puisque x0|x| \ge 0 pour tout réel xx, le produit est positif ou nul si x=0|x| = 0 ou si x10|x| - 1 \ge 0.

5

x=0    x=0|x| = 0 \iff x = 0, et x1    x1 ou x1|x| \ge 1 \iff x \le -1 \text{ ou } x \ge 1.

6
Dg=];1]{0}[1;+[D_g = ]-\infty\,;\,-1] \cup \{0\} \cup [1\,;\,+\infty[

Piège classique · 5

Quel est l'ensemble de définition de la fonction h(x)=1x23h(x) = \frac{1}{\sqrt{x-2} - 3} ?

Attention

Résoudre uniquement x230    x11\sqrt{x-2} - 3 \neq 0 \implies x \neq 11 et conclure que Dh=R{11}D_h = \mathbb{R} \setminus \{11\}.

À la place : Il faut également garantir l'existence de la racine carrée : x20    x2x - 2 \ge 0 \iff x \ge 2. Le domaine est donc [2;11[]11;+[[2\,;\,11[\, \cup\, ]11\,;\,+\infty[.

Vérification · 6

Quel est l'ensemble de définition de la fonction k(x)=xx2k(x) = \frac{x}{|x|-2} ?

Remarque

Le dénominateur s'annule lorsque x2=0    x=2|x|-2 = 0 \iff |x| = 2, soit x=2x = 2 ou x=2x = -2. L'ensemble de définition est donc R{2;2}\mathbb{R} \setminus \{-2\,;\,2\}.

Point de départ · 7

Soit ff la fonction définie sur Df=[1;+[D_f = [-1\,;\,+\infty[ par f(x)=3x1+xf(x) = \frac{3x}{1+|x|}. Que peut-on dire de la parité de ff ?

Pour x=2x = 2, on a bien 2Df2 \in D_f, mais son opposé 2Df-2 \notin D_f. L'expression f(2)f(-2) n'a aucun sens. La fonction ff ne peut donc être ni paire ni impaire.

Définition · 8

Parité et symétries de la courbe

Soit ff une fonction définie sur un ensemble DfD_f.

La fonction ff est dite paire si pour tout xDfx \in D_f :

xDf-x \in D_f

f(x)=f(x)f(-x) = f(x)

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

La fonction ff est dite impaire si pour tout xDfx \in D_f :

xDf-x \in D_f

f(x)=f(x)f(-x) = -f(x)

Dans un repère, la courbe Cf\mathcal{C}_f d'une fonction impaire admet l'origine OO comme centre de symétrie.

Piège classique · 9

On considère h(x)=2x23x+1h(x) = \sqrt{2x^2-3x+1}. Un élève calcule directement h(x)h(-x) sans chercher DhD_h. Quel est le risque ?

Attention

Calculer f(x)f(-x) dès le départ sans s'assurer que pour tout xDfx \in D_f, xDf-x \in D_f.

À la place : Déterminer DfD_f en premier. Pour hh, Dh=];1/2][1;+[D_h = ]-\infty\,;\,1/2] \cup [1\,;\,+\infty[ n'est pas symétrique par rapport à 00 (par exemple 1/2Dh-1/2 \in D_h mais 1/2Dh1/2 \notin D_h). La fonction n'est donc ni paire ni impaire, sans calcul algébrique.

Exemple travaillé · 10

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

1

Pour tout réel xx, x0|x| \ge 0, donc x+44>0|x| + 4 \ge 4 > 0. Le dénominateur ne s'annule jamais : Df=RD_f = \mathbb{R}.

2

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

3

On évalue f(x)f(-x) en utilisant x=x|-x| = |x| et (x)3=x3(-x)^3 = -x^3 :

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

On factorise par 1-1 au numérateur :

6
f(x)=(x3xx+4)=f(x)f(-x) = -\left(\frac{x^3 - x}{|x| + 4}\right) = -f(x)
7

Puisque f(x)=f(x)f(-x) = -f(x) pour tout réel xx, la fonction ff est impaire.

Exemple travaillé · 11

Soient uu et vv deux fonctions impaires définies sur un ensemble DD symétrique par rapport à 00. Déterminer la parité de la fonction produit P=u×vP = u \times v.

1

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

2

Les fonctions uu et vv étant impaires, u(x)=u(x)u(-x) = -u(x) et v(x)=v(x)v(-x) = -v(x) pour tout xDx \in D.

3

On calcule P(x)P(-x) :

4
P(x)=u(x)×v(x)=(u(x))×(v(x))P(-x) = u(-x) \times v(-x) = (-u(x)) \times (-v(x))
5

Par la règle des signes (1)×(1)=1(-1) \times (-1) = 1 :

6
P(x)=u(x)×v(x)=P(x)P(-x) = u(x) \times v(x) = P(x)
7

Pour tout xDx \in D, P(x)=P(x)P(-x) = P(x), donc le produit u×vu \times v est une fonction paire.

