Soit f une fonction vérifiant limx→2+f(x)=+∞ et limx→+∞f(x)=−1. Complète les équations des asymptotes associées :
Remarque
Une limite infinie en un réel a donne une asymptote verticale d'équation x=a. Une limite finie L en ±∞ donne une asymptote horizontale d'équation y=L.
Point de départ · 2
Soit f(x)=2x+1+x1 pour x>0. Lorsque x devient infiniment grand, de quelle droite la courbe Cf semble-t-elle se rapprocher ?
Remarque
Pour de très grandes valeurs de x, le terme x1 devient négligeable devant 2x+1. La courbe épouse ainsi la droite oblique d'équation y=2x+1.
Définition · 3
Définition de l'asymptote oblique
x→+∞lim[f(x)−(ax+b)]=0⟺Cf admet la droite Δ:y=ax+b comme asymptote oblique en +∞
En pratique, si une fonction s'écrit sous la forme f(x)=ax+b+g(x) avec limx→+∞g(x)=0 (où a=0), la droite Δ:y=ax+b est asymptote oblique à Cf au voisinage de +∞.
Piège classique · 4
Soit f(x)=3x−2+x+15 pour x>−1. Pour prouver que la droite d'équation y=3x−2 est asymptote oblique en +∞, quelle démarche est la plus rapide ?
Attention
Calculer le rapport xf(x) puis chercher une limite de différence alors que l'expression contient déjà sa partie affine isolée.
À la place : Calculer directement limx→+∞[f(x)−(3x−2)]=limx→+∞x+15=0. Inutile de passer par le quotient xf(x).
Définition · 5
Position relative d'une courbe par rapport à son asymptote
f(x)−(ax+b)>0⟺Cf est strictement au-dessus de Δ:y=ax+b
f(x)−(ax+b)<0⟺Cf est strictement au-dessous de Δ:y=ax+b
La position relative s'obtient toujours par l'étude du signe de la différence f(x)−yΔ. Si la différence s'annule en un point x0, la courbe coupe son asymptote en ce point.
Exemple travaillé · 6
Soit f la fonction définie sur ]1;+∞[ par f(x)=x−12x2+x−4. Déterminer l'asymptote oblique Δ en +∞ et la position relative de Cf par rapport à Δ.
1
On effectue la division euclidienne du numérateur par x−1 pour isoler la partie affine :
2
f(x)=2x+3−x−11
3
On forme la différence avec la partie affine y=2x+3 :
4
f(x)−(2x+3)=−x−11
5
Comme limx→+∞(−x−11)=0, la droite Δ:y=2x+3 est asymptote oblique à Cf en +∞.
6
Pour tout x>1, on a x−1>0, d'où −x−11<0. La courbe Cf est donc strictement au-dessous de Δ sur ]1;+∞[.
Exemple travaillé · 7
Soit f définie sur R par f(x)=x−x2+11. Montrer que la droite Δ:y=x est asymptote oblique à Cf au voisinage de +∞ et de −∞, puis préciser la position de Cf par rapport à Δ.
1
On isole la différence entre f(x) et la fonction affine y=x :
2
f(x)−x=−x2+11
3
Comme limx→+∞x2+1=+∞ et limx→−∞x2+1=+∞, on a :
4
x→+∞lim[f(x)−x]=0etx→−∞lim[f(x)−x]=0
5
La droite Δ:y=x est donc une asymptote oblique commune à Cf en +∞ et en −∞.
6
Pour tout x∈R, x2+1>0, donc f(x)−x<0. La courbe Cf est située strictement au-dessous de Δ sur tout R.
Vérification · 8
Soit f définie sur ]2;+∞[ par f(x)=x−1+(x−2)23. Quelle est l'asymptote oblique Δ à Cf en +∞ et la position de Cf par rapport à Δ ?
Remarque
La différence vaut f(x)−(x−1)=(x−2)23. Elle tend vers 0 en +∞ (donc Δ:y=x−1 est asymptote) et reste strictement positive pour tout x>2, ce qui place Cf au-dessus de Δ.
Point de départ · 9
Soit f la fonction définie sur ]0;+∞[ par f(x)=x+x. On a limx→+∞xf(x)=1. La courbe Cf se rapproche-t-elle de la droite d'équation y=x au voisinage de +∞ ?
