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Etude de fonctions — cours

4ème année (Bac) · section Informatique · mathématiques, programme officiel tunisien.

Le cours

Rappel · 1

Soit ff une fonction vérifiant limx3+f(x)=\lim_{x \to 3^+} f(x) = -\infty. Que peut-on en déduire pour sa courbe représentative Cf\mathcal{C}_f ?

Remarque

Quand xx tend vers une valeur finie aa et que f(x)f(x) tend vers l'infini, la droite x=ax = a est une asymptote verticale. À l'inverse, si x±x \to \pm\infty et f(x)bf(x) \to b, la droite y=by = b est une asymptote horizontale.

Point de départ · 2

On considère la fonction ff définie sur ]0;+[]0 ; +\infty[ par f(x)=2x+1+1xf(x) = 2x + 1 + \frac{1}{x}. Lorsque xx devient de plus en plus grand, de quelle droite la courbe de ff se rapproche-t-elle indéfiniment ?

Remarque

Le terme 1x\frac{1}{x} devient négligeable devant 2x+12x + 1 : la différence f(x)(2x+1)=1xf(x) - (2x + 1) = \frac{1}{x} tend vers 00 en ++\infty.

Définition · 3

Définition et décomposition directe

limx+[f(x)(ax+b)]=0(a0)\lim_{x \to +\infty} [f(x) - (ax + b)] = 0 \quad (a \neq 0)

La droite Δ:y=ax+b\Delta : y = ax + b est une asymptote oblique à la courbe Cf\mathcal{C}_f au voisinage de ++\infty (respectivement de -\infty). En pratique, si f(x)f(x) se décompose sous la forme f(x)=ax+b+g(x)f(x) = ax + b + g(x) avec limx±g(x)=0\lim_{x \to \pm\infty} g(x) = 0, alors Δ\Delta est asymptote oblique. Le signe de g(x)=f(x)(ax+b)g(x) = f(x) - (ax + b) donne la position relative de Cf\mathcal{C}_f par rapport à Δ\Delta.

Exemple travaillé · 4

Soit la fonction ff définie sur ]1;+[]-1 ; +\infty[ par f(x)=2x2+x3x+1f(x) = \frac{2x^2 + x - 3}{x + 1}.
1. Vérifier que pour tout x>1x > -1, f(x)=2x12x+1f(x) = 2x - 1 - \frac{2}{x + 1}.
2. Montrer que la droite Δ:y=2x1\Delta : y = 2x - 1 est asymptote oblique à Cf\mathcal{C}_f en ++\infty, puis étudier leur position relative.

1

On met l'expression décomposée au même dénominateur :

2x12x+1=(2x1)(x+1)2x+1=2x2+x12x+1=2x2+x3x+12x - 1 - \frac{2}{x + 1} = \frac{(2x - 1)(x + 1) - 2}{x + 1} = \frac{2x^2 + x - 1 - 2}{x + 1} = \frac{2x^2 + x - 3}{x + 1}
2

On forme la différence entre f(x)f(x) et l'équation de la droite Δ\Delta :

f(x)(2x1)=2x+1f(x) - (2x - 1) = -\frac{2}{x + 1}
3

On évalue la limite de cette différence en ++\infty :

limx+(2x+1)=0\lim_{x \to +\infty} \left(-\frac{2}{x + 1}\right) = 0
4

La droite Δ:y=2x1\Delta : y = 2x - 1 est donc une asymptote oblique à Cf\mathcal{C}_f au voisinage de ++\infty.

5

Pour la position relative, pour tout x]1;+[x \in ]-1 ; +\infty[, on a x+1>0x + 1 > 0, donc :

f(x)(2x1)=2x+1<0f(x) - (2x - 1) = -\frac{2}{x + 1} < 0
6

La courbe Cf\mathcal{C}_f est située strictement au-dessous de l'asymptote Δ\Delta sur ]1;+[]-1 ; +\infty[.

Exemple travaillé · 5

Soit ff la fonction définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x1x2+1f(x) = x - \frac{1}{\sqrt{x^2 + 1}}.
Montrer que la droite Δ:y=x\Delta : y = x est une asymptote oblique commune à Cf\mathcal{C}_f en ++\infty et en -\infty, puis préciser la position relative de Cf\mathcal{C}_f par rapport à Δ\Delta.

1

La fonction se présente directement sous la forme f(x)=x+g(x)f(x) = x + g(x) avec :

g(x)=1x2+1g(x) = -\frac{1}{\sqrt{x^2 + 1}}
2

On étudie la différence f(x)xf(x) - x en ++\infty et en -\infty. Comme limx±(x2+1)=+\lim_{x \to \pm\infty} (x^2 + 1) = +\infty, on a :

limx+[f(x)x]=limx+(1x2+1)=0\lim_{x \to +\infty} [f(x) - x] = \lim_{x \to +\infty} \left(-\frac{1}{\sqrt{x^2 + 1}}\right) = 0
3

De même en -\infty :

limx[f(x)x]=limx(1x2+1)=0\lim_{x \to -\infty} [f(x) - x] = \lim_{x \to -\infty} \left(-\frac{1}{\sqrt{x^2 + 1}}\right) = 0
4

La droite Δ:y=x\Delta : y = x est donc une asymptote oblique commune à Cf\mathcal{C}_f en ++\infty et en -\infty.

5

Pour tout xRx \in \mathbb{R}, x2+1>0\sqrt{x^2 + 1} > 0, d'où :

f(x)x=1x2+1<0f(x) - x = -\frac{1}{\sqrt{x^2 + 1}} < 0
6

La courbe Cf\mathcal{C}_f est strictement située au-dessous de son asymptote Δ\Delta sur tout R\mathbb{R}.

