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Limites de fonctions — cours

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

Le cours

Rappel · 1

Pour tout réel x<0x < 0, à quoi est égale l'expression x2\sqrt{x^2} ?

Remarque

Par définition, pour tout réel xx, x2=x\sqrt{x^2} = |x|. Lorsque x<0x < 0, la valeur absolue d'un nombre négatif est son opposé, donc x=x|x| = -x.

Point de départ · 2

On cherche limx+(x2+2xx)\lim_{x \to +\infty} (\sqrt{x^2+2x} - x). Si on factorise par xx pour x>0x > 0, on obtient x(1+2x1)x\left(\sqrt{1+\frac{2}{x}} - 1\right). Quelle est la limite de la parenthèse ?

La parenthèse tend vers 11=01 - 1 = 0, tandis que xx tend vers ++\infty. La factorisation mène à l'indétermination ×0\infty \times 0 : elle ne permet pas de conclure.

Définition · 3

Règle de décision : factorisation ou expression conjuguée

Pour lever l'indétermination d'une forme irrationnelle ax2+bx+c+dx\sqrt{ax^2+bx+c} + dx au voisinage de l'infini, on compare les termes de plus haut degré.

ad ou les termes ne s’annulent pas\sqrt{a} \neq |d| \text{ ou les termes ne s'annulent pas}

On factorise par x sous le radical et globalement.\text{On factorise par } |x| \text{ sous le radical et globalement.}

Les termes dominants se compensent exactement (somme nulle)\text{Les termes dominants se compensent exactement (somme nulle)}

On multiplie et on divise par l’expression conjugueˊe.\text{On multiplie et on divise par l'expression conjuguée.}

Exemple travaillé · 4

Déterminer limxx2+2x52x\lim_{x \to -\infty} \frac{\sqrt{x^2+2x-5}}{2x}.

1

Pour x<0x < 0, on factorise par x2x^2 sous le radical :

2
x2+2x5=x2(1+2x5x2)=x1+2x5x2\sqrt{x^2+2x-5} = \sqrt{x^2\left(1 + \frac{2}{x} - \frac{5}{x^2}\right)} = |x|\sqrt{1 + \frac{2}{x} - \frac{5}{x^2}}
3

Comme xx \to -\infty, on a x<0x < 0, donc x=x|x| = -x :

4
x2+2x52x=x1+2x5x22x=121+2x5x2\frac{\sqrt{x^2+2x-5}}{2x} = \frac{-x\sqrt{1 + \frac{2}{x} - \frac{5}{x^2}}}{2x} = -\frac{1}{2}\sqrt{1 + \frac{2}{x} - \frac{5}{x^2}}
5

Comme limx2x=0\lim_{x \to -\infty} \frac{2}{x} = 0 et limx5x2=0\lim_{x \to -\infty} \frac{5}{x^2} = 0, on passe à la limite :

6
limxx2+2x52x=12\lim_{x \to -\infty} \frac{\sqrt{x^2+2x-5}}{2x} = -\frac{1}{2}

Piège classique · 5

Un élève calcule limx4x2+1x\lim_{x \to -\infty} \frac{\sqrt{4x^2+1}}{x}. Il écrit : 4x2+1=2x1+14x2\sqrt{4x^2+1} = 2x\sqrt{1+\frac{1}{4x^2}}, simplifie par xx et trouve 22. Quelle est la valeur correcte de cette limite ?

Attention

Écrire 4x2=2x\sqrt{4x^2} = 2x quand la variable tend vers -\infty.

À la place : Pour x<0x < 0, 4x2=2x=2x\sqrt{4x^2} = 2|x| = -2x. Le rapport vaut 21+14x2-2\sqrt{1+\frac{1}{4x^2}}, ce qui donne une limite égale à 2-2.

Exemple travaillé · 6

Calculer limx+(x2+2xx)\lim_{x \to +\infty} (\sqrt{x^2+2x} - x).