Remarque
Bien que le rapport xf(x) tende vers 1, l'écart vertical f(x)−x=x tend vers +∞. La courbe s'écarte indéfiniment de la droite tout en suivant sa direction : c'est une branche parabolique, pas une asymptote.
Définition · 10
Classification des branches infinies et branches paraboliques
Lorsque limx→±∞f(x)=±∞, on étudie la limite du rapport xf(x) pour déterminer la direction asymptotique de la courbe Cf.
x→±∞limxf(x)=0⟺Cf admet une branche parabolique de direction l’axe (Ox)
x→±∞limxf(x)=±∞⟺Cf admet une branche parabolique de direction l’axe (Oy)
{limx→±∞xf(x)=a(a∈R∗)limx→±∞[f(x)−ax]=±∞⟺Cf admet une branche parabolique de direction la droite y=ax
Piège classique · 11
Pour une fonction f, on obtient limx→+∞f(x)=+∞ et limx→+∞xf(x)=2. Que peut-on conclure à ce stade ?
Attention
Conclure immédiatement que la droite d'équation y=2x est asymptote oblique.
À la place : Le rapport xf(x)→2 indique seulement une direction asymptotique de pente 2. Pour conclure, il faut impérativement étudier la limite de la différence f(x)−2x : si elle diverge vers l'infini, c'est une branche parabolique de direction y=2x, et non une asymptote.
Exemple travaillé · 12
Déterminer la nature de la branche infinie au voisinage de +∞ de la courbe de la fonction f définie sur [−1;+∞[ par f(x)=2x+x+1.
1
On évalue d'abord la limite de f(x) en +∞ par somme :
2
x→+∞lim2x=+∞etx→+∞limx+1=+∞⟹x→+∞limf(x)=+∞
3
On forme le rapport xf(x) pour x>0 et on calcule sa limite :
4
xf(x)=2+xx+1=2+x1+x21⟹x→+∞limxf(x)=2
5
Le rapport tend vers une constante finie non nulle a=2. On étudie alors la limite de la différence f(x)−2x :
6
x→+∞lim[f(x)−2x]=x→+∞limx+1=+∞
7
Comme cette limite est infinie, Cf admet au voisinage de +∞ une branche parabolique de direction asymptotique la droite d'équation y=2x.
Exemple travaillé · 13
Déterminer la nature de la branche infinie au voisinage de +∞ de la fonction f définie sur [1;+∞[ par f(x)=xx−1.
1
On vérifie la limite de f(x) en +∞ par produit :
2
x→+∞limx=+∞etx→+∞limx−1=+∞⟹x→+∞limf(x)=+∞
3
On simplifie directement le quotient xf(x) pour tout x>1 :
4
xf(x)=xxx−1=x−1
5
On en déduit la limite du quotient :
6
x→+∞limxf(x)=x→+∞limx−1=+∞
7
Puisque xf(x)→+∞, la courbe Cf admet au voisinage de +∞ une branche parabolique de direction celle de l'axe des ordonnées (O,j).
Vérification · 14
Complète la direction de chaque branche parabolique au voisinage de +∞ selon le comportement du rapport xf(x) et de la différence :
Remarque
Un quotient qui s'annule produit une branche parabolique écrasée vers l'horizontale (Ox) ; un quotient infini dresse la courbe vers la verticale (Oy) ; un quotient fini non nul avec une différence infinie oriente la parabole selon la droite y=ax.
Rappel · 15
Pour tout réel strictement négatif x<0, quelle est l'écriture simplifiée de x2 ?
Remarque
Par définition de la racine carrée, x2=∣x∣. Lorsque x<0, la valeur absolue de x vaut −x, un nombre strictement positif.
Définition · 16
Radicaux quadratiques au voisinage de −∞
Pour étudier le comportement asymptotique en −∞ d'une expression comportant ax2+bx+c (avec a>0), on extrait x2 du radical en appliquant la valeur absolue pour x<0 :
Si une forme indéterminée −∞+∞ subsiste après factorisation (compensation exacte des termes en x), on utilise l'expression conjuguée pour lever l'indétermination.
Piège classique · 17
On cherche la limite en −∞ de xx2+1. Quel est le calcul correct pour tout x<0 ?
Attention
Écrire x2+1=x1+x21 pour x<0, ce qui produit une limite fausse égale à +1.
À la place : Comme x<0, on a x2=−x. Le quotient s'écrit x−x1+1/x2=−1+1/x2, dont la limite en −∞ est −1.
Exemple travaillé · 18
Soit la fonction f définie sur R par f(x)=x+x2+1. Déterminer la nature de la branche infinie de sa courbe Cf au voisinage de −∞.
1
En −∞, on observe une forme indéterminée −∞+∞ car limx→−∞x=−∞ et limx→−∞x2+1=+∞.
2
Les termes dominants se compensant (puisque x2=−x), on multiplie et on divise par l'expression conjuguée x−x2+1 :
Quand x→−∞, ce quotient tend vers −1+11=−21. Comme limx→−∞[f(x)−(−x)]=−21, la droite d'équation y=−x−21 est asymptote oblique à Cf en −∞.
Vérification · 20
Soit la fonction f définie sur R par f(x)=x+x2+1. Quelles sont les asymptotes à la courbe Cf au voisinage de +∞ et de −∞ ?
Remarque
En +∞, f(x)=x+x1+1/x2, donc xf(x)→2 et f(x)−2x=x2+1+x1→0 (asymptote y=2x). En −∞, l'expression conjuguée donne limx→−∞f(x)=0 (asymptote y=0).
Rappel · 21
Soit f une fonction définie sur un intervalle contenant x0. Quelle condition traduit la dérivabilité de f en x0 ?
Remarque
La continuité en x0 ne suffit pas : pour que f soit dérivable en x0, la limite du taux d'accroissement doit être un nombre réel fini ℓ, appelé nombre dérivé et noté f′(x0).
Définition · 22
Dérivabilité unilatérale et demi-tangente verticale
x→a+limx−af(x)−f(a)=±∞⟹f n’est pas deˊrivable aˋ droite en a
Dans ce cas, la courbe Cf admet au point A(a,f(a)) une demi-tangente verticale portée par la droite d'équation x=a :
limx→a+x−af(x)−f(a)=+∞⟹demi-tangente dirigeˊe vers le haut
limx→a+x−af(x)−f(a)=−∞⟹demi-tangente dirigeˊe vers le bas
Piège classique · 23
Soit g la fonction définie sur [0;+∞[ par g(x)=xx. La fonction g est-elle dérivable à droite en 0 ?
Attention
Conclure que g n'est pas dérivable en 0 sous prétexte que la fonction racine carrée x↦x ne l'est pas.
À la place : Il faut impérativement calculer la limite du taux d'accroissement : limx→0+x−0g(x)−g(0)=limx→0+xxx=limx→0+x=0. La limite est finie, donc g est dérivable à droite en 0 et admet une demi-tangente horizontale en (0,0).
Exemple travaillé · 24
Soit f(x)=x2−1 définie sur [1;+∞[. Étudier la dérivabilité de f à droite en 1 et interpréter graphiquement le résultat.
1
On a f(1)=0. On forme le taux d'accroissement pour tout x>1 :
2
x−1f(x)−f(1)=x−1x2−1
3
Comme x>1, on a x−1>0, donc x−1=(x−1)2 :
4
(x−1)2(x−1)(x+1)=(x−1)2(x−1)(x+1)=x−1x+1
5
Quand x→1+, le numérateur tend vers 2 et le dénominateur vers 0+, donc :
6
x→1+limx−1f(x)−f(1)=+∞
7
La fonction f n'est pas dérivable à droite en 1. La courbe Cf admet au point (1,0) une demi-tangente verticale dirigée vers le haut.
Exemple travaillé · 25
Soit f(x)=4−x2 définie sur [−2;2]. Étudier la dérivabilité de f à gauche en 2 et préciser la demi-tangente à Cf en ce point.
1
On a f(2)=0. On écrit le taux d'accroissement pour tout x∈[−2;2[ :
2
x−2f(x)−f(2)=x−24−x2
3
Pour x<2, on a x−2<0, donc x−2=−(2−x)=−(2−x)2 :
4
−(2−x)2(2−x)(2+x)=−2−x2+x
5
Quand x→2−, on a 2+x→4 et 2−x→0+, d'où :
6
x→2−limx−2f(x)−f(2)=−∞
7
La fonction f n'est pas dérivable à gauche en 2. La courbe Cf admet une demi-tangente verticale au point (2,0).
Vérification · 26
Soit f une fonction définie sur [3;+∞[ telle que limx→3+x−3f(x)−f(3)=−∞. Que peut-on affirmer pour la courbe Cf au point (3,f(3)) ?
Remarque
La limite du taux de variation étant −∞ à droite de 3, f n'est pas dérivable à droite en 3. La courbe Cf présente en ce point une demi-tangente verticale dirigée vers le bas.
Point de départ · 27
On considère les fonctions f(x)=x3 et g(x)=x4. Leurs dérivées secondes s'annulent toutes deux en 0 : f′′(0)=0 et g′′(0)=0. La tangente en 0 (l'axe des abscisses) traverse-t-elle la courbe dans les deux cas ?
Remarque
Pour f(x)=x3, la courbe traverse sa tangente horizontale en (0,0) : elle passe de dessous à dessus. Pour g(x)=x4, la courbe reste constamment au-dessus de sa tangente (x4≥0). Seul le premier cas constitue un point d'inflexion.
Définition · 28
Point d'inflexion et dérivée seconde
f′′(x0)=0 en changeant de signe en x0⟺I(x0,f(x0)) est un point d’inflexion de Cf
Géométriquement, en un point d'inflexion, la tangente traverse la courbe représentative Cf. Cela se traduit analytiquement par le changement de signe de la différence f(x)−yT de part et d'autre de x0.
Piège classique · 29
Soit f une fonction deux fois dérivable en a. Si f′′(a)=0, peut-on affirmer que la courbe Cf admet un point d'inflexion d'abscisse a ?
Attention
Conclure à l'existence d'un point d'inflexion dès que la dérivée seconde s'annule en a.
À la place : L'annulation seule ne suffit pas : il faut impérativement que f′′ change de signe de part et d'autre de a. Si f′′ s'annule sans changer de signe (comme pour g(x)=x4 où g′′(x)=12x2≥0), la courbe reste du même côté de sa tangente et il n'y a pas d'inflexion.
Exemple travaillé · 30
Soit la fonction f définie sur R par f(x)=81x3+x−4. Montrer que la courbe Cf admet un point d'inflexion I et donner une équation de la tangente T en ce point.
1
On calcule la dérivée première de f pour tout x∈R :
2
f′(x)=83x2+1
3
On calcule la dérivée seconde f′′(x) :
4
f′′(x)=43x
5
On étudie l'annulation et le signe de f′′(x) : f′′(x)=0⟺x=0. Pour x<0, f′′(x)<0 et pour x>0, f′′(x)>0.
6
Puisque f′′ s'annule en 0 en changeant de signe, le point I(0,f(0))=I(0,−4) est un point d'inflexion de Cf.
7
On détermine la tangente T en I : f′(0)=1, d'où T:y=1(x−0)−4, soit y=x−4.
Exemple travaillé · 31
Soit f(x)=x+x2+1x définie sur R. La tangente à Cf en l'origine O(0,0) a pour équation T:y=2x. Montrer que O est un point d'inflexion de Cf en étudiant la position relative de Cf par rapport à T.
1
On étudie le signe de la différence f(x)−2x pour tout x∈R :
2
f(x)−2x=x2+1x−x=x2+1x(1−x2+1)
3
On multiplie par l'expression conjuguée 1+x2+1>0 pour déterminer le signe du facteur numérateur :
Le dénominateur est strictement positif sur R. Le signe de la différence est donc celui de −x3 :
6
Pour x<0, f(x)−2x>0 (Cf est au-dessus de T). Pour x>0, f(x)−2x<0 (Cf est au-dessous de T).
7
La différence change de signe en 0 : la tangente T traverse Cf en O(0,0), ce qui prouve que O est un point d'inflexion.
Vérification · 32
Soit f une fonction deux fois dérivable sur R dont la dérivée seconde est f′′(x)=(x−2)2(x+1). Quels sont les points d'inflexion de Cf ?