Piège classique · 6

Pour trouver l'asymptote oblique en ++\infty de la fonction définie par f(x)=3x5+4x2+2f(x) = 3x - 5 + \frac{4}{x^2 + 2}, quelle démarche est la plus directe ?

Attention

Calculer systématiquement le rapport f(x)x\frac{f(x)}{x} pour déterminer la pente a=3a = 3, puis la limite de f(x)3xf(x) - 3x pour trouver l'ordonnée à l'origine b=5b = -5.

À la place : Observer que la fonction est déjà écrite sous la forme ax+b+g(x)ax + b + g(x). Former directement f(x)(3x5)=4x2+2f(x) - (3x - 5) = \frac{4}{x^2 + 2} dont la limite est immédiatement 00.

Vérification · 7

Soit la fonction ff définie sur ]2;+[]2 ; +\infty[ par f(x)=x+4+3x2f(x) = -x + 4 + \frac{3}{x - 2}.
Que peut-on affirmer au voisinage de ++\infty pour la courbe Cf\mathcal{C}_f et la droite Δ:y=x+4\Delta : y = -x + 4 ?

Remarque

Comme limx+3x2=0\lim_{x \to +\infty} \frac{3}{x - 2} = 0, la droite d'équation y=x+4y = -x + 4 est bien asymptote oblique. De plus, pour tout x>2x > 2, f(x)(x+4)=3x2>0f(x) - (-x + 4) = \frac{3}{x - 2} > 0, donc la courbe Cf\mathcal{C}_f est située strictement au-dessus de Δ\Delta.

Point de départ · 8

Soit ff une fonction vérifiant limx+f(x)=+\lim_{x \to +\infty} f(x) = +\infty et limx+f(x)x=1\lim_{x \to +\infty} \frac{f(x)}{x} = 1. Peut-on affirmer directement que la droite d'équation y=xy = x est asymptote oblique à Cf\mathcal{C}_f ?

Remarque

Non : obtenir f(x)x1\frac{f(x)}{x} \to 1 indique seulement la direction suivie par la courbe. Pour qu'une droite soit asymptote, il faut vérifier que l'écart vertical f(x)xf(x) - x se rapproche d'un réel fixe bb, et ne part pas lui-même vers l'infini.

Définition · 9

Plan d'étude des branches infinies en l'infini

Lorsque limx±f(x)=±\lim_{x \to \pm\infty} f(x) = \pm\infty, on étudie le comportement du quotient f(x)x\frac{f(x)}{x} :

limx±f(x)x=0    Cf admet une branche parabolique de direction (Ox)\lim_{x \to \pm\infty} \frac{f(x)}{x} = 0 \implies \mathcal{C}_f \text{ admet une branche parabolique de direction } (Ox)

limx±f(x)x=±    Cf admet une branche parabolique de direction (Oy)\lim_{x \to \pm\infty} \frac{f(x)}{x} = \pm\infty \implies \mathcal{C}_f \text{ admet une branche parabolique de direction } (Oy)

Si limx±f(x)x=aR\lim_{x \to \pm\infty} \frac{f(x)}{x} = a \in \mathbb{R}^*, on calcule limx±[f(x)ax]\lim_{x \to \pm\infty} [f(x) - ax] :

limx±[f(x)ax]=bR    la droite y=ax+b est asymptote oblique\lim_{x \to \pm\infty} [f(x) - ax] = b \in \mathbb{R} \implies \text{la droite } y = ax + b \text{ est asymptote oblique}

limx±[f(x)ax]=±    Cf admet une branche parabolique de direction y=ax\lim_{x \to \pm\infty} [f(x) - ax] = \pm\infty \implies \mathcal{C}_f \text{ admet une branche parabolique de direction } y = ax

Exemple travaillé · 10

Déterminer la nature de la branche infinie en ++\infty de la courbe de la fonction ff définie sur [1;+[[1 ; +\infty[ par f(x)=xx1f(x) = x\sqrt{x - 1}.

1

On détermine la limite de ff en ++\infty :

limx+x=+etlimx+x1=+    limx+f(x)=+\lim_{x \to +\infty} x = +\infty \quad \text{et} \quad \lim_{x \to +\infty} \sqrt{x - 1} = +\infty \implies \lim_{x \to +\infty} f(x) = +\infty
2

Pour tout x>1x > 1, on calcule le rapport f(x)x\frac{f(x)}{x} :

f(x)x=xx1x=x1\frac{f(x)}{x} = \frac{x\sqrt{x - 1}}{x} = \sqrt{x - 1}
3

On évalue la limite de ce rapport en ++\infty :

limx+f(x)x=limx+x1=+\lim_{x \to +\infty} \frac{f(x)}{x} = \lim_{x \to +\infty} \sqrt{x - 1} = +\infty
4

La courbe Cf\mathcal{C}_f admet au voisinage de ++\infty une branche parabolique de direction l'axe des ordonnées (O,j)(O, \vec{j}).

Exemple travaillé · 11

Déterminer la nature de la branche infinie au voisinage de ++\infty pour la fonction ff définie sur [1;+[[-1 ; +\infty[ par f(x)=x+1+x+1f(x) = x + 1 + \sqrt{x + 1}.