1

En ++\infty, les termes dominants sont x2=x\sqrt{x^2} = x et x-x : ils ont le même coefficient et s'annulent (xx=0x - x = 0). On multiplie et on divise par l'expression conjuguée :

2
x2+2xx=(x2+2xx)(x2+2x+x)x2+2x+x=(x2+2x)x2x2+2x+x=2xx2+2x+x\sqrt{x^2+2x} - x = \frac{(\sqrt{x^2+2x} - x)(\sqrt{x^2+2x} + x)}{\sqrt{x^2+2x} + x} = \frac{(x^2+2x) - x^2}{\sqrt{x^2+2x} + x} = \frac{2x}{\sqrt{x^2+2x} + x}
3

Pour x>0x > 0, on factorise le dénominateur par xx :

4
2xx1+2x+x=2xx(1+2x+1)=21+2x+1\frac{2x}{x\sqrt{1+\frac{2}{x}} + x} = \frac{2x}{x\left(\sqrt{1+\frac{2}{x}} + 1\right)} = \frac{2}{\sqrt{1+\frac{2}{x}} + 1}
5

Comme limx+2x=0\lim_{x \to +\infty} \frac{2}{x} = 0, le dénominateur tend vers 1+1=21 + 1 = 2 :

6
limx+(x2+2xx)=22=1\lim_{x \to +\infty} (\sqrt{x^2+2x} - x) = \frac{2}{2} = 1

Piège classique · 7

Pour calculer limx+(4x2+3x2x)\lim_{x \to +\infty} (\sqrt{4x^2+3x} - 2x), quelle méthode doit-on impérativement employer ?

Attention

Tenter de factoriser par xx, ce qui donne x(4+3x2)x\left(\sqrt{4+\frac{3}{x}} - 2\right) et produit la forme indéterminée ×(22)=×0\infty \times (2-2) = \infty \times 0.

À la place : Comme 4x2=2x\sqrt{4x^2} = 2x pour x>0x > 0, les termes dominants se compensent exactement (2x2x=02x - 2x = 0). Il faut impérativement multiplier et diviser par l'expression conjuguée 4x2+3x+2x\sqrt{4x^2+3x} + 2x.

Vérification · 8

Quelle est la limite de f(x)=x2+2xxf(x) = \sqrt{x^2+2x} - x lorsque xx \to -\infty ?

Remarque

Quand xx \to -\infty, on a limxx2+2x=+\lim_{x \to -\infty} \sqrt{x^2+2x} = +\infty et limx(x)=+\lim_{x \to -\infty} (-x) = +\infty. Il n'y a aucune forme indéterminée : par somme de limites infinies de même signe, limxf(x)=+\lim_{x \to -\infty} f(x) = +\infty. L'expression conjuguée était inutile ici.

Point de départ · 9

On cherche limx+(x+cosx)\lim_{x \to +\infty} (x + \cos x). Pour tout réel xx, on a x1x+cosxx+1x - 1 \le x + \cos x \le x + 1. A-t-on besoin de la borne supérieure x+1x + 1 pour conclure ?

Remarque

Comme limx+(x1)=+\lim_{x \to +\infty} (x - 1) = +\infty, la seule minoration x+cosxx1x + \cos x \ge x - 1 suffit à entraîner la fonction vers ++\infty. Le théorème des gendarmes, lui, est réservé aux limites finies.

Définition · 10

Théorèmes de comparaison et d'encadrement

f(x)g(x) au voisinage de +etlimx+g(x)=+f(x) \ge g(x) \text{ au voisinage de } +\infty \quad \text{et} \quad \lim_{x \to +\infty} g(x) = +\infty

limx+f(x)=+\lim_{x \to +\infty} f(x) = +\infty

f(x)g(x) au voisinage de +etlimx+g(x)=f(x) \le g(x) \text{ au voisinage de } +\infty \quad \text{et} \quad \lim_{x \to +\infty} g(x) = -\infty

limx+f(x)=\lim_{x \to +\infty} f(x) = -\infty

u(x)f(x)v(x)etlimx+u(x)=limx+v(x)=LRu(x) \le f(x) \le v(x) \quad \text{et} \quad \lim_{x \to +\infty} u(x) = \lim_{x \to +\infty} v(x) = L \in \mathbb{R}

limx+f(x)=L\lim_{x \to +\infty} f(x) = L

Exemple travaillé · 11

Déterminer limx+x3sinx\lim_{x \to +\infty} \frac{x}{3 - \sin x}.