Vérification · 12

Soit la fonction gg définie par g(x)=x1g(x) = \sqrt{|x| - 1}. Quelle est la parité de gg ?

Remarque

g(x)g(x) existe si x10    x1|x|-1 \ge 0 \iff |x| \ge 1, soit Dg=];1][1;+[D_g = ]-\infty\,;\,-1] \cup [1\,;\,+\infty[, qui est symétrique par rapport à 00. De plus, g(x)=x1=x1=g(x)g(-x) = \sqrt{|-x|-1} = \sqrt{|x|-1} = g(x). La fonction gg est donc paire.

Point de départ · 13

Si une fonction ff prend des valeurs négatives pour certaines abscisses, que produit la transformation y=f(x)y = |f(x)| sur sa courbe représentative Cf\mathcal{C}_f ?

La valeur absolue appliquée à l'image, f(x)|f(x)|, rend positives toutes les ordonnées : les portions de courbe situées sous l'axe des abscisses sont rabattues vers le haut par symétrie par rapport à (O,i)(O, \vec{i}).

Définition · 14

Transformations de courbes : translations et valeurs absolues

Soit Cf\mathcal{C}_f la courbe représentative d'une fonction ff dans un repère orthogonal (O,i,j)(O, \vec{i}, \vec{j}).

y=f(xa)+b    C est l’image de Cf par la translation de vecteur u=ai+bjy = f(x - a) + b \iff \mathcal{C} \text{ est l'image de } \mathcal{C}_f \text{ par la translation de vecteur } \vec{u} = a\vec{i} + b\vec{j}

Pour les transformations avec valeur absolue, l'impact dépend de la position des barres :

g(x)=f(x)    Cg conserve la partie ouˋ f(x)0 et redresse par symeˊtrie axiale d’axe (O,i) la partie ouˋ f(x)<0g(x) = |f(x)| \implies \mathcal{C}_g \text{ conserve la partie où } f(x) \ge 0 \text{ et redresse par symétrie axiale d'axe } (O, \vec{i}) \text{ la partie où } f(x) < 0

h(x)=f(x)    Ch conserve la restriction sur [0;+[ et se compleˋte par symeˊtrie axiale d’axe (O,j)h(x) = f(|x|) \implies \mathcal{C}_h \text{ conserve la restriction sur } [0\,;\,+\infty[ \text{ et se complète par symétrie axiale d'axe } (O, \vec{j})

Piège classique · 15

Pour tracer la courbe de h(x)=f(x)h(x) = f(|x|) à partir de la courbe Cf\mathcal{C}_f, quelle démarche géométrique applique-t-on ?

Attention

Rabattre vers le haut les portions de courbe situées sous l'axe des abscisses (ce qui correspond à f(x)|f(x)|).

À la place : Conserver la courbe sur [0;+[[0\,;\,+\infty[ et la dupliquer sur ];0]]-\infty\,;\,0] par symétrie axiale d'axe (O,j)(O, \vec{j}), car hh est paire (h(x)=h(x)h(-x) = h(x)).

Piège classique · 16

Par quelle translation passe-t-on de la courbe de f(x)=x2f(x) = x^2 à celle de g(x)=(x+3)2g(x) = (x+3)^2 ?

Attention

Associer le signe « + » dans (x+3)(x+3) à un déplacement vers la droite de vecteur 3i3\vec{i}.

À la place : L'expression générale est f(xa)f(x - a) : (x+3)=(x(3))(x+3) = (x - (-3)). La translation est donc de vecteur 3i-3\vec{i} (déplacement de 3 unités vers la gauche).

Exemple travaillé · 17

Soit la fonction g(x)=32(x2)2g(x) = -\frac{3}{2}(x-2)^2. Expliquer comment construire la courbe de h(x)=32(x2)2h(x) = -\frac{3}{2}(|x|-2)^2 à partir de Cg\mathcal{C}_g.

1

Pour tout x0x \ge 0, x=x|x| = x, donc h(x)=32(x2)2=g(x)h(x) = -\frac{3}{2}(x-2)^2 = g(x). La courbe Ch\mathcal{C}_h est confondue avec Cg\mathcal{C}_g sur [0;+[[0\,;\,+\infty[.

2

Pour tout réel xx, h(x)=32(x2)2=32(x2)2=h(x)h(-x) = -\frac{3}{2}(|-x|-2)^2 = -\frac{3}{2}(|x|-2)^2 = h(x) : la fonction hh est paire.

3

On complète le tracé sur ];0]]-\infty\,;\,0] par symétrie axiale de la portion positive par rapport à l'axe des ordonnées (O,j)(O, \vec{j}).