1

On calcule d'abord la limite en ++\infty :

limx+(x+1)=+etlimx+x+1=+    limx+f(x)=+\lim_{x \to +\infty} (x + 1) = +\infty \quad \text{et} \quad \lim_{x \to +\infty} \sqrt{x + 1} = +\infty \implies \lim_{x \to +\infty} f(x) = +\infty
2

Pour x>0x > 0, on forme le rapport f(x)x\frac{f(x)}{x} :

f(x)x=1+1x+x+1x=1+1x+1x+1x2\frac{f(x)}{x} = 1 + \frac{1}{x} + \frac{\sqrt{x + 1}}{x} = 1 + \frac{1}{x} + \sqrt{\frac{1}{x} + \frac{1}{x^2}}
3

On en déduit la limite de f(x)x\frac{f(x)}{x} en ++\infty :

limx+f(x)x=1+0+0=1\lim_{x \to +\infty} \frac{f(x)}{x} = 1 + 0 + 0 = 1
4

La limite valant a=10a = 1 \neq 0, on étudie la différence f(x)1xf(x) - 1 \cdot x :

f(x)x=1+x+1f(x) - x = 1 + \sqrt{x + 1}
5

On calcule la limite de cette différence :

limx+[f(x)x]=limx+(1+x+1)=+\lim_{x \to +\infty} [f(x) - x] = \lim_{x \to +\infty} (1 + \sqrt{x + 1}) = +\infty
6

La limite étant infinie, la courbe Cf\mathcal{C}_f n'admet pas d'asymptote oblique : elle admet au voisinage de ++\infty une branche parabolique de direction la droite d'équation y=xy = x.

Piège classique · 12

Une fonction ff vérifie limx+f(x)=+\lim_{x \to +\infty} f(x) = +\infty et limx+f(x)x=2\lim_{x \to +\infty} \frac{f(x)}{x} = 2. Que peut-on affirmer avec certitude à cette étape ?

Attention

Conclure immédiatement que la droite d'équation y=2xy = 2x est asymptote oblique à la courbe.

À la place : Le rapport donne seulement la direction asymptotique. Si lim[f(x)2x]=±\lim [f(x) - 2x] = \pm\infty, la courbe s'éloigne indéfiniment de la droite : c'est alors une branche parabolique de direction y=2xy = 2x.

Vérification · 13

Soit la fonction gg définie sur [0;+[[0 ; +\infty[ par g(x)=3xxg(x) = 3x - \sqrt{x}. On donne limx+g(x)x=3\lim_{x \to +\infty} \frac{g(x)}{x} = 3. Quelle est la nature de la branche infinie de Cg\mathcal{C}_g au voisinage de ++\infty ?

Remarque

On forme la différence : g(x)3x=xg(x) - 3x = -\sqrt{x}. Comme limx+(x)=\lim_{x \to +\infty} (-\sqrt{x}) = -\infty, la distance verticale entre la courbe et la droite d'équation y=3xy = 3x devient infiniment grande : Cg\mathcal{C}_g admet donc une branche parabolique de direction la droite d'équation y=3xy = 3x.

Point de départ · 14

Pour tout nombre réel strictement négatif x<0x < 0, que vaut l'expression x2\sqrt{x^2} ?

Remarque

Une racine carrée est toujours positive ou nulle : on a x2=x\sqrt{x^2} = |x|. Lorsque x<0x < 0, la valeur absolue donne x=x|x| = -x. Par exemple, pour x=5x = -5 : (5)2=25=5=(5)\sqrt{(-5)^2} = \sqrt{25} = 5 = -(-5).

Définition · 15

Sortie du radical et levée d'indétermination en l'infini

Pour factoriser le terme de plus haut degré sous une racine carrée au voisinage de l'infini, on applique :

x2=x={xsi x>0xsi x<0\sqrt{x^2} = |x| = \begin{cases} x & \text{si } x > 0 \\ -x & \text{si } x < 0 \end{cases}

Face à une forme indéterminée « \infty - \infty » sur une somme comportant un radical :

Si les termes d’ordre dominant s’annulent    recourir aˋ l’expression conjugueˊe\text{Si les termes d'ordre dominant s'annulent} \implies \text{recourir à l'expression conjuguée}
Si les termes d’ordre dominant ne s’annulent pas    la factorisation par x suffit\text{Si les termes d'ordre dominant ne s'annulent pas} \implies \text{la factorisation par } |x| \text{ suffit}

Exemple travaillé · 16

Déterminer l'asymptote oblique au voisinage de -\infty à la courbe de la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x2+x+1f(x) = \sqrt{x^2 + x + 1}.

1

Pour x<0x < 0, on factorise x2x^2 sous la racine en appliquant x2=x\sqrt{x^2} = -x :

f(x)=x2(1+1x+1x2)=x1+1x+1x2f(x) = \sqrt{x^2\left(1 + \frac{1}{x} + \frac{1}{x^2}\right)} = -x\sqrt{1 + \frac{1}{x} + \frac{1}{x^2}}
2

On évalue la limite du rapport f(x)x\frac{f(x)}{x} en -\infty :

limxf(x)x=limx(1+1x+1x2)=1\lim_{x \to -\infty} \frac{f(x)}{x} = \lim_{x \to -\infty} \left(-\sqrt{1 + \frac{1}{x} + \frac{1}{x^2}}\right) = -1
3

La pente a=1a = -1 étant finie non nulle, on étudie la différence f(x)(1)x=f(x)+xf(x) - (-1)x = f(x) + x. Les termes d'ordre dominant se compensant (forme « \infty - \infty »), on multiplie par l'expression conjuguée :

f(x)+x=(x2+x+1+x)(x2+x+1x)x2+x+1x=x+1x2+x+1xf(x) + x = \frac{(\sqrt{x^2 + x + 1} + x)(\sqrt{x^2 + x + 1} - x)}{\sqrt{x^2 + x + 1} - x} = \frac{x + 1}{\sqrt{x^2 + x + 1} - x}
4

Pour x<0x < 0, on met xx en facteur au numérateur et au dénominateur avec x2=x\sqrt{x^2} = -x :

f(x)+x=x(1+1x)x1+1x+1x2x=1+1x1+1x+1x21f(x) + x = \frac{x\left(1 + \frac{1}{x}\right)}{-x\sqrt{1 + \frac{1}{x} + \frac{1}{x^2}} - x} = \frac{1 + \frac{1}{x}}{-\sqrt{1 + \frac{1}{x} + \frac{1}{x^2}} - 1}
5

On en déduit la limite de la différence en -\infty :

limx[f(x)+x]=1+011=12\lim_{x \to -\infty} [f(x) + x] = \frac{1 + 0}{-1 - 1} = -\frac{1}{2}
6

La droite d'équation y=x12y = -x - \frac{1}{2} est une asymptote oblique à Cf\mathcal{C}_f au voisinage de -\infty.