1

Pour tout réel xx, on encadre le sinus :

2
1sinx1    23sinx4-1 \le -\sin x \le 1 \implies 2 \le 3 - \sin x \le 4
3

Par décroissance de la fonction inverse sur ]0;+[]0\,;\,+\infty[ :

4
1413sinx12\frac{1}{4} \le \frac{1}{3 - \sin x} \le \frac{1}{2}
5

Pour x>0x > 0, on multiplie par xx sans changer l'ordre :

6
x4x3sinx\frac{x}{4} \le \frac{x}{3 - \sin x}
7

Comme limx+x4=+\lim_{x \to +\infty} \frac{x}{4} = +\infty, le théorème de comparaison donne :

8
limx+x3sinx=+\lim_{x \to +\infty} \frac{x}{3 - \sin x} = +\infty

Exemple travaillé · 12

Déterminer limx+xsinxx2+1\lim_{x \to +\infty} \frac{x\sin x}{x^2+1}.

1

Pour tout réel xx, on a 1sinx1-1 \le \sin x \le 1. Pour x>0x > 0, on multiplie par xx :

2
xxsinxx-x \le x\sin x \le x
3

Comme x2+1>0x^2 + 1 > 0, on divise chaque membre par x2+1x^2 + 1 :

4
xx2+1xsinxx2+1xx2+1-\frac{x}{x^2+1} \le \frac{x\sin x}{x^2+1} \le \frac{x}{x^2+1}
5

On calcule la limite des bornes en ++\infty :

6
limx+xx2+1=limx+xx2=limx+1x=0\lim_{x \to +\infty} \frac{x}{x^2+1} = \lim_{x \to +\infty} \frac{x}{x^2} = \lim_{x \to +\infty} \frac{1}{x} = 0
7

Les deux bornes tendent vers 00. D'après le théorème des gendarmes :

8
limx+xsinxx2+1=0\lim_{x \to +\infty} \frac{x\sin x}{x^2+1} = 0

Piège classique · 13

Quelle méthode permet de déterminer limx+xsin(1x)\lim_{x \to +\infty} x\sin\left(\frac{1}{x}\right) ?

Attention

Écrire 1sin(1x)1    xxsin(1x)x-1 \le \sin\left(\frac{1}{x}\right) \le 1 \implies -x \le x\sin\left(\frac{1}{x}\right) \le x : les bornes tendent vers -\infty et ++\infty, ce qui ne permet pas de conclure.

À la place : Quand x+x \to +\infty, l'argument 1x\frac{1}{x} tend vers 00. En posant X=1xX = \frac{1}{x}, on se ramène à la limite remarquable limX0sinXX=1\lim_{X \to 0} \frac{\sin X}{X} = 1.

Vérification · 14

Déterminer limx+cos(x2)x\lim_{x \to +\infty} \frac{\cos(x^2)}{\sqrt{x}}.

Remarque

Pour tout x>0x > 0, 1cos(x2)1-1 \le \cos(x^2) \le 1, donc 1xcos(x2)x1x-\frac{1}{\sqrt{x}} \le \frac{\cos(x^2)}{\sqrt{x}} \le \frac{1}{\sqrt{x}}. Comme limx+1x=0\lim_{x \to +\infty} \frac{1}{\sqrt{x}} = 0, le théorème des gendarmes donne 00.

Point de départ · 15

Soit f(x)=x1+2x+3f(x) = x - 1 + \frac{2}{x+3} pour tout x>0x > 0. Que devient l'écart vertical entre la courbe CfC_f et la droite D:y=x1D : y = x - 1 lorsque xx tend vers ++\infty ?

Remarque

Comme limx+2x+3=0\lim_{x \to +\infty} \frac{2}{x+3} = 0, la différence f(x)(x1)f(x) - (x - 1) tend vers 00 : la courbe se rapproche indéfiniment de la droite DD. On dit que DD est une asymptote oblique à CfC_f.