Exemple travaillé · 18

Soit g(x)=x+1g(x) = \sqrt{x+1}. Décrire les transformations géométriques permettant de construire la courbe de k(x)=x+1+4k(x) = -\sqrt{x+1} + 4 à partir de Cg\mathcal{C}_g.

1

On analyse la succession des opérations algébriques : k(x)=g(x)+4k(x) = -g(x) + 4.

2

Première étape : l'opération g(x)-g(x) multiplie les ordonnées par 1-1. On applique une symétrie orthogonale par rapport à l'axe des abscisses (O,i)(O, \vec{i}).

3

Deuxième étape : l'ajout de +4+4 applique une translation de vecteur 4j4\vec{j} (vers le haut).

4

La courbe Ck\mathcal{C}_k s'obtient donc en symétrisant Cg\mathcal{C}_g par rapport à (O,i)(O, \vec{i}), puis en translatant la courbe obtenue de vecteur 4j4\vec{j}.

Vérification · 19

Par quelle transformation géométrique obtient-on la courbe de g(x)=f(x+2)3g(x) = f(x+2) - 3 à partir de Cf\mathcal{C}_f ?

Remarque

g(x)=f(x(2))+(3)g(x) = f(x - (-2)) + (-3) est l'image de Cf\mathcal{C}_f par la translation de vecteur u=2i3j\vec{u} = -2\vec{i} - 3\vec{j} (2 unités vers la gauche et 3 unités vers le bas).

Point de départ · 20

La courbe d'une fonction ff reproduit exactement le même motif horizontalement toutes les 33 unités vers la droite et vers la gauche. Quelle relation algébrique relie f(x+3)f(x+3) et f(x)f(x) ?

Avancer de 33 unités sur l'axe des abscisses redonne exactement la même ordonnée : f(x+3)=f(x)f(x+3) = f(x).

Définition · 21

Périodicité d'une fonction

Soit ff une fonction définie sur un ensemble DD et pp un réel strictement positif (p>0p > 0).

On dit que ff est périodique de période pp si pour tout xDx \in D :

x+pDetxpDx + p \in D \quad \text{et} \quad x - p \in D

f(x+p)=f(x)f(x + p) = f(x)

La courbe Cf\mathcal{C}_f est invariante par les translations de vecteurs kpik p \vec{i} avec kZk \in \mathbb{Z}.

Exemple travaillé · 22

Montrer que la fonction g:xsin(ax+b)g : x \mapsto \sin(ax+b) (avec a0a \neq 0) est périodique de période T=2πaT = \frac{2\pi}{|a|}.

1

Le domaine de définition de gg est R\mathbb{R}, donc pour tout réel xx, x+2πaRx + \frac{2\pi}{|a|} \in \mathbb{R}.

2

On calcule g(x+2πa)g\left(x + \frac{2\pi}{|a|}\right) :

3
g(x+2πa)=sin(a(x+2πa)+b)=sin(ax+a2πa+b)g\left(x + \frac{2\pi}{|a|}\right) = \sin\left(a\left(x + \frac{2\pi}{|a|}\right) + b\right) = \sin\left(ax + a\frac{2\pi}{|a|} + b\right)
4

Puisque a2πa=±2πa\frac{2\pi}{|a|} = \pm 2\pi, l'expression devient :

5
sin(ax+b±2π)=sin(ax+b)=g(x)\sin(ax + b \pm 2\pi) = \sin(ax + b) = g(x)
6

La fonction sinus étant 2π2\pi-périodique, on a bien g(x+2πa)=g(x)g\left(x + \frac{2\pi}{|a|}\right) = g(x) : la période est T=2πaT = \frac{2\pi}{|a|}.

Exemple travaillé · 23

Une fonction ff définie sur R\mathbb{R} est périodique de période 22. Sur l'intervalle [0;2][0\,;\,2], sa courbe forme un motif reliant (0,0)(0, 0) à (1,2)(1, 2) puis à (2,0)(2, 0). Calculer f(7)f(7) et visualiser la répétition sur R\mathbb{R}.

1

Puisque ff est de période 22, toute la courbe Cf\mathcal{C}_f s'obtient en translatant le motif initial par les vecteurs 2ki2k\vec{i} (kZk \in \mathbb{Z}).

2

Pour évaluer f(7)f(7), on ramène l'abscisse 77 dans l'intervalle de base [0;2][0\,;\,2] en décomposant par multiples de la période 22 :

3
7=1+3×27 = 1 + 3 \times 2
4

Par périodicité : f(7)=f(1+3×2)=f(1)f(7) = f(1 + 3 \times 2) = f(1).

5

D'après le motif sur [0;2][0\,;\,2], le sommet est atteint en (1,2)(1, 2), donc f(1)=2f(1) = 2. On en déduit f(7)=2f(7) = 2.

Vérification · 24

Quelle est la période de la fonction h(x)=cos(3x1)h(x) = \cos(3x - 1) ?