Exemple travaillé · 17

Déterminer la nature de la branche infinie au voisinage de -\infty de la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x+x2+1f(x) = x + \sqrt{x^2 + 1}.

1

Quand xx \to -\infty, xx \to -\infty et x2+1+\sqrt{x^2 + 1} \to +\infty : c'est une forme indéterminée « +-\infty + \infty » où les coefficients dominants se compensent (11 et 1\sqrt{1}).

2

On transforme directement l'expression par la quantité conjuguée pour tout xRx \in \mathbb{R} :

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

On évalue la limite du dénominateur quand xx \to -\infty :

limxx=etlimx(x2+1)=    limx(xx2+1)=\lim_{x \to -\infty} x = -\infty \quad \text{et} \quad \lim_{x \to -\infty} (-\sqrt{x^2 + 1}) = -\infty \implies \lim_{x \to -\infty} (x - \sqrt{x^2 + 1}) = -\infty
4

On en déduit la limite du quotient :

limxf(x)=limx1xx2+1=0\lim_{x \to -\infty} f(x) = \lim_{x \to -\infty} \frac{-1}{x - \sqrt{x^2 + 1}} = 0
5

La droite d'équation y=0y = 0 (l'axe des abscisses) est une asymptote horizontale à la courbe Cf\mathcal{C}_f au voisinage de -\infty.

Piège classique · 18

Pour déterminer la limite en -\infty de f(x)=4x2+1+2xf(x) = \sqrt{4x^2 + 1} + 2x, un élève factorise sous la racine et écrit :
4x2+1=x4+1x2\sqrt{4x^2 + 1} = x\sqrt{4 + \frac{1}{x^2}}
puis conclut que f(x)=x(4+1x2+2)f(x) = x\left(\sqrt{4 + \frac{1}{x^2}} + 2\right). Pourquoi cette étape est-elle fausse ?

Attention

Écrire x2=x\sqrt{x^2} = x au voisinage de -\infty au lieu de x=x|x| = -x.

À la place : Pour x<0x < 0, 4x2+1=x4+1x2\sqrt{4x^2 + 1} = -x\sqrt{4 + \frac{1}{x^2}}. De plus, comme les termes dominants s'annulent (2x+2x=0-2x + 2x = 0), la factorisation produit une indétermination secondaire 0×0 \times \infty : il faut recourir à l'expression conjuguée.

Vérification · 19

Soit la fonction gg définie sur ];0]]-\infty ; 0] par g(x)=x23xg(x) = \sqrt{x^2 - 3x}. Quelle est la valeur de limxg(x)x\lim_{x \to -\infty} \frac{g(x)}{x} ?

Remarque

Pour tout x<0x < 0, on extrait le terme dominant : x23x=x2(13x)=x13x\sqrt{x^2 - 3x} = \sqrt{x^2\left(1 - \frac{3}{x}\right)} = -x\sqrt{1 - \frac{3}{x}}. En divisant par xx, on obtient g(x)x=13x\frac{g(x)}{x} = -\sqrt{1 - \frac{3}{x}}, dont la limite en -\infty est 1-1.

Point de départ · 20

On sait que la fonction racine carrée f(x)=xf(x) = \sqrt{x} est définie en 00, avec f(0)=0f(0) = 0. La formule usuelle de dérivation donne (x)=12x(\sqrt{x})' = \frac{1}{2\sqrt{x}}, ce qui produit une division par zéro en x=0x = 0.
Que se passe-t-il géométriquement pour la courbe au point (0,0)(0,0) ?

Remarque

Le point (0,0)(0,0) appartient à la courbe : ce n'est donc pas une asymptote verticale (qui correspond à xax \to a avec f(x)±f(x) \to \pm\infty). La courbe démarre verticalement : elle admet une demi-tangente verticale.

Définition · 21

Dérivabilité unilatérale et demi-tangente verticale

Soit ff une fonction définie sur un intervalle ayant x0x_0 pour borne. Si les règles habituelles de dérivation ne s'appliquent pas en x0x_0, on étudie la limite du taux d'accroissement à droite (ou à gauche) :

limxx0+f(x)f(x0)xx0=±\lim_{x \to x_0^+} \frac{f(x) - f(x_0)}{x - x_0} = \pm\infty

La fonction ff n'est pas dérivable à droite en x0x_0. La courbe Cf\mathcal{C}_f admet au point M0(x0,f(x0))M_0(x_0, f(x_0)) une demi-tangente verticale.

Exemple travaillé · 22

Soit la fonction ff définie sur [1;+[[1 ; +\infty[ par f(x)=x21f(x) = \sqrt{x^2 - 1}.
Étudier la dérivabilité de ff à droite en 11 et interpréter géométriquement le résultat.