Définition · 16

Asymptote oblique et position relative

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

La droite D:y=ax+b est une asymptote oblique aˋ Cf au voisinage de +\text{La droite } D : y = ax + b \text{ est une asymptote oblique à } C_f \text{ au voisinage de } +\infty

Pour étudier la position relative de CfC_f par rapport à DD, on étudie le signe de la différence d(x)=f(x)(ax+b)d(x) = f(x) - (ax + b) :

d(x)>0    Cf est au-dessus de Dd(x) > 0 \implies C_f \text{ est au-dessus de } D
d(x)<0    Cf est au-dessous de Dd(x) < 0 \implies C_f \text{ est au-dessous de } D

Exemple travaillé · 17

Soit f(x)=x2+2x+7x+1f(x) = \frac{x^2+2x+7}{x+1} définie sur R{1}\mathbb{R} \setminus \{-1\}. Démontrer que la droite D:y=x+1D : y = x + 1 est asymptote oblique à CfC_f en ++\infty, puis préciser la position relative de CfC_f par rapport à DD sur ]1;+[]-1\,;\,+\infty[.

1

On calcule la différence f(x)(x+1)f(x) - (x + 1) pour tout x1x \neq -1 :

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

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

4
limx+[f(x)(x+1)]=limx+6x+1=0\lim_{x \to +\infty} [f(x) - (x + 1)] = \lim_{x \to +\infty} \frac{6}{x+1} = 0
5

La limite étant nulle, la droite D:y=x+1D : y = x + 1 est bien asymptote oblique à CfC_f en ++\infty.

6

Pour tout x]1;+[x \in ]-1\,;\,+\infty[, x+1>0x + 1 > 0, donc 6x+1>0\frac{6}{x+1} > 0 : la courbe CfC_f est strictement au-dessus de DD sur cet intervalle.

Piège classique · 18

Soit f(x)=x+1+6x+1f(x) = x + 1 + \frac{6}{x+1} et D:y=x+1D : y = x + 1. Un élève affirme : « Comme le numérateur 66 est strictement positif, CfC_f est au-dessus de DD sur tout son ensemble de définition R{1}\mathbb{R} \setminus \{-1\}. » Que penser de cette affirmation ?

Attention

Conclure sur le signe de f(x)(ax+b)f(x) - (ax+b) en regardant uniquement le numérateur, en oubliant que le dénominateur change de signe.

À la place : Pour x<1x < -1, on a x+1<0x + 1 < 0, donc f(x)(x+1)=6x+1<0f(x) - (x+1) = \frac{6}{x+1} < 0 : sur ];1[]-\infty\,;\,-1[, la courbe CfC_f est strictement au-dessous de DD.

Exemple travaillé · 19

Soit f(x)=x2+4x+7f(x) = \sqrt{x^2+4x+7}. Démontrer que la droite D:y=x+2D : y = x + 2 est asymptote oblique à CfC_f au voisinage de ++\infty.

1

On étudie la différence f(x)(x+2)=x2+4x+7(x+2)f(x) - (x + 2) = \sqrt{x^2+4x+7} - (x + 2) au voisinage de ++\infty (forme indéterminée \infty - \infty) :

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

On développe le numérateur avec l'identité (ab)(a+b)=a2b2(a - b)(a + b) = a^2 - b^2 :

4
(x2+4x+7)(x+2)2x2+4x+7+x+2=x2+4x+7(x2+4x+4)x2+4x+7+x+2=3x2+4x+7+x+2\frac{(x^2+4x+7) - (x+2)^2}{\sqrt{x^2+4x+7} + x + 2} = \frac{x^2+4x+7 - (x^2+4x+4)}{\sqrt{x^2+4x+7} + x + 2} = \frac{3}{\sqrt{x^2+4x+7} + x + 2}
5

Quand x+x \to +\infty, le dénominateur tend vers ++\infty, donc :

6
limx+[f(x)(x+2)]=0\lim_{x \to +\infty} [f(x) - (x + 2)] = 0
7

La droite D:y=x+2D : y = x + 2 est donc une asymptote oblique à CfC_f en ++\infty.