Remarque

Pour xcos(ax+b)x \mapsto \cos(ax+b), la période est T=2πaT = \frac{2\pi}{|a|}. Ici a=3a = 3, donc T=2π3T = \frac{2\pi}{3}.

Point de départ · 25

On considère f(x)=2xx2+1f(x) = \frac{2x}{x^2+1} sur R\mathbb{R}. Peut-on déterminer si ff est majorée en encadrant séparément 2x2x et x2+1x^2+1 sur R\mathbb{R} ?

Sur R\mathbb{R}, l'expression 2x2x prend des valeurs aussi grandes ou petites que l'on veut : elle n'est ni majorée ni minorée. L'encadrement terme à terme est impossible. Pour borner une telle fraction, il faut comparer directement f(x)f(x) à une constante MM en étudiant le signe de la différence f(x)Mf(x) - M.

Définition · 26

Fonction majorée, minorée, bornée

Soit ff une fonction définie sur un ensemble DD.

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,mf(x)f \text{ est minorée sur } D \iff \exists m \in \mathbb{R}, \forall x \in D, m \le f(x)

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

Piège classique · 27

Pour montrer que f(x)=x21+x+x2f(x) = \frac{x^2}{1+x+x^2} est majorée par 43\frac{4}{3} sur R\mathbb{R}, quelle démarche doit-on adopter ?

Attention

Essayer d'encadrer séparément le numérateur x2x^2 et le dénominateur 1+x+x21+x+x^2 sur R\mathbb{R}.

À la place : Étudier le signe de la différence f(x)43f(x) - \frac{4}{3} sur R\mathbb{R}. En réduisant au même dénominateur, on fait apparaître une identité remarquable au numérateur.

Exemple travaillé · 28

Montrer que la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x21+x+x2f(x) = \frac{x^2}{1 + x + x^2} est majorée par 43\frac{4}{3}.

1

On étudie le signe de la différence f(x)43f(x) - \frac{4}{3} sur R\mathbb{R} :

2
f(x)43=x21+x+x243=3x24(1+x+x2)3(1+x+x2)f(x) - \frac{4}{3} = \frac{x^2}{1 + x + x^2} - \frac{4}{3} = \frac{3x^2 - 4(1 + x + x^2)}{3(1 + x + x^2)}
3

On développe et factorise le numérateur par le signe moins :

4
3x244x4x2=x24x4=(x2+4x+4)=(x+2)23x^2 - 4 - 4x - 4x^2 = -x^2 - 4x - 4 = -(x^2 + 4x + 4) = -(x + 2)^2
5

On réécrit l'expression de la différence :

6
f(x)43=(x+2)23(x2+x+1)f(x) - \frac{4}{3} = \frac{-(x + 2)^2}{3(x^2 + x + 1)}
7

Pour le dénominateur, le discriminant de x2+x+1x^2 + x + 1 vaut Δ=124(1)(1)=3<0\Delta = 1^2 - 4(1)(1) = -3 < 0. Comme a=1>0a = 1 > 0, le trinôme est strictement positif sur R\mathbb{R}.

8

Puisque (x+2)20(x+2)^2 \ge 0, le numérateur est négatif ou nul et le dénominateur est strictement positif. Ainsi, f(x)430f(x) - \frac{4}{3} \le 0, d'où f(x)43f(x) \le \frac{4}{3} pour tout xRx \in \mathbb{R}.

Exemple travaillé · 29

Montrer que la fonction ff définie sur [0;+[[0\,;\,+\infty[ par f(x)=x+1xf(x) = \sqrt{x+1} - \sqrt{x} est bornée sur son domaine.

1

Pour tout x0x \ge 0, on multiplie et divise par l'expression conjuguée (x+1+x)(\sqrt{x+1} + \sqrt{x}) :

2
f(x)=(x+1x)(x+1+x)x+1+x=(x+1)xx+1+x=1x+1+xf(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+11x+1 \ge 1, donc x+11\sqrt{x+1} \ge 1, et x0\sqrt{x} \ge 0.

4

En additionnant ces inégalités :

5
x+1+x1\sqrt{x+1} + \sqrt{x} \ge 1
6

Par passage à l'inverse (les termes étant strictement positifs) :

7
0<1x+1+x10 < \frac{1}{\sqrt{x+1} + \sqrt{x}} \le 1
8

Pour tout x0x \ge 0, on a 0<f(x)10 < f(x) \le 1. La fonction ff est donc minorée par 00 et majorée par 11, elle est bornée sur [0;+[[0\,;\,+\infty[.

Vérification · 30

Soit g(x)=3x2x2+2g(x) = \frac{3x^2}{x^2+2} définie sur R\mathbb{R}. Laquelle de ces propositions est exacte ?