1

On évalue l'image en 11 :

f(1)=121=0f(1) = \sqrt{1^2 - 1} = 0
2

Pour tout x>1x > 1, on exprime le taux d'accroissement en 11 :

f(x)f(1)x1=x21x1=(x1)(x+1)x1\frac{f(x) - f(1)}{x - 1} = \frac{\sqrt{x^2 - 1}}{x - 1} = \frac{\sqrt{(x - 1)(x + 1)}}{x - 1}
3

Comme x>1x > 1, on a x1=(x1)2x - 1 = \sqrt{(x - 1)^2}. On simplifie le radical :

x1x+1x1x1=x+1x1=x+1x1\frac{\sqrt{x - 1}\sqrt{x + 1}}{\sqrt{x - 1}\sqrt{x - 1}} = \frac{\sqrt{x + 1}}{\sqrt{x - 1}} = \sqrt{\frac{x + 1}{x - 1}}
4

On étudie la limite quand x1+x \to 1^+ :

limx1+(x+1)=2etlimx1+(x1)=0+    limx1+x+1x1=+\lim_{x \to 1^+} (x + 1) = 2 \quad \text{et} \quad \lim_{x \to 1^+} (x - 1) = 0^+ \implies \lim_{x \to 1^+} \sqrt{\frac{x + 1}{x - 1}} = +\infty
5

La fonction ff n'est pas dérivable à droite en 11. La courbe Cf\mathcal{C}_f admet au point (1,0)(1, 0) une demi-tangente verticale dirigée vers le haut.

Exemple travaillé · 23

Soit la fonction ff définie sur [2;2][-2 ; 2] par f(x)=4x2f(x) = \sqrt{4 - x^2}.
Étudier la dérivabilité de ff à gauche en 22 et interpréter géométriquement le résultat.

1

On évalue l'image en 22 :

f(2)=44=0f(2) = \sqrt{4 - 4} = 0
2

Pour x[2;2[x \in [-2 ; 2[, on forme le taux d'accroissement en 22 :

f(x)f(2)x2=(2x)(2+x)x2\frac{f(x) - f(2)}{x - 2} = \frac{\sqrt{(2 - x)(2 + x)}}{x - 2}
3

Comme x<2x < 2, x2x - 2 est strictement négatif : on écrit x2=(2x)=(2x)2x - 2 = -(2 - x) = -\sqrt{(2 - x)^2} :

2x2+x2x2x=2+x2x\frac{\sqrt{2 - x}\sqrt{2 + x}}{-\sqrt{2 - x}\sqrt{2 - x}} = -\sqrt{\frac{2 + x}{2 - x}}
4

On calcule la limite quand x2x \to 2^- :

limx2(2+x)=4etlimx2(2x)=0+    limx2(2+x2x)=\lim_{x \to 2^-} (2 + x) = 4 \quad \text{et} \quad \lim_{x \to 2^-} (2 - x) = 0^+ \implies \lim_{x \to 2^-} \left(-\sqrt{\frac{2 + x}{2 - x}}\right) = -\infty
5

La fonction ff n'est pas dérivable à gauche en 22. La courbe Cf\mathcal{C}_f admet au point (2,0)(2, 0) une demi-tangente verticale dirigée vers le haut.

Piège classique · 24

Pour étudier le comportement de f(x)=x3f(x) = \sqrt{x - 3} en x=3x = 3, un élève dérive directement :
f(x)=12x3f'(x) = \frac{1}{2\sqrt{x - 3}}
Constatant que le dénominateur s'annule en 33, il affirme que « la droite d'équation x=3x = 3 est une asymptote verticale à la courbe ».
Que faut-il en penser ?

Attention

Déduire une asymptote verticale du fait que la formule de la dérivée présente une division par zéro en un point du domaine.

À la place : Le point (3,0)(3, 0) appartient à la courbe car f(3)=0f(3) = 0 existe. Le taux de variation tend vers ++\infty, ce qui caractérise une demi-tangente verticale, pas une asymptote (qui exigerait limf(x)=±\lim f(x) = \pm\infty).

Vérification · 25

Soit gg une fonction définie sur [0;+[[0 ; +\infty[ vérifiant g(0)=2g(0) = 2 et limx0+g(x)2x=+\lim_{x \to 0^+} \frac{g(x) - 2}{x} = +\infty.
Quelle est la propriété géométrique de la courbe Cg\mathcal{C}_g au point A(0,2)A(0, 2) ?

Remarque

Le point A(0,2)A(0, 2) appartient à la courbe Cg\mathcal{C}_g. Comme la limite du taux d'accroissement en 00 à droite est infinie, Cg\mathcal{C}_g admet au point AA une demi-tangente verticale dirigée vers le haut.

Point de départ · 26

Si une droite verticale d'équation x=ax = a est un axe de symétrie pour une courbe, alors pour tout écart hh, les points d'abscisses a+ha + h et aha - h ont la même ordonnée : f(ah)=f(a+h)f(a - h) = f(a + h). En posant la variable x=a+hx = a + h (ce qui donne h=xah = x - a), quelle expression prend l'abscisse symétrique aha - h ?

Remarque

En remplaçant hh par xax - a, on a ah=a(xa)=2axa - h = a - (x - a) = 2a - x. L'égalité géométrique f(ah)=f(a+h)f(a - h) = f(a + h) devient ainsi la relation algébrique fondamentale : f(2ax)=f(x)f(2a - x) = f(x).

Définition · 27

Éléments de symétrie d'une courbe

Soit ff une fonction définie sur un ensemble DfD_f et Cf\mathcal{C}_f sa courbe représentative dans un repère orthogonal.

La droite x=a est un axe de symeˊtrie    xDf, (2ax)Dfetf(2ax)=f(x)\text{La droite } x = a \text{ est un axe de symétrie} \iff \forall x \in D_f, \ (2a - x) \in D_f \quad \text{et} \quad f(2a - x) = f(x)

Le point I(a,b) est un centre de symeˊtrie    xDf, (2ax)Dfetf(2ax)+f(x)=2b\text{Le point } I(a, b) \text{ est un centre de symétrie} \iff \forall x \in D_f, \ (2a - x) \in D_f \quad \text{et} \quad f(2a - x) + f(x) = 2b

La condition (2ax)Df(2a - x) \in D_f est impérative : elle garantit que le domaine d'étude est lui-même symétrique par rapport à aa.