Vérification · 20

Soit g(x)=2x3+1x1g(x) = 2x - 3 + \frac{1}{x-1} pour tout x>1x > 1. Quelle est l'asymptote oblique à la courbe de gg en ++\infty, et comment se situe la courbe par rapport à celle-ci ?

Remarque

Comme limx+[g(x)(2x3)]=limx+1x1=0\lim_{x \to +\infty} [g(x) - (2x - 3)] = \lim_{x \to +\infty} \frac{1}{x-1} = 0, la droite y=2x3y = 2x - 3 est asymptote oblique. Pour x>1x > 1, x1>0x - 1 > 0 donc la différence 1x1\frac{1}{x-1} est strictement positive : la courbe est au-dessus de l'asymptote.

Point de départ · 21

Soit ff une fonction définie sur R\mathbb{R} par deux formules distinctes selon que x1x \ge 1 ou x<1x < 1. Pour s'assurer que sa courbe se trace sans rupture au point d'abscisse 11, suffit-il que l'image f(1)f(1) existe ?

Remarque

Non. Même si f(1)f(1) est bien défini, la courbe peut présenter un saut en 11 si les valeurs approchées à gauche et à droite ne convergent pas vers cette même valeur f(1)f(1).

Définition · 22

Continuité en un point et limites latérales

Soit ff une fonction définie sur un intervalle ouvert contenant x0x_0.

limxx0f(x)=f(x0)\lim_{x \to x_0} f(x) = f(x_0)

f est continue en x0f \text{ est continue en } x_0

Pour une fonction définie par morceaux autour de x0x_0, la continuité équivaut à la coïncidence des deux limites latérales avec l'image :

limxx0+f(x)=limxx0f(x)=f(x0)\lim_{x \to x_0^+} f(x) = \lim_{x \to x_0^-} f(x) = f(x_0)

f est continue aˋ droite et aˋ gauche en x0f \text{ est continue à droite et à gauche en } x_0

Exemple travaillé · 23

Soit la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x2+3x+1f(x) = x^2 + 3x + 1 si x0x \ge 0, et f(x)=sinxxf(x) = \frac{\sin x}{x} si x<0x < 0. Démontrer que ff est continue en 00.

1

On évalue l'image de 00 à l'aide de la formule valable pour x0x \ge 0 :

2
f(0)=02+3(0)+1=1f(0) = 0^2 + 3(0) + 1 = 1
3

On étudie la limite à droite en 00 :

4
limx0+f(x)=limx0+(x2+3x+1)=1=f(0)\lim_{x \to 0^+} f(x) = \lim_{x \to 0^+} (x^2 + 3x + 1) = 1 = f(0)
5

On étudie la limite à gauche en 00 via la limite remarquable du sinus :

6
limx0f(x)=limx0sinxx=1\lim_{x \to 0^-} f(x) = \lim_{x \to 0^-} \frac{\sin x}{x} = 1
7

On confronte les résultats obtenus :

8
limx0+f(x)=limx0f(x)=f(0)=1\lim_{x \to 0^+} f(x) = \lim_{x \to 0^-} f(x) = f(0) = 1
9

Les limites latérales étant finies et égales à f(0)f(0), la fonction ff est continue en 00.

Piège classique · 24

Soit ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x2+3f(x) = x^2 + 3 si x1x \le 1 et f(x)=x2+7xf(x) = \frac{x^2+7}{x} si x>1x > 1. Un élève affirme : « Comme f(1)=12+3=4f(1) = 1^2 + 3 = 4, la fonction est continue en 11. » Que penser de cette déduction ?

Attention

Conclure à la continuité en évaluant uniquement la branche fermée qui fournit l'image f(x0)f(x_0).

À la place : Il faut impérativement évaluer la limite sur l'autre branche : limx1+x2+7x=81=8\lim_{x \to 1^+} \frac{x^2+7}{x} = \frac{8}{1} = 8. Comme 848 \ne 4, ff présente un saut et n'est pas continue en 11.

Exemple travaillé · 25

Soit la fonction ff définie sur [0;+[[0\,;\,+\infty[ par f(x)=x2x4f(x) = \frac{\sqrt{x}-2}{x-4} si x4x \ne 4, et f(4)=λf(4) = \lambda. Déterminer le réel λ\lambda pour que ff soit continue en 44.

1

Par définition, ff est continue en 44 si et seulement si sa limite en 44 existe et vaut λ\lambda :

2
limx4f(x)=f(4)=λ\lim_{x \to 4} f(x) = f(4) = \lambda
3

Pour x4x \ne 4, l'expression donne la forme indéterminée 00\frac{0}{0}. On multiplie par l'expression conjuguée du numérateur :

4
x2x4=(x2)(x+2)(x4)(x+2)=x4(x4)(x+2)\frac{\sqrt{x}-2}{x-4} = \frac{(\sqrt{x}-2)(\sqrt{x}+2)}{(x-4)(\sqrt{x}+2)} = \frac{x-4}{(x-4)(\sqrt{x}+2)}
5

Pour tout x4x \ne 4, on simplifie par le facteur non nul x4x - 4 :

6
f(x)=1x+2f(x) = \frac{1}{\sqrt{x}+2}
7

On calcule la limite finie en 44 :

8
limx4f(x)=14+2=14\lim_{x \to 4} f(x) = \frac{1}{\sqrt{4}+2} = \frac{1}{4}
9

On en déduit la valeur unique assurant la continuité : λ=14\lambda = \frac{1}{4}.

Vérification · 26

Soit la fonction gg définie sur R\mathbb{R} par g(x)=3x1g(x) = 3x - 1 si x2x \le 2, et g(x)=x2+1g(x) = x^2 + 1 si x>2x > 2. La fonction gg est-elle continue en 22 ?

Remarque

On a g(2)=3(2)1=5g(2) = 3(2) - 1 = 5. À gauche : limx2(3x1)=5\lim_{x \to 2^-} (3x - 1) = 5. À droite : limx2+(x2+1)=22+1=5\lim_{x \to 2^+} (x^2 + 1) = 2^2 + 1 = 5. Comme limx2g(x)=limx2+g(x)=g(2)=5\lim_{x \to 2^-} g(x) = \lim_{x \to 2^+} g(x) = g(2) = 5, la fonction gg est continue en 22.

Point de départ · 27

Si une fonction ff est continue sur [1;4][1\,;\,4], avec f(1)=2f(1) = -2 et f(4)=3f(4) = 3, est-on certain que la courbe de ff coupe l'axe des abscisses au moins une fois ?

Remarque

Pour passer d'une valeur négative (2-2) à une valeur positive (33) sans lever le crayon (continuité), la courbe doit obligatoirement traverser l'axe y=0y = 0 : c'est le principe du théorème des valeurs intermédiaires.

Définition · 28

Théorème des valeurs intermédiaires (TVI)

Soit ff une fonction définie sur un intervalle fermé [a;b][a\,;\,b].

f est continue sur [a;b]f \text{ est continue sur } [a\,;\,b]

Pour tout reˊel k compris entre f(a) et f(b), l’eˊquation f(x)=k admet au moins une solution dans [a;b]\text{Pour tout réel } k \text{ compris entre } f(a) \text{ et } f(b), \text{ l'équation } f(x) = k \text{ admet au moins une solution dans } [a\,;\,b]

En particulier, si f(a)×f(b)<0f(a) \times f(b) < 0, l'équation f(x)=0f(x) = 0 admet au moins une solution dans [a;b][a\,;\,b].

Exemple travaillé · 29

Soit la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x34x2+6f(x) = x^3 - 4x^2 + 6. Démontrer que l'équation f(x)=2f(x) = 2 admet au moins une solution sur l'intervalle [1;4][-1\,;\,4].

1

La fonction ff est une fonction polynôme, elle est donc continue sur R\mathbb{R}, en particulier sur l'intervalle [1;4][-1\,;\,4].

2

On évalue les images des bornes de l'intervalle :

3
f(1)=(1)34(1)2+6=14+6=1f(-1) = (-1)^3 - 4(-1)^2 + 6 = -1 - 4 + 6 = 1
4
f(4)=434(4)2+6=6464+6=6f(4) = 4^3 - 4(4)^2 + 6 = 64 - 64 + 6 = 6
5

On compare la valeur cible k=2k = 2 aux deux images obtenues :

6
f(1)=1<2<6=f(4)f(-1) = 1 < 2 < 6 = f(4)
7

Le réel 22 est compris entre f(1)f(-1) et f(4)f(4). D'après le théorème des valeurs intermédiaires, l'équation f(x)=2f(x) = 2 admet au moins une solution sur [1;4][-1\,;\,4].

Piège classique · 30

Pour prouver que l'équation x34x2+6=2x^3 - 4x^2 + 6 = 2 admet au moins une solution sur [1;4][-1\,;\,4], est-il obligatoire de calculer la dérivée et d'étudier les variations de ff ?

Attention

Calculer systématiquement la dérivée pour chercher la monotonie alors que la question demande seulement « au moins une solution ».

À la place : La stricte monotonie n'est exigée que pour garantir l'unicité de la solution. Pour prouver l'existence d'au moins une solution, la continuité et l'encadrement des bornes suffisent.

Définition · 31

Théorème de la bijection (unicité)

Soit ff une fonction définie sur un intervalle [a;b][a\,;\,b].

f est continue et strictement monotone sur [a;b]f \text{ est continue et strictement monotone sur } [a\,;\,b]

Pour tout reˊel k compris entre f(a) et f(b), l’eˊquation f(x)=k admet une unique solution dans [a;b]\text{Pour tout réel } k \text{ compris entre } f(a) \text{ et } f(b), \text{ l'équation } f(x) = k \text{ admet une unique solution dans } [a\,;\,b]

Remarque

Si f(a)×f(b)<0f(a) \times f(b) < 0, l'équation f(x)=0f(x) = 0 admet une unique solution α[a;b]\alpha \in [a\,;\,b].

Exemple travaillé · 32

Soit la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x3x21f(x) = x^3 - x^2 - 1. Démontrer que l'équation f(x)=0f(x) = 0 admet une unique solution α\alpha sur l'intervalle [1;2][1\,;\,2].

1

La fonction ff est une fonction polynôme, donc continue et dérivable sur [1;2][1\,;\,2].

2

On détermine le signe de sa dérivée sur [1;2][1\,;\,2] :

3
f(x)=3x22x=x(3x2)f'(x) = 3x^2 - 2x = x(3x - 2)
4

Pour tout x[1;2]x \in [1\,;\,2], x>0x > 0 et 3x21>03x - 2 \ge 1 > 0, donc f(x)>0f'(x) > 0 : la fonction ff est strictement croissante sur [1;2][1\,;\,2].

5

On évalue les images des bornes :

6
f(1)=13121=1<0f(1) = 1^3 - 1^2 - 1 = -1 < 0
7
f(2)=23221=841=3>0f(2) = 2^3 - 2^2 - 1 = 8 - 4 - 1 = 3 > 0
8

On constate que f(1)×f(2)<0f(1) \times f(2) < 0 : le réel 00 est compris entre f(1)f(1) et f(2)f(2).

9

Comme ff est continue et strictement croissante sur [1;2][1\,;\,2], d'après le théorème de la bijection, l'équation f(x)=0f(x) = 0 admet une unique solution α\alpha sur [1;2][1\,;\,2].

Vérification · 33

Soit une fonction gg continue sur [0;3][0\,;\,3] telle que g(0)=4g(0) = -4 et g(3)=5g(3) = 5. La fonction n'est pas monotone sur cet intervalle. Que peut-on affirmer avec certitude concernant l'équation g(x)=0g(x) = 0 ?

Remarque

Comme gg est continue et 00 est compris entre g(0)=4g(0) = -4 et g(3)=5g(3) = 5, le TVI garantit l'existence d'au moins une solution. En l'absence de stricte monotonie, on ne peut en revanche pas affirmer que la solution est unique.

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