Remarque

Pour tout réel xx, 3x203x^2 \ge 0 et x2+2>0x^2+2 > 0, donc g(x)0g(x) \ge 0. De plus, x2<x2+2    3x2<3(x2+2)x^2 < x^2+2 \implies 3x^2 < 3(x^2+2), d'où 3x2x2+2<3\frac{3x^2}{x^2+2} < 3. Ainsi, 0g(x)<30 \le g(x) < 3 : la fonction gg est bornée sur R\mathbb{R}.

Point de départ · 31

Soit la fonction f(x)=1x2+1f(x) = \frac{1}{x^2+1} définie sur ]0;+[]0\,;\,+\infty[. On a pour tout x>0x > 0, f(x)<1f(x) < 1. Le réel 11 est-il le maximum de ff sur cet intervalle ?

Pour que 11 soit le maximum, il faudrait qu'il existe un réel x0]0;+[x_0 \in ]0\,;\,+\infty[ tel que f(x0)=1f(x_0) = 1, ce qui impose x0=0x_0 = 0. Or 0]0;+[0 \notin ]0\,;\,+\infty[. Donc 11 est un majorant, mais pas un maximum de ff sur cet intervalle.

Définition · 32

Maximum et minimum d'une fonction

Soit ff une fonction définie sur un ensemble DD et x0x_0 un réel de DD.

f(x0) est le maximum absolu de f sur D    xD,f(x)f(x0)f(x_0) \text{ est le maximum absolu de } f \text{ sur } D \iff \forall x \in D,\, f(x) \le f(x_0)

f(x0) est le minimum absolu de f sur D    xD,f(x)f(x0)f(x_0) \text{ est le minimum absolu de } f \text{ sur } D \iff \forall x \in D,\, f(x) \ge f(x_0)

Un extremum est un majorant (ou un minorant) qui est obligatoirement atteint en un point x0x_0 appartenant au domaine DD.

On dit que f(x0)f(x_0) est un maximum local (ou relatif) s'il existe un intervalle ouvert IDI \subset D contenant x0x_0 sur lequel f(x)f(x0)f(x) \le f(x_0) pour tout xIx \in I.

Piège classique · 33

On a montré que pour tout x[3;6]x \in [3\,;\,6], g(x)=x24x4g(x) = -x^2 - 4x \le 4. Peut-on affirmer directement que 44 est le maximum de gg sur [3;6][3\,;\,6] ?

Attention

Conclure que 44 est le maximum de la restriction à [3;6][3\,;\,6] sans vérifier l'existence d'un antécédent dans cet intervalle.

À la place : L'égalité g(x)=4    (x+2)2=0    x=2g(x) = 4 \iff -(x+2)^2 = 0 \iff x = -2. Comme 2[3;6]-2 \notin [3\,;\,6], la valeur 44 n'est jamais atteinte sur [3;6][3\,;\,6] : 44 est un majorant, mais pas le maximum sur [3;6][3\,;\,6].

Exemple travaillé · 34

Déterminer le minimum de la fonction f(x)=x24x1f(x) = x^2 - 4x - 1 sur R\mathbb{R} en utilisant sa forme canonique.

1

On met le trinôme sous forme canonique en reconnaissant le début du développement de (x2)2=x24x+4(x - 2)^2 = x^2 - 4x + 4 :

2
f(x)=(x2)241=(x2)25f(x) = (x - 2)^2 - 4 - 1 = (x - 2)^2 - 5
3

Pour tout réel xx, (x2)20(x - 2)^2 \ge 0. En retranchant 55 :

4
(x2)255    f(x)5(x - 2)^2 - 5 \ge -5 \iff f(x) \ge -5
5

On résout l'équation f(x)=5f(x) = -5 :

6
(x2)25=5    (x2)2=0    x=2(x - 2)^2 - 5 = -5 \iff (x - 2)^2 = 0 \iff x = 2
7

Puisque 2R2 \in \mathbb{R}, la valeur 5-5 est atteinte en x=2x = 2. Le minimum absolu de ff sur R\mathbb{R} est donc 5-5.

Exemple travaillé · 35

Soit la fonction ff définie sur R+\mathbb{R}_+^* par f(x)=x2+16xf(x) = x^2 + \frac{16}{x}. Montrer que 1212 est le minimum de ff sur R+\mathbb{R}_+^*.

1

On étudie le signe de la différence f(x)12f(x) - 12 pour tout x>0x > 0 :

2
f(x)12=x2+16x12=x312x+16xf(x) - 12 = x^2 + \frac{16}{x} - 12 = \frac{x^3 - 12x + 16}{x}
3

On factorise le numérateur en remarquant que x=2x = 2 l'annule (2312(2)+16=824+16=02^3 - 12(2) + 16 = 8 - 24 + 16 = 0) :

4
x312x+16=(x2)(x2+2x8)=(x2)2(x+4)x^3 - 12x + 16 = (x - 2)(x^2 + 2x - 8) = (x - 2)^2(x + 4)
5

Pour tout x>0x > 0, on a (x2)20(x - 2)^2 \ge 0, x+4>0x + 4 > 0 et x>0x > 0. Le quotient est donc positif ou nul :

6
(x2)2(x+4)x0    f(x)12\frac{(x - 2)^2(x + 4)}{x} \ge 0 \iff f(x) \ge 12
7

On évalue f(2)=22+162=4+8=12f(2) = 2^2 + \frac{16}{2} = 4 + 8 = 12. La valeur 1212 est atteinte en x=2R+x = 2 \in \mathbb{R}_+^*, c'est donc le minimum de ff sur R+\mathbb{R}_+^*.