Exemple travaillé · 28

Soit la fonction ff définie par f(x)=x24x+3f(x) = \sqrt{x^2 - 4x + 3}.
1. Déterminer l'ensemble de définition DfD_f de ff.
2. Montrer que la droite d'équation x=2x = 2 est un axe de symétrie pour la courbe Cf\mathcal{C}_f.

1

Le radicande doit être positif ou nul : x24x+3=(x1)(x3)0x^2 - 4x + 3 = (x - 1)(x - 3) \ge 0. Les racines sont 11 et 33 :

Df=];1][3;+[D_f = ]-\infty ; 1] \cup [3 ; +\infty[
2

On vérifie la stabilité du domaine pour a=2a = 2. Pour tout xDfx \in D_f, on a x1x \le 1 ou x3x \ge 3. Si x1x \le 1, alors x1-x \ge -1, d'où 4x34 - x \ge 3, ce qui signifie que (4x)[3;+[(4 - x) \in [3 ; +\infty[. De même, si x3x \ge 3, alors 4x14 - x \le 1, donc (4x)];1](4 - x) \in ]-\infty ; 1]. Ainsi :

xDf,(4x)Df\forall x \in D_f, \quad (4 - x) \in D_f
3

On calcule ensuite f(4x)f(4 - x) pour tout xDfx \in D_f :

f(4x)=(4x)24(4x)+3=168x+x216+4x+3f(4 - x) = \sqrt{(4 - x)^2 - 4(4 - x) + 3} = \sqrt{16 - 8x + x^2 - 16 + 4x + 3}
4

On simplifie l'expression sous la racine :

f(4x)=x24x+3=f(x)f(4 - x) = \sqrt{x^2 - 4x + 3} = f(x)
5

Les deux conditions étant vérifiées, la droite d'équation x=2x = 2 est un axe de symétrie pour la courbe Cf\mathcal{C}_f.

Exemple travaillé · 29

Soit la fonction ff définie sur R{1}\mathbb{R} \setminus \{-1\} par f(x)=x2+3x+1f(x) = \frac{x^2 + 3}{x + 1}.
Montrer que le point A(1,2)A(-1, -2) est un centre de symétrie pour sa courbe représentative Cf\mathcal{C}_f.

1

L'ensemble de définition est Df=R{1}D_f = \mathbb{R} \setminus \{-1\}. Avec a=1a = -1, la condition d'appartenance s'écrit :

xDf    x1    x1    2x1    (2x)Dfx \in D_f \iff x \neq -1 \iff -x \neq 1 \iff -2 - x \neq -1 \implies (-2 - x) \in D_f
2

On exprime f(2x)f(-2 - x) :

f(2x)=(2x)2+3(2x)+1=x2+4x+7x1=x2+4x+7x+1f(-2 - x) = \frac{(-2 - x)^2 + 3}{(-2 - x) + 1} = \frac{x^2 + 4x + 7}{-x - 1} = -\frac{x^2 + 4x + 7}{x + 1}
3

On calcule la somme f(2x)+f(x)f(-2 - x) + f(x) sur le même dénominateur :

f(2x)+f(x)=(x2+4x+7)+(x2+3)x+1=4x4x+1f(-2 - x) + f(x) = \frac{-(x^2 + 4x + 7) + (x^2 + 3)}{x + 1} = \frac{-4x - 4}{x + 1}
4

On factorise le numérateur :

4(x+1)x+1=4\frac{-4(x + 1)}{x + 1} = -4
5

Comme 4=2×(2)=2b-4 = 2 \times (-2) = 2b, l'égalité f(2ax)+f(x)=2bf(2a - x) + f(x) = 2b est établie pour tout xDfx \in D_f. Le point A(1,2)A(-1, -2) est donc un centre de symétrie de Cf\mathcal{C}_f.

Piège classique · 30

Pour prouver que la droite x=1x = 1 est un axe de symétrie d'une fonction ff, un élève calcule directement f(2x)f(2 - x) et constate que f(2x)=f(x)f(2 - x) = f(x) sur les réels où la formule a du sens. Peut-il conclure immédiatement que x=1x = 1 est axe de symétrie ?

Attention

Conclure à la symétrie uniquement sur la base de l'égalité f(2ax)=f(x)f(2a - x) = f(x), sans examiner le domaine de définition.

À la place : Il faut d'abord justifier que pour tout xDfx \in D_f, le symétrique (2ax)(2a - x) appartient aussi à DfD_f. Si une valeur interdite n'admet pas son symétrique également interdit, la courbe n'est pas symétrique.

Vérification · 31

Soit la fonction gg définie sur R{1}\mathbb{R} \setminus \{1\} par g(x)=3+2x1g(x) = 3 + \frac{2}{x - 1}.
Quelle égalité permet de prouver que le point Ω(1,3)\Omega(1, 3) est centre de symétrie de la courbe Cg\mathcal{C}_g ?

Remarque

Ici a=1a = 1 et b=3b = 3, donc 2ax=2x2a - x = 2 - x et 2b=62b = 6. La relation à vérifier est bien g(2x)+g(x)=6g(2 - x) + g(x) = 6. En effet : g(2x)+g(x)=(3+21x)+(3+2x1)=6+21x21x=6g(2 - x) + g(x) = \left(3 + \frac{2}{1 - x}\right) + \left(3 + \frac{2}{x - 1}\right) = 6 + \frac{2}{1 - x} - \frac{2}{1 - x} = 6.