Remarque
En x=2, le facteur (x−2)2 reste positif ou nul : f′′ s'annule sans changer de signe, donc il n'y a pas d'inflexion en 2. En x=−1, le facteur x+1 s'annule en changeant de signe : la courbe admet un unique point d'inflexion d'abscisse −1.
Point de départ · 33
Pour une fonction paire, la courbe est symétrique par rapport à l'axe des ordonnées (x=0), ce qui se traduit par f(−x)=f(x). Si l'on décale cet axe vertical vers la droite d'équation x=a, quelle relation relie les ordonnées de deux points situés à égale distance h de l'axe ?
Remarque
Deux points symétriques par rapport à la droite x=a ont pour abscisses a−h et a+h. Pour que la droite soit axe de symétrie de la courbe, ils doivent avoir la même ordonnée : f(a−h)=f(a+h).
Définition · 34
Éléments de symétrie d'une courbe représentative
La droite Δ:x=a est axe de symeˊtrie de Cf⟺{∀x∈Df,(2a−x)∈Dff(2a−x)=f(x)
Le point Ω(a,b) est centre de symeˊtrie de Cf⟺{∀x∈Df,(2a−x)∈Dff(2a−x)+f(x)=2b
De manière équivalente, en posant x=a+h, le point Ω(a,b) est centre de symétrie si et seulement si pour tout h tel que (a+h)∈Df, on a (a−h)∈Df et f(a+h)+f(a−h)=2b.
Piège classique · 35
Pour montrer que le point Ω(−3,−5) est un centre de symétrie de la courbe de f(x)=x+32x2+7x−1, définie sur R∖{−3}, quelle étape préalable est indispensable ?
Attention
Calculer directement la somme f(−6−x)+f(x) sans vérifier l'appartenance du symétrique au domaine de définition.
À la place : Il faut d'abord prouver que pour tout x∈Df, son symétrique 2a−x=−6−x appartient aussi à Df. Ici, −6−x=−3⟺x=−3, donc si x=−3, alors (−6−x)=−3.
Exemple travaillé · 36
Soit f la fonction définie sur R par f(x)=x2−4x+5. Montrer que la droite d'équation x=2 est un axe de symétrie de sa courbe représentative Cf.
1
L'ensemble de définition est Df=R. Pour tout x∈R, on a 2(2)−x=4−x∈R.
2
On exprime le trinôme sous sa forme canonique pour simplifier les calculs :
3
f(x)=(x−2)2+1
4
On évalue f(4−x) pour tout réel x :
5
f(4−x)=((4−x)−2)2+1=(2−x)2+1=(x−2)2+1=f(x)
6
Puisque pour tout x∈R, 4−x∈R et f(4−x)=f(x), la droite d'équation x=2 est un axe de symétrie de Cf.
Exemple travaillé · 37
Soit f la fonction définie sur R∖{−3} par f(x)=x+32x2+7x−1. Montrer que le point Ω(−3,−5) est un centre de symétrie de la courbe Cf.
1
Pour tout x∈R∖{−3}, on a 2(−3)−x=−6−x=−3 car x=−3. Donc (−6−x)∈Df.
2
On décompose la fraction rationnelle pour isoler sa partie affine :
3
f(x)=2x+1−x+34
4
On évalue f(−6−x) :
5
f(−6−x)=2(−6−x)+1−(−6−x)+34=−2x−11+x+34
6
On effectue la somme des ordonnées symétriques :
7
f(−6−x)+f(x)=(−2x−11+x+34)+(2x+1−x+34)=−10
8
Comme −10=2×(−5), on a bien f(−6−x)+f(x)=2b. Le point Ω(−3,−5) est donc centre de symétrie de Cf.
Vérification · 38
Soit f une fonction définie sur R vérifiant pour tout réel x la relation f(6−x)+f(x)=4. Quel élément de symétrie la courbe Cf admet-elle ?
Remarque
La relation s'identifie à f(2a−x)+f(x)=2b avec 2a=6⟹a=3 et 2b=4⟹b=2. Le point Ω(3,2) est donc un centre de symétrie de la courbe Cf.