Vérification · 36

Soit la fonction f(x)=(x+1)2+2f(x) = -(x+1)^2 + 2 définie sur l'intervalle [1;3][-1\,;\,3]. Quel est le maximum de ff sur cet intervalle ?

Remarque

Pour tout réel xx, (x+1)20-(x+1)^2 \le 0, d'où f(x)2f(x) \le 2. L'égalité f(x)=2f(x) = 2 est vérifiée pour x=1x = -1. Comme 1[1;3]-1 \in [-1\,;\,3], la valeur 22 est atteinte : le maximum est 22.

Définition · 37

Sens de variation et taux d'accroissement

Soit ff une fonction définie sur un intervalle II.

f est croissante sur I    a,bI,a<b    f(a)f(b)f \text{ est croissante sur } I \iff \forall a, b \in I, a < b \implies f(a) \le f(b)

f est deˊcroissante sur I    a,bI,a<b    f(a)f(b)f \text{ est décroissante sur } I \iff \forall a, b \in I, a < b \implies f(a) \ge f(b)

Pour tous réels distincts aa et bb de II, le taux d'accroissement de ff est le quotient f(b)f(a)ba\frac{f(b)-f(a)}{b-a}.

f est croissante sur I    f(b)f(a)ba0(deˊcroissante si 0)f \text{ est croissante sur } I \iff \frac{f(b)-f(a)}{b-a} \ge 0 \quad (\text{décroissante si } \le 0)

Définition · 38

Opérations sur les variations

Soient uu et vv deux fonctions définies sur un même intervalle II.

Si u et v sont croissantes sur I, alors u+v est croissante sur I.\text{Si } u \text{ et } v \text{ sont croissantes sur } I \text{, alors } u + v \text{ est croissante sur } I.

Si k>0ku a le meˆme sens que u. Si k<0ku a le sens contraire de u.\text{Si } k > 0 \text{, } ku \text{ a le même sens que } u \text{. Si } k < 0 \text{, } ku \text{ a le sens contraire de } u.

Si u0 sur Iu conserve le sens de variation de u.\text{Si } u \ge 0 \text{ sur } I \text{, } \sqrt{u} \text{ conserve le sens de variation de } u.

Si u garde un signe constant strict sur I1u a le sens contraire de u.\text{Si } u \text{ garde un signe constant strict sur } I \text{, } \frac{1}{u} \text{ a le sens contraire de } u.

Exemple travaillé · 39

Étudier le sens de variation de la fonction f(x)=xx2f(x) = \frac{x}{x-2} sur l'intervalle I=]2;+[I = ]2\,;\,+\infty[ à l'aide du taux d'accroissement.

1

Soient aa et bb deux réels distincts de l'intervalle ]2;+[]2\,;\,+\infty[.

2

On exprime la différence f(b)f(a)f(b) - f(a) en réduisant au même dénominateur :

3
f(b)f(a)=bb2aa2=b(a2)a(b2)(a2)(b2)=2(ba)(a2)(b2)f(b) - f(a) = \frac{b}{b-2} - \frac{a}{a-2} = \frac{b(a-2) - a(b-2)}{(a-2)(b-2)} = \frac{-2(b-a)}{(a-2)(b-2)}
4

On simplifie le taux d'accroissement par (ba)0(b-a) \neq 0 :

5
T=f(b)f(a)ba=2(a2)(b2)T = \frac{f(b)-f(a)}{b-a} = \frac{-2}{(a-2)(b-2)}
6

Puisque a>2a > 2 et b>2b > 2, les facteurs (a2)(a-2) et (b2)(b-2) sont strictement positifs, donc le dénominateur (a2)(b2)>0(a-2)(b-2) > 0.

7

Le numérateur étant 2<0-2 < 0, on a T<0T < 0. La fonction ff est donc strictement décroissante sur ]2;+[]2\,;\,+\infty[.

Exemple travaillé · 40

Déterminer le sens de variation de la fonction g(x)=x2+1+xg(x) = x^2 + 1 + \sqrt{x} sur [0;+[[0\,;\,+\infty[ en utilisant les opérations sur les fonctions de référence.

1

On décompose gg en somme de deux fonctions : g1(x)=x2+1g_1(x) = x^2 + 1 et g2(x)=xg_2(x) = \sqrt{x}.