Point de départ · 32

On observe la courbe d'une fonction qui change de courbure en un point : d'un côté la courbe est située au-dessus de sa tangente, et de l'autre côté elle passe au-dessous. Que fait géométriquement la tangente à la courbe en ce point particulier ?

Remarque

En ce point de basculement de concavité, la tangente ne reste pas d'un seul côté : elle traverse la courbe. C'est la signature géométrique d'un point d'inflexion.

Définition · 33

Point d'inflexion et concavité

Un point I(x0,f(x0))I(x_0, f(x_0)) est un point d'inflexion de la courbe Cf\mathcal{C}_f si la courbe traverse sa tangente en ce point.

f(x0)=0et f change de signe en x0    I(x0,f(x0)) est un point d’inflexionf''(x_0) = 0 \quad \text{et } f'' \text{ change de signe en } x_0 \iff I(x_0, f(x_0)) \text{ est un point d'inflexion}

Caractérisation équivalente : la différence f(x)yTf(x) - y_T (où yT=f(x0)(xx0)+f(x0)y_T = f'(x_0)(x - x_0) + f(x_0) est l'équation de la tangente) s'annule et change de signe en x0x_0.

Exemple travaillé · 34

Soit la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x33x2+2f(x) = x^3 - 3x^2 + 2.
Déterminer les coordonnées du point d'inflexion de la courbe Cf\mathcal{C}_f.

1

La fonction ff est deux fois dérivable sur R\mathbb{R}. On calcule la dérivée première :

f(x)=3x26xf'(x) = 3x^2 - 6x
2

On calcule la dérivée seconde :

f(x)=6x6=6(x1)f''(x) = 6x - 6 = 6(x - 1)
3

On étudie le signe de f(x)f''(x) :

f(x)=0    x=1f''(x) = 0 \iff x = 1
4

Pour x<1x < 1, f(x)<0f''(x) < 0 et pour x>1x > 1, f(x)>0f''(x) > 0. La dérivée seconde s'annule en 11 en changeant de signe : la courbe admet un point d'inflexion en x=1x = 1.

5

On calcule l'ordonnée de ce point :

f(1)=133(1)2+2=0f(1) = 1^3 - 3(1)^2 + 2 = 0
6

Le point d'inflexion de Cf\mathcal{C}_f est I(1,0)I(1, 0).

Exemple travaillé · 35

Soit la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x3+2x1f(x) = x^3 + 2x - 1 et TT la tangente à sa courbe au point d'abscisse 00.
1. Écrire une équation de TT.
2. Étudier la position relative de Cf\mathcal{C}_f par rapport à TT et en déduire que A(0,1)A(0, -1) est un point d'inflexion.

1

On calcule f(0)=1f(0) = -1. La dérivée est f(x)=3x2+2f'(x) = 3x^2 + 2, d'où f(0)=2f'(0) = 2.

2

L'équation de la tangente TT au point d'abscisse 00 est :

y=f(0)(x0)+f(0)=2x1y = f'(0)(x - 0) + f(0) = 2x - 1
3

On étudie le signe de la différence f(x)yTf(x) - y_T :

f(x)(2x1)=(x3+2x1)(2x1)=x3f(x) - (2x - 1) = (x^3 + 2x - 1) - (2x - 1) = x^3
4

Pour x<0x < 0, x3<0x^3 < 0, donc Cf\mathcal{C}_f est strictement au-dessous de TT. Pour x>0x > 0, x3>0x^3 > 0, donc Cf\mathcal{C}_f est strictement au-dessus de TT.

5

La différence s'annule en 00 en changeant de signe : la tangente TT traverse la courbe au point A(0,1)A(0, -1). Ce point est donc un point d'inflexion.

Piège classique · 36

Soit la fonction gg définie sur R\mathbb{R} par g(x)=x4g(x) = x^4. On constate que g(0)=0g''(0) = 0. Le point O(0,0)O(0, 0) est-il un point d'inflexion de la courbe de gg ?

Attention

Conclure que tout point où ff'' s'annule est un point d'inflexion.

À la place : Pour qu'il y ait point d'inflexion, la dérivée seconde doit obligatoirement changer de signe. Pour g(x)=x4g(x) = x^4, on a g(x)=12x20g''(x) = 12x^2 \ge 0 pour tout xx : gg'' ne change pas de signe, la courbe reste au-dessus de sa tangente et n'admet aucun point d'inflexion.

Vérification · 37

On donne le signe de la dérivée seconde ff'' d'une fonction ff :
- Sur ];2[]-\infty ; -2[, f(x)>0f''(x) > 0.
- En 2-2, f(2)=0f''(-2) = 0.
- Sur ]2;3[]-2 ; 3[, f(x)<0f''(x) < 0.
- En 33, f(3)=0f''(3) = 0.
- Sur ]3;+[]3 ; +\infty[, f(x)<0f''(x) < 0.
Combien de points d'inflexion la courbe Cf\mathcal{C}_f admet-elle ?

Remarque

En x=2x = -2, ff'' s'annule en passant de positive à négative : il y a un changement de signe, donc un point d'inflexion. En x=3x = 3, ff'' s'annule mais reste négative avant et après : il n'y a pas d'inflexion. La courbe admet donc un unique point d'inflexion.

Point de départ · 38

On dispose de la courbe représentative Cf\mathcal{C}_f d'une fonction ff. Si un point M(x,y)M(x, y) appartient à Cf\mathcal{C}_f avec une ordonnée strictement négative (y<0y < 0), quel point de même abscisse appartiendra à la courbe de la fonction g(x)=f(x)g(x) = |f(x)| ?

