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Cours · Bac+1 (MPSI)

Fonctions d'une variable réelle

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Limites

Non commencé

Définitions

Soit ff définie sur I⊂RI \subset \mathbb{R} sauf peut-être en aa. On dit que f(x)f(x) tend vers ℓ∈R\ell \in \mathbb{R} quand x→ax \to a si ∀ε>0,∃δ>0,0<∣x−a∣<δ⇒∣f(x)−ℓ∣<ε\forall \varepsilon > 0, \exists \delta > 0, 0 < |x-a| < \delta \Rightarrow |f(x)-\ell| < \varepsilon.

On distingue les limites à gauche et à droite. Les limites en ±∞\pm\infty se définissent analogiquement. Théorèmes usuels : unicité de la limite, opérations, théorème de comparaison et des gendarmes. Les formes indéterminées (00\frac{0}{0}, ∞∞\frac{\infty}{\infty}, 0×∞0 \times \infty, etc.) demandent une transformation algébrique ou l'utilisation de développements limités.

Limite de fonction en aa : ∀ε>0,∃δ>0,0<∣x−a∣<δ⇒∣f(x)−ℓ∣<ε\forall \varepsilon>0, \exists \delta>0, 0<|x-a|<\delta \Rightarrow |f(x)-\ell|<\varepsilon. On distingue limites à gauche/droite et en ±∞\pm\infty.

Outils : opérations, comparaison, gendarmes. Formes indéterminées (00\frac{0}{0}, ∞∞\frac{\infty}{\infty}, …) : factoriser ou DL. Limite fondamentale : sin⁡xx→1\frac{\sin x}{x}\to 1.

Formules

  • lim⁡x→af(x)=ℓ⇔∀ε>0,∃δ>0,0<∣x−a∣<δ⇒∣f(x)−ℓ∣<ε\lim_{x \to a} f(x) = \ell \Leftrightarrow \forall \varepsilon > 0, \exists \delta > 0, 0 < |x-a| < \delta \Rightarrow |f(x)-\ell| < \varepsilon
  • lim⁡x→axn−anx−a=nan−1(n∈N∗)\lim_{x \to a} \frac{x^n - a^n}{x-a} = n a^{n-1} \quad (n \in \mathbb{N}^*)
  • lim⁡x→+∞ln⁡xxα=0(α>0);lim⁡x→0+xln⁡x=0\lim_{x \to +\infty} \frac{\ln x}{x^\alpha} = 0 \quad (\alpha > 0) \quad ; \quad \lim_{x \to 0^+} x \ln x = 0

Exemples

Exemple 1

Calculer lim⁡x→1x2−1x−1\lim_{x\to 1}\frac{x^2-1}{x-1}.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Factoriser : (x−1)(x+1)x−1=x+1\frac{(x-1)(x+1)}{x-1}=x+1 pour x≠1x\neq 1, donc limite 22. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

lim⁡=2\lim = 2.

Exemple 2

Calculer lim⁡x→0sin⁡xx\lim_{x\to 0}\frac{\sin x}{x}.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Limite fondamentale (admise ou via géométrie/DL) : le quotient tend vers 11. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

lim⁡=1\lim = 1.

À retenir

Continuité

Non commencé

Définitions

Une fonction ff est continue en aa si lim⁡x→af(x)=f(a)\lim_{x \to a} f(x) = f(a). Elle est continue sur II si elle est continue en tout point de II. Les polynômes, les fonctions rationnelles (sur leur domaine), exp⁡\exp, ln⁡\ln, sin⁡\sin, cos⁡\cos sont continus sur leur domaine de définition.

Théorème des valeurs intermédiaires (TVI) : si ff continue sur [a,b][a,b] et kk entre f(a)f(a) et f(b)f(b), alors ∃c∈[a,b],f(c)=k\exists c \in [a,b], f(c) = k. Corollaire : bijection continue strictement monotone sur un intervalle. Une fonction lipschitzienne ∣f(x)−f(y)∣≤L∣x−y∣|f(x)-f(y)| \leq L|x-y| est uniformément continue, donc continue.

ff est continue en aa si lim⁡x→af(x)=f(a)\lim_{x\to a}f(x)=f(a). Polynômes, rationnelles (sur leur domaine), exp⁡\exp, ln⁡\ln, sin⁡\sin, cos⁡\cos sont continus sur leur domaine.

TVI : ff continue sur [a,b][a,b], kk entre f(a)f(a) et f(b)f(b) ⇒\Rightarrow ∃c\exists c, f(c)=kf(c)=k. Sur un segment, ff continue atteint ses bornes.