2

Sur [0;+[[0\,;\,+\infty[, la fonction carrée xx2x \mapsto x^2 est strictement croissante, donc g1:xx2+1g_1 : x \mapsto x^2 + 1 est strictement croissante.

3

Sur [0;+[[0\,;\,+\infty[, la fonction racine carrée g2:xxg_2 : x \mapsto \sqrt{x} est strictement croissante.

4

Comme somme de deux fonctions strictement croissantes sur [0;+[[0\,;\,+\infty[, la fonction g=g1+g2g = g_1 + g_2 est strictement croissante sur cet intervalle.

Piège classique · 41

Une fonction uu est strictement croissante sur un intervalle II. Peut-on affirmer sans condition que 1u\frac{1}{u} est strictement décroissante sur II ?

Attention

Affirmer que 1u\frac{1}{u} a des variations contraires à uu sans vérifier que uu ne s'annule pas et conserve un signe constant sur II.

À la place : Le théorème sur les variations de l'inverse exige que uu garde un signe constant strict sur II. Si uu change de signe (par exemple u(x)=xu(x) = x sur [1;1][-1\,;\,1]), la fonction 1u\frac{1}{u} n'est pas décroissante sur II.

Vérification · 42

Quel est le sens de variation de la fonction h(x)=2x+1+3xh(x) = -2x + 1 + \frac{3}{x} sur l'intervalle ]0;+[]0\,;\,+\infty[ ?

Remarque

Sur ]0;+[]0\,;\,+\infty[, la fonction affine x2x+1x \mapsto -2x+1 est strictement décroissante (coefficient 2<0-2 < 0) et x3xx \mapsto \frac{3}{x} est strictement décroissante (3>03 > 0 multiplié par l'inverse). La somme de deux fonctions strictement décroissantes est strictement décroissante.

Définition · 43

Fonction affine par intervalles

On appelle fonction affine par intervalles toute fonction définie sur une réunion d'intervalles et dont la restriction à chacun de ces intervalles est une fonction affine.

f(x)=akx+bkpour tout xIkf(x) = a_k x + b_k \quad \text{pour tout } x \in I_k

Les expressions contenant des valeurs absolues de la forme ax+b|ax+b| se transforment en fonctions affines par intervalles après étude du signe de chaque binôme.

Définition · 44

La fonction partie entière

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

E(x)=n    nx<n+1(nZ)E(x) = n \iff n \le x < n+1 \quad (n \in \mathbb{Z})

Pour tout réel xx, on a l'encadrement fondamental : E(x)x<E(x)+1E(x) \le x < E(x) + 1.

Exemple travaillé · 45

Écrire sans le symbole de la valeur absolue la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x+1+x1f(x) = |x+1| + |x-1|.

1

On étudie le signe des expressions intérieures : x+1x+1 s'annule en 1-1 et x1x-1 s'annule en 11.

2

Sur ];1]]-\infty\,;\,-1], on a x+10x+1 \le 0 et x10x-1 \le 0 :

3
f(x)=(x+1)(x1)=x1x+1=2xf(x) = -(x+1) - (x-1) = -x - 1 - x + 1 = -2x
4

Sur [1;1][-1\,;\,1], on a x+10x+1 \ge 0 et x10x-1 \le 0 :

5
f(x)=(x+1)(x1)=x+1x+1=2f(x) = (x+1) - (x-1) = x + 1 - x + 1 = 2
6

Sur [1;+[[1\,;\,+\infty[, on a x+10x+1 \ge 0 et x10x-1 \ge 0 :

7
f(x)=(x+1)+(x1)=2xf(x) = (x+1) + (x-1) = 2x
8

La fonction ff est affine par morceaux : elle vaut 2x-2x sur ];1]]-\infty\,;\,-1], 22 sur [1;1][-1\,;\,1], et 2x2x sur [1;+[[1\,;\,+\infty[.

Exemple travaillé · 46

Exprimer f(x)=1xE(x)f(x) = 1 - x E(x) sous forme d'une fonction affine par intervalles sur [1;2[[-1\,;\,2[.

1

On découpe l'intervalle [1;2[[-1\,;\,2[ en sous-intervalles d'amplitude 1 où E(x)E(x) est constante.

2

Sur [1;0[[-1\,;\,0[, on a E(x)=1E(x) = -1, d'où :

3
f(x)=1x(1)=x+1f(x) = 1 - x(-1) = x + 1
4

Sur [0;1[[0\,;\,1[, on a E(x)=0E(x) = 0, d'où :

5
f(x)=1x(0)=1f(x) = 1 - x(0) = 1
6

Sur [1;2[[1\,;\,2[, on a E(x)=1E(x) = 1, d'où :

7
f(x)=1x(1)=1xf(x) = 1 - x(1) = 1 - x
8

Sur chaque sous-intervalle, l'expression obtenue est affine : ff est bien une fonction affine par intervalles.

Piège classique · 47

Quelle est la valeur de la partie entière E(2,5)E(-2{,}5) ?

Attention

Répondre 2-2 par simple troncature de l'écriture décimale.

À la place : E(2,5)=3E(-2{,}5) = -3. Par définition, E(x)E(x) est le plus grand entier inférieur ou égal à xx : on a 32,5<2-3 \le -2{,}5 < -2.

Vérification · 48

Soit f(x)=E(x)2E(x2)f(x) = E(x) - 2E\left(\frac{x}{2}\right). Quelle est la valeur simplifiée de f(x)f(x) pour tout x[1;0[x \in [-1\,;\,0[ ?

Remarque

Pour x[1;0[x \in [-1\,;\,0[, on a E(x)=1E(x) = -1. En divisant par 2, 12x2<0-\frac{1}{2} \le \frac{x}{2} < 0, d'où E(x2)=1E\left(\frac{x}{2}\right) = -1. L'expression vaut donc f(x)=12(1)=1+2=1f(x) = -1 - 2(-1) = -1 + 2 = 1.

Point de départ · 49

Dans une relation liant f(x)f(x) et f(x)f(-x) pour tout réel xx, comme 3f(x)+f(x)=4x3+2x3f(x) + f(-x) = 4x^3 + 2x, quelle manipulation permet d'obtenir une deuxième relation entre ces deux mêmes inconnues ?

Puisque l'égalité est vraie pour tout réel xx, elle reste vraie lorsqu'on remplace xx par son opposé x-x. Cela permute les rôles de f(x)f(x) et f(x)f(-x) et fournit une deuxième équation, formant un système linéaire d'inconnues f(x)f(x) et f(x)f(-x).

Définition · 50

Équations fonctionnelles : méthode de substitution xxx \mapsto -x

Pour déterminer une fonction ff vérifiant une égalité fonctionnelle liant f(x)f(x) et f(x)f(-x) pour tout xRx \in \mathbb{R} :

On remplace x par x dans l’eˊquation de deˊpart pour former un systeˋme lineˊaire de deux eˊquations aˋ deux inconnues f(x) et f(x).\text{On remplace } x \text{ par } -x \text{ dans l'équation de départ pour former un système linéaire de deux équations à deux inconnues } f(x) \text{ et } f(-x).

On élimine f(x)f(-x) par combinaison linéaire pour exprimer explicitement f(x)f(x), puis on vérifie que la formule trouvée satisfait l'équation initiale (synthèse).

Exemple travaillé · 51

Déterminer l'application f:RRf : \mathbb{R} \to \mathbb{R} vérifiant pour tout réel xx : 3f(x)+f(x)=4x3+2x3f(x) + f(-x) = 4x^3 + 2x.

1

On pose l'équation initiale (1), valable pour tout réel xx :

2
(1)3f(x)+f(x)=4x3+2x(1) \quad 3f(x) + f(-x) = 4x^3 + 2x
3

On remplace xx par x-x dans (1) pour obtenir l'équation (2) :

4
(2)3f(x)+f(x)=4(x)3+2(x)=4x32x(2) \quad 3f(-x) + f(x) = 4(-x)^3 + 2(-x) = -4x^3 - 2x
5

On élimine f(x)f(-x) en effectuant la combinaison linéaire 3×(1)(2)3 \times (1) - (2) :

6
3[3f(x)+f(x)][3f(x)+f(x)]=3(4x3+2x)(4x32x)3[3f(x) + f(-x)] - [3f(-x) + f(x)] = 3(4x^3 + 2x) - (-4x^3 - 2x)
7
8f(x)=12x3+6x+4x3+2x=16x3+8x8f(x) = 12x^3 + 6x + 4x^3 + 2x = 16x^3 + 8x
8
f(x)=2x3+xf(x) = 2x^3 + x
9

Synthèse : pour tout réel xx, 3(2x3+x)+(2(x)3+(x))=6x3+3x2x3x=4x3+2x3(2x^3+x) + (2(-x)^3+(-x)) = 6x^3+3x - 2x^3-x = 4x^3+2x. L'unique solution est f(x)=2x3+xf(x) = 2x^3 + x.

Vérification · 52

Soit une fonction ff définie sur R\mathbb{R} telle que pour tous réels aa et bb, f(a+b)f(a)=f(b)f(a+b) - f(a) = f(b). Déterminer la valeur de f(0)f(0).

Remarque

En choisissant a=0a = 0 et b=0b = 0, l'équation devient f(0+0)f(0)=f(0)    f(0)f(0)=f(0)    0=f(0)f(0+0) - f(0) = f(0) \iff f(0) - f(0) = f(0) \iff 0 = f(0). Donc f(0)=0f(0) = 0.

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