Remarque

Comme g(x)=f(x)=f(x)=y>0g(x) = |f(x)| = -f(x) = -y > 0, le point correspondant sur la courbe de gg est M(x,y)M'(x, -y). Les ordonnées négatives sont transformées en leurs opposées positives : cela correspond géométriquement à une symétrie axiale orthogonale par rapport à l'axe des abscisses (Ox)(Ox).

Définition · 39

Courbes de f|f| et de xf(x)x \mapsto f(|x|)

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

Cf : on conserve la portion de Cf situeˊe dans y0, et on remplace la portion situeˊe dans y<0 par sa symeˊtrique par rapport aˋ (Ox).\mathcal{C}_{|f|} \text{ : on conserve la portion de } \mathcal{C}_f \text{ située dans } y \ge 0, \text{ et on remplace la portion située dans } y < 0 \text{ par sa symétrique par rapport à } (Ox).

Cf() : la fonction xf(x) est paire. Sa courbe coı¨ncide avec Cf pour x0, et se compleˋte sur x<0 par symeˊtrie par rapport aˋ (Oy).\mathcal{C}_{f(|\cdot|)} \text{ : la fonction } x \mapsto f(|x|) \text{ est paire. Sa courbe coïncide avec } \mathcal{C}_f \text{ pour } x \ge 0, \text{ et se complète sur } x < 0 \text{ par symétrie par rapport à } (Oy).

Exemple travaillé · 40

Soit ff la fonction définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x21f(x) = x^2 - 1 et Cf\mathcal{C}_f sa parabole représentative. Expliquer comment déduire la courbe Cg\mathcal{C}_g de la fonction g(x)=x21g(x) = |x^2 - 1| à partir de Cf\mathcal{C}_f.

1

On étudie le signe du trinôme f(x)=x21=(x1)(x+1)f(x) = x^2 - 1 = (x - 1)(x + 1) :

x210    x];1][1;+[x^2 - 1 \ge 0 \iff x \in ]-\infty ; -1] \cup [1 ; +\infty[
2

Sur ];1][1;+[]-\infty ; -1] \cup [1 ; +\infty[, f(x)0f(x) \ge 0, donc g(x)=f(x)g(x) = f(x). La courbe Cg\mathcal{C}_g coïncide avec Cf\mathcal{C}_f.

3

Sur ]1;1[]-1 ; 1[, f(x)<0f(x) < 0, donc g(x)=(x21)=1x2g(x) = -(x^2 - 1) = 1 - x^2.

4

Sur ]1;1[]-1 ; 1[, la courbe Cg\mathcal{C}_g s'obtient donc en traçant la symétrique de la portion de Cf\mathcal{C}_f par rapport à l'axe des abscisses (Ox)(Ox).

5

La courbe complète Cg\mathcal{C}_g est entièrement contenue dans le demi-plan y0y \ge 0 et admet deux points anguleux en (1,0)(-1, 0) et (1,0)(1, 0).

Exemple travaillé · 41

Soit ff la fonction définie sur [0;+[[0 ; +\infty[ par f(x)=x24x+3f(x) = x^2 - 4x + 3. On pose pour tout xRx \in \mathbb{R} : h(x)=x24x+3h(x) = x^2 - 4|x| + 3. Montrer que hh est paire et expliquer comment construire sa courbe Ch\mathcal{C}_h à partir de celle de ff.

1

Le domaine R\mathbb{R} est symétrique par rapport à 00. Pour tout xRx \in \mathbb{R} :

h(x)=(x)24x+3=x24x+3=h(x)h(-x) = (-x)^2 - 4|-x| + 3 = x^2 - 4|x| + 3 = h(x)
2

La fonction hh est donc une fonction paire : sa courbe Ch\mathcal{C}_h admet l'axe des ordonnées (Oy)(Oy) comme axe de symétrie.

3

Pour tout x0x \ge 0, on a x=x|x| = x, d'où :

h(x)=x24x+3=f(x)h(x) = x^2 - 4x + 3 = f(x)
4

Sur [0;+[[0 ; +\infty[, la courbe Ch\mathcal{C}_h coïncide avec la courbe Cf\mathcal{C}_f.

5

On trace Ch\mathcal{C}_h sur [0;+[[0 ; +\infty[ en reprenant Cf\mathcal{C}_f, puis on complète la courbe sur ];0]]-\infty ; 0] par symétrie orthogonale par rapport à l'axe des ordonnées (Oy)(Oy).

Piège classique · 42

Quelle transformation géométrique permet de tracer la courbe de g(x)=f(x)g(x) = f(|x|) à partir de la portion de Cf\mathcal{C}_f située sur [0;+[[0 ; +\infty[ ?

Attention

Confondre f(x)|f(x)| (valeur absolue sur l'ordonnée) avec f(x)f(|x|) (valeur absolue sur la variable) et appliquer une symétrie par rapport à l'axe des abscisses (Ox)(Ox).

À la place : Dans f(x)f(|x|), la valeur absolue est interne à la variable : la fonction obtenue est paire (g(x)=g(x)g(-x) = g(x)). La symétrie s'effectue donc par rapport à l'axe des ordonnées (Oy)(Oy), jamais par rapport à (Ox)(Ox).

Vérification · 43

On donne la courbe Cf\mathcal{C}_f d'une fonction ff définie sur [3;3][-3 ; 3]. Pour construire la courbe de la fonction k(x)=f(x)k(x) = -|f(x)|, dans quel demi-plan la courbe Ck\mathcal{C}_k se situera-t-elle entièrement ?

Remarque

Pour tout réel xx, f(x)0|f(x)| \ge 0, donc k(x)=f(x)0k(x) = -|f(x)| \le 0. Toutes les ordonnées des points de Ck\mathcal{C}_k sont négatives ou nulles : la courbe Ck\mathcal{C}_k est donc située entièrement dans le demi-plan inférieur y0y \le 0.

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