Formules

  • f continue en a⇔lim⁡x→af(x)=f(a)f \text{ continue en } a \Leftrightarrow \lim_{x \to a} f(x) = f(a)
  • TVI : f continue sur [a,b], k∈]f(a),f(b)[⇒∃c∈]a,b[,f(c)=k\text{TVI : } f \text{ continue sur } [a,b],\ k \in ]f(a), f(b)[ \Rightarrow \exists c \in ]a,b[, f(c) = k
  • f continue sur [a,b]⇒f([a,b])=[min⁡f,max⁡f]f \text{ continue sur } [a,b] \Rightarrow f([a,b]) = [\min f, \max f]
  • ∣f(x)−f(y)∣≤L∣x−y∣⇒f lipschitzienne|f(x)-f(y)| \leq L|x-y| \Rightarrow f \text{ lipschitzienne}

Exemples

Exemple 1

Prolonger x↦sin⁡xxx\mapsto \frac{\sin x}{x} par continuité en 00.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Poser f(0)=1f(0)=1 car lim⁡x→0sin⁡xx=1\lim_{x\to 0}\frac{\sin x}{x}=1. Alors ff est continue en 00. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

f(0)=1f(0)=1 rend ff continue sur R\mathbb{R}.

Exemple 2

Montrer que f(x)=x3−xf(x)=x^3-x prend la valeur 11 sur [0,2][0,2].

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) f(0)=0f(0)=0, f(2)=6f(2)=6, 1∈[0,6]1\in[0,6]. TVI : ∃c∈]0,2[\exists c\in]0,2[, f(c)=1f(c)=1. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

∃c∈]0,2[, f(c)=1\exists c\in]0,2[,\ f(c)=1.

À retenir

Dérivation

Non commencé

Définitions

Une fonction ff est dérivable en aa si la limite lim⁡h→0f(a+h)−f(a)h\lim_{h \to 0} \frac{f(a+h)-f(a)}{h} existe ; on la note f′(a)f'(a). Dérivable en aa implique continue en aa. Règles : (u+v)′=u′+v′(u+v)' = u'+v', (uv)′=u′v+uv′(uv)' = u'v + uv', (uv)′=u′v−uv′v2(\frac{u}{v})' = \frac{u'v - uv'}{v^2}, (u∘v)′=(u′∘v)×v′(u \circ v)' = (u' \circ v) \times v' (chain rule).

Théorème de Rolle : si ff continue sur [a,b][a,b], dérivable sur ]a,b[]a,b[ et f(a)=f(b)f(a)=f(b), alors ∃c∈]a,b[,f′(c)=0\exists c \in ]a,b[, f'(c)=0. Théorème des accroissements finis (TAF) : f(b)−f(a)=f′(c)(b−a)f(b)-f(a) = f'(c)(b-a). Si f′(x)≥0f'(x) \geq 0 sur II, ff est croissante.

ff est dérivable en aa si lim⁡h→0f(a+h)−f(a)h\lim_{h\to 0}\frac{f(a+h)-f(a)}{h} existe. Dérivable ⇒\Rightarrow continue. Règles : produit, quotient, composition.

Rolle : f(a)=f(b)f(a)=f(b) ⇒\Rightarrow ∃c\exists c, f′(c)=0f'(c)=0. TAF : f(b)−f(a)=f′(c)(b−a)f(b)-f(a)=f'(c)(b-a). Si f′≥0f'\geq 0, ff croissante.

Formules

  • f′(a)=lim⁡h→0f(a+h)−f(a)hf'(a) = \lim_{h \to 0} \frac{f(a+h)-f(a)}{h}
  • (exp⁡x)′=ex;(ln⁡x)′=1x;(sin⁡x)′=cos⁡x(\exp x)' = e^x \quad ; \quad (\ln x)' = \frac{1}{x} \quad ; \quad (\sin x)' = \cos x
  • TAF : ∃c∈]a,b[,f(b)−f(a)=f′(c)(b−a)\text{TAF : } \exists c \in ]a,b[, f(b)-f(a) = f'(c)(b-a)
  • f′(a)=0 si extremum local en a (condition neˊcessaire)f'(a) = 0 \text{ si extremum local en } a \text{ (condition nécessaire)}

Exemples

Exemple 1

Dériver f(x)=sin⁡(x2)f(x)=\sin(x^2).

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Composition : (u∘v)′=(u′∘v) v′(u\circ v)'=(u'\circ v)\,v' avec u=sin⁡u=\sin, v=x2v=x^2 : f′(x)=2xcos⁡(x2)f'(x)=2x\cos(x^2). (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

f′(x)=2xcos⁡(x2)f'(x)=2x\cos(x^2).

Exemple 2

Étudier les extrema de f(x)=x3−3xf(x)=x^3-3x.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) f′(x)=3(x2−1)=3(x−1)(x+1)f'(x)=3(x^2-1)=3(x-1)(x+1). Signes : max local en −1-1, min local en 11. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Extrema locaux en x=±1x=\pm 1.

À retenir