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Leçon 3

Limites des fonctions de référence

Vidéo 3 : Limites des fonctions de référence · 4 min 02 s · sous-titres en français

Le cours écrit

Le programme cite les « fonctions de référence étudiées en classe de première : puissances entières, racine carrée, fonction exponentielle ». Dans toute la leçon, nn est un entier supérieur ou égal à 11.

3.1 Les puissances xnx^n

en −∞-\infty en +∞+\infty
xnx^n, nn pair (x2x^2, x4x^4…) +∞+\infty +∞+\infty
xnx^n, nn impair (xx, x3x^3…) −∞-\infty +∞+\infty

Pourquoi xn→+∞x^n \to +\infty en +∞+\infty ? Pour x≥1x \geq 1, xn−1≥1x^{n-1} \geq 1, donc xn≥xx^n \geq x. Soit A≥1A \geq 1 : dès que x≥Ax \geq A, xn≥x≥Ax^n \geq x \geq A.

En −∞-\infty. xn=(−1)n(−x)nx^n = (-1)^n(-x)^n et −x→+∞-x \to +\infty : on obtient +∞+\infty si nn est pair, −∞-\infty si nn est impair.

3.2 Les inverses des puissances et la racine carrée

fonction en −∞-\infty en 00 en +∞+\infty
1xn\dfrac{1}{x^n}, nn pair 00 +∞+\infty 00
1xn\dfrac{1}{x^n}, nn impair 00 −∞-\infty à gauche, +∞+\infty à droite 00
x\sqrt{x} non définie 00 +∞+\infty
1x\dfrac{1}{\sqrt{x}} non définie +∞+\infty à droite 00

Asymptotes : la courbe de x↦1xnx \mapsto \dfrac{1}{x^n} a pour asymptotes l'axe des ordonnées et l'axe des abscisses ; celle de x↦1xx \mapsto \dfrac{1}{\sqrt{x}} aussi (asymptote verticale à droite de 00, horizontale en +∞+\infty).

3.3 La fonction exponentielle

Théorème (démonstration du programme). lim⁡x→+∞ex=+∞etlim⁡x→−∞ex=0.\lim_{x\to+\infty} \mathrm{e}^x = +\infty \qquad\text{et}\qquad \lim_{x\to-\infty} \mathrm{e}^x = 0. L'axe des abscisses est asymptote horizontale à la courbe de l'exponentielle en −∞-\infty.

Rappels de Première. La fonction exponentielle est strictement positive et strictement croissante sur R\mathbb{R} ; e=e1≈2,72\mathrm{e} = \mathrm{e}^1 \approx 2{,}72 ; pour tout réel aa, la suite (ena)(\mathrm{e}^{na}) est géométrique de raison ea\mathrm{e}^a.

Démonstration en +∞+\infty.

  1. La suite (en)(\mathrm{e}^n) est géométrique de raison e>1\mathrm{e} > 1, donc lim⁡n→+∞en=+∞\lim\limits_{n\to+\infty} \mathrm{e}^n = +\infty (chapitre 2, limite de qnq^n).
  2. Soit AA un réel. D'après la définition de cette limite, il existe un entier NN tel que eN≥A\mathrm{e}^N \geq A.
  3. La fonction exponentielle est croissante : pour tout x≥Nx \geq N, ex≥eN≥A\mathrm{e}^x \geq \mathrm{e}^N \geq A.
  4. L'intervalle [A ;+∞[[A\,;+\infty[ contient donc toutes les valeurs ex\mathrm{e}^x pour x≥Nx \geq N : lim⁡x→+∞ex=+∞\lim\limits_{x\to+\infty} \mathrm{e}^x = +\infty.

Démonstration en −∞-\infty.

  1. La suite (e−n)(\mathrm{e}^{-n}) est géométrique de raison 1e\dfrac1{\mathrm{e}}, et 0<1e<10 < \dfrac1{\mathrm{e}} < 1, donc lim⁡n→+∞e−n=0\lim\limits_{n\to+\infty} \mathrm{e}^{-n} = 0.
  2. Soit II un intervalle ouvert contenant 00. Il contient un intervalle ]−r ;r[]-r\,;r[ avec r>0r > 0. Comme e−n→0\mathrm{e}^{-n} \to 0, il existe un entier NN tel que e−N<r\mathrm{e}^{-N} < r.
  3. Pour tout x≤−Nx \leq -N, l'exponentielle étant positive et croissante : 0<ex≤e−N<r0 < \mathrm{e}^x \leq \mathrm{e}^{-N} < r, donc ex∈ ]−r ;r[  ⊂I\mathrm{e}^x \in\, ]-r\,;r[ \;\subset I.
  4. II contient toutes les valeurs ex\mathrm{e}^x pour x≤−Nx \leq -N : lim⁡x→−∞ex=0\lim\limits_{x\to-\infty} \mathrm{e}^x = 0.

Une seconde démonstration de la limite en +∞+\infty, par comparaison, est donnée à la leçon 6.

Exemple 9 (valeurs). e10≈22 026\mathrm{e}^{10} \approx 22\,026 et e−10≈0,000 045\mathrm{e}^{-10} \approx 0{,}000\,045 : l'exponentielle grandit très vite en +∞+\infty et s'écrase très vite vers 00 en −∞-\infty.

3.4 Limite finie en un réel

Définition. Soit aa un réel (dans l'ensemble de définition de ff, ou qui en est une borne). La fonction ff a pour limite ℓ\ell en aa si tout intervalle ouvert contenant ℓ\ell contient toutes les valeurs f(x)f(x) pour xx assez proche de aa. On note lim⁡x→af(x)=ℓ\lim\limits_{x\to a} f(x) = \ell.

Propriété (admise). Si ff est une fonction de référence (ou une fonction construite à partir d'elles par opérations) définie en un réel aa, alors lