Pour tout réel x<0, à quoi est égale l'expression x2 ?
Remarque
Par définition, pour tout réel x, x2=∣x∣. Lorsque x<0, la valeur absolue d'un nombre négatif est son opposé, donc ∣x∣=−x.
Point de départ · 2
On cherche limx→+∞(x2+2x−x). Si on factorise par x pour x>0, on obtient x(1+x2−1). Quelle est la limite de la parenthèse ?
La parenthèse tend vers 1−1=0, tandis que x tend vers +∞. La factorisation mène à l'indétermination ∞×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 au voisinage de l'infini, on compare les termes de plus haut degré.
a=∣d∣ ou les termes ne s’annulent pas
On factorise par ∣x∣ sous le radical et globalement.
Les termes dominants se compensent exactement (somme nulle)
On multiplie et on divise par l’expression conjugueˊe.
Exemple travaillé · 4
Déterminer limx→−∞2xx2+2x−5.
1
Pour x<0, on factorise par x2 sous le radical :
2
x2+2x−5=x2(1+x2−x25)=∣x∣1+x2−x25
3
Comme x→−∞, on a x<0, donc ∣x∣=−x :
4
2xx2+2x−5=2x−x1+x2−x25=−211+x2−x25
5
Comme limx→−∞x2=0 et limx→−∞x25=0, on passe à la limite :
6
x→−∞lim2xx2+2x−5=−21
Piège classique · 5
Un élève calcule limx→−∞x4x2+1. Il écrit : 4x2+1=2x1+4x21, simplifie par x et trouve 2. Quelle est la valeur correcte de cette limite ?
Attention
Écrire 4x2=2x quand la variable tend vers −∞.
À la place : Pour x<0, 4x2=2∣x∣=−2x. Le rapport vaut −21+4x21, ce qui donne une limite égale à −2.
Exemple travaillé · 6
Calculer limx→+∞(x2+2x−x).
1
En +∞, les termes dominants sont x2=x et −x : ils ont le même coefficient et s'annulent (x−x=0). On multiplie et on divise par l'expression conjuguée :
Comme limx→+∞x2=0, le dénominateur tend vers 1+1=2 :
6
x→+∞lim(x2+2x−x)=22=1
Piège classique · 7
Pour calculer limx→+∞(4x2+3x−2x), quelle méthode doit-on impérativement employer ?
Attention
Tenter de factoriser par x, ce qui donne x(4+x3−2) et produit la forme indéterminée ∞×(2−2)=∞×0.
À la place : Comme 4x2=2x pour x>0, les termes dominants se compensent exactement (2x−2x=0). Il faut impérativement multiplier et diviser par l'expression conjuguée 4x2+3x+2x.
Vérification · 8
Quelle est la limite de f(x)=x2+2x−x lorsque x→−∞ ?
Remarque
Quand x→−∞, on a limx→−∞x2+2x=+∞ et limx→−∞(−x)=+∞. Il n'y a aucune forme indéterminée : par somme de limites infinies de même signe, limx→−∞f(x)=+∞. L'expression conjuguée était inutile ici.
Point de départ · 9
On cherche limx→+∞(x+cosx). Pour tout réel x, on a x−1≤x+cosx≤x+1. A-t-on besoin de la borne supérieure x+1 pour conclure ?
Remarque
Comme limx→+∞(x−1)=+∞, la seule minoration x+cosx≥x−1 suffit à entraîner la fonction vers +∞. 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)=+∞
x→+∞limf(x)=+∞
f(x)≤g(x) au voisinage de +∞etlimx→+∞g(x)=−∞
x→+∞limf(x)=−∞
u(x)≤f(x)≤v(x)etlimx→+∞u(x)=limx→+∞v(x)=L∈R
x→+∞limf(x)=L
Exemple travaillé · 11
Déterminer limx→+∞3−sinxx.
1
Pour tout réel x, on encadre le sinus :
2
−1≤−sinx≤1⟹2≤3−sinx≤4
3
Par décroissance de la fonction inverse sur ]0;+∞[ :
4
41≤3−sinx1≤21
5
Pour x>0, on multiplie par x sans changer l'ordre :
6
4x≤3−sinxx
7
Comme limx→+∞4x=+∞, le théorème de comparaison donne :
8
x→+∞lim3−sinxx=+∞
Exemple travaillé · 12
Déterminer limx→+∞x2+1xsinx.
1
Pour tout réel x, on a −1≤sinx≤1. Pour x>0, on multiplie par x :
2
−x≤xsinx≤x
3
Comme x2+1>0, on divise chaque membre par x2+1 :
4
−x2+1x≤x2+1xsinx≤x2+1x
5
On calcule la limite des bornes en +∞ :
6
x→+∞limx2+1x=x→+∞limx2x=x→+∞limx1=0
7
Les deux bornes tendent vers 0. D'après le théorème des gendarmes :
8
x→+∞limx2+1xsinx=0
Piège classique · 13
Quelle méthode permet de déterminer limx→+∞xsin(x1) ?
Attention
Écrire −1≤sin(x1)≤1⟹−x≤xsin(x1)≤x : les bornes tendent vers −∞ et +∞, ce qui ne permet pas de conclure.
À la place : Quand x→+∞, l'argument x1 tend vers 0. En posant X=x1, on se ramène à la limite remarquable limX→0XsinX=1.
Vérification · 14
Déterminer limx→+∞xcos(x2).
Remarque
Pour tout x>0, −1≤cos(x2)≤1, donc −x1≤xcos(x2)≤x1. Comme limx→+∞x1=0, le théorème des gendarmes donne 0.
Point de départ · 15
Soit f(x)=x−1+x+32 pour tout x>0. Que devient l'écart vertical entre la courbe Cf et la droite D:y=x−1 lorsque x tend vers +∞ ?
Remarque
Comme limx→+∞x+32=0, la différence f(x)−(x−1) tend vers 0 : la courbe se rapproche indéfiniment de la droite D. On dit que D est une asymptote oblique à Cf.
Définition · 16
Asymptote oblique et position relative
limx→+∞[f(x)−(ax+b)]=0(a=0)
La droite D:y=ax+b est une asymptote oblique aˋCf au voisinage de +∞
Pour étudier la position relative de Cf par rapport à D, on étudie le signe de la différence d(x)=f(x)−(ax+b) :
d(x)>0⟹Cf est au-dessus de D
d(x)<0⟹Cf est au-dessous de D
Exemple travaillé · 17
Soit f(x)=x+1x2+2x+7 définie sur R∖{−1}. Démontrer que la droite D:y=x+1 est asymptote oblique à Cf en +∞, puis préciser la position relative de Cf par rapport à D sur ]−1;+∞[.
1
On calcule la différence f(x)−(x+1) pour tout x=−1 :
La limite étant nulle, la droite D:y=x+1 est bien asymptote oblique à Cf en +∞.
6
Pour tout x∈]−1;+∞[, x+1>0, donc x+16>0 : la courbe Cf est strictement au-dessus de D sur cet intervalle.
Piège classique · 18
Soit f(x)=x+1+x+16 et D:y=x+1. Un élève affirme : « Comme le numérateur 6 est strictement positif, Cf est au-dessus de D sur tout son ensemble de définition R∖{−1}. » Que penser de cette affirmation ?
Attention
Conclure sur le signe de f(x)−(ax+b) en regardant uniquement le numérateur, en oubliant que le dénominateur change de signe.
À la place : Pour x<−1, on a x+1<0, donc f(x)−(x+1)=x+16<0 : sur ]−∞;−1[, la courbe Cf est strictement au-dessous de D.
Exemple travaillé · 19
Soit f(x)=x2+4x+7. Démontrer que la droite D:y=x+2 est asymptote oblique à Cf au voisinage de +∞.
1
On étudie la différence f(x)−(x+2)=x2+4x+7−(x+2) au voisinage de +∞ (forme indéterminée ∞−∞) :
La droite D:y=x+2 est donc une asymptote oblique à Cf en +∞.
Vérification · 20
Soit g(x)=2x−3+x−11 pour tout x>1. Quelle est l'asymptote oblique à la courbe de g en +∞, et comment se situe la courbe par rapport à celle-ci ?
Remarque
Comme limx→+∞[g(x)−(2x−3)]=limx→+∞x−11=0, la droite y=2x−3 est asymptote oblique. Pour x>1, x−1>0 donc la différence x−11 est strictement positive : la courbe est au-dessus de l'asymptote.
Point de départ · 21
Soit f une fonction définie sur R par deux formules distinctes selon que x≥1 ou x<1. Pour s'assurer que sa courbe se trace sans rupture au point d'abscisse 1, suffit-il que l'image f(1) existe ?
Remarque
Non. Même si f(1) est bien défini, la courbe peut présenter un saut en 1 si les valeurs approchées à gauche et à droite ne convergent pas vers cette même valeur f(1).
Définition · 22
Continuité en un point et limites latérales
Soit f une fonction définie sur un intervalle ouvert contenant x0.
limx→x0f(x)=f(x0)
f est continue en x0
Pour une fonction définie par morceaux autour de x0, la continuité équivaut à la coïncidence des deux limites latérales avec l'image :
limx→x0+f(x)=limx→x0−f(x)=f(x0)
f est continue aˋ droite et aˋ gauche en x0
Exemple travaillé · 23
Soit la fonction f définie sur R par f(x)=x2+3x+1 si x≥0, et f(x)=xsinx si x<0. Démontrer que f est continue en 0.
1
On évalue l'image de 0 à l'aide de la formule valable pour x≥0 :
2
f(0)=02+3(0)+1=1
3
On étudie la limite à droite en 0 :
4
x→0+limf(x)=x→0+lim(x2+3x+1)=1=f(0)
5
On étudie la limite à gauche en 0 via la limite remarquable du sinus :
6
x→0−limf(x)=x→0−limxsinx=1
7
On confronte les résultats obtenus :
8
x→0+limf(x)=x→0−limf(x)=f(0)=1
9
Les limites latérales étant finies et égales à f(0), la fonction f est continue en 0.
Piège classique · 24
Soit f définie sur R par f(x)=x2+3 si x≤1 et f(x)=xx2+7 si x>1. Un élève affirme : « Comme f(1)=12+3=4, la fonction est continue en 1. » Que penser de cette déduction ?
Attention
Conclure à la continuité en évaluant uniquement la branche fermée qui fournit l'image f(x0).
À la place : Il faut impérativement évaluer la limite sur l'autre branche : limx→1+xx2+7=18=8. Comme 8=4, f présente un saut et n'est pas continue en 1.
Exemple travaillé · 25
Soit la fonction f définie sur [0;+∞[ par f(x)=x−4x−2 si x=4, et f(4)=λ. Déterminer le réel λ pour que f soit continue en 4.
1
Par définition, f est continue en 4 si et seulement si sa limite en 4 existe et vaut λ :
2
x→4limf(x)=f(4)=λ
3
Pour x=4, l'expression donne la forme indéterminée 00. On multiplie par l'expression conjuguée du numérateur :
4
x−4x−2=(x−4)(x+2)(x−2)(x+2)=(x−4)(x+2)x−4
5
Pour tout x=4, on simplifie par le facteur non nul x−4 :
6
f(x)=x+21
7
On calcule la limite finie en 4 :
8
x→4limf(x)=4+21=41
9
On en déduit la valeur unique assurant la continuité : λ=41.
Vérification · 26
Soit la fonction g définie sur R par g(x)=3x−1 si x≤2, et g(x)=x2+1 si x>2. La fonction g est-elle continue en 2 ?
Remarque
On a g(2)=3(2)−1=5. À gauche : limx→2−(3x−1)=5. À droite : limx→2+(x2+1)=22+1=5. Comme limx→2−g(x)=limx→2+g(x)=g(2)=5, la fonction g est continue en 2.
Point de départ · 27
Si une fonction f est continue sur [1;4], avec f(1)=−2 et f(4)=3, est-on certain que la courbe de f coupe l'axe des abscisses au moins une fois ?
Remarque
Pour passer d'une valeur négative (−2) à une valeur positive (3) sans lever le crayon (continuité), la courbe doit obligatoirement traverser l'axe y=0 : c'est le principe du théorème des valeurs intermédiaires.
Définition · 28
Théorème des valeurs intermédiaires (TVI)
Soit f une fonction définie sur un intervalle fermé [a;b].
f 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]
En particulier, si f(a)×f(b)<0, l'équation f(x)=0 admet au moins une solution dans [a;b].
Exemple travaillé · 29
Soit la fonction f définie sur R par f(x)=x3−4x2+6. Démontrer que l'équation f(x)=2 admet au moins une solution sur l'intervalle [−1;4].
1
La fonction f est une fonction polynôme, elle est donc continue sur R, en particulier sur l'intervalle [−1;4].
2
On évalue les images des bornes de l'intervalle :
3
f(−1)=(−1)3−4(−1)2+6=−1−4+6=1
4
f(4)=43−4(4)2+6=64−64+6=6
5
On compare la valeur cible k=2 aux deux images obtenues :
6
f(−1)=1<2<6=f(4)
7
Le réel 2 est compris entre f(−1) et f(4). D'après le théorème des valeurs intermédiaires, l'équation f(x)=2 admet au moins une solution sur [−1;4].
Piège classique · 30
Pour prouver que l'équation x3−4x2+6=2 admet au moins une solution sur [−1;4], est-il obligatoire de calculer la dérivée et d'étudier les variations de f ?
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 f une fonction définie sur un intervalle [a;b].
f 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]
Remarque
Si f(a)×f(b)<0, l'équation f(x)=0 admet une unique solution α∈[a;b].
Exemple travaillé · 32
Soit la fonction f définie sur R par f(x)=x3−x2−1. Démontrer que l'équation f(x)=0 admet une unique solution α sur l'intervalle [1;2].
1
La fonction f est une fonction polynôme, donc continue et dérivable sur [1;2].
2
On détermine le signe de sa dérivée sur [1;2] :
3
f′(x)=3x2−2x=x(3x−2)
4
Pour tout x∈[1;2], x>0 et 3x−2≥1>0, donc f′(x)>0 : la fonction f est strictement croissante sur [1;2].
5
On évalue les images des bornes :
6
f(1)=13−12−1=−1<0
7
f(2)=23−22−1=8−4−1=3>0
8
On constate que f(1)×f(2)<0 : le réel 0 est compris entre f(1) et f(2).
9
Comme f est continue et strictement croissante sur [1;2], d'après le théorème de la bijection, l'équation f(x)=0 admet une unique solution α sur [1;2].
Vérification · 33
Soit une fonction g continue sur [0;3] telle que g(0)=−4 et g(3)=5. La fonction n'est pas monotone sur cet intervalle. Que peut-on affirmer avec certitude concernant l'équation g(x)=0 ?
Remarque
Comme g est continue et 0 est compris entre g(0)=−4 et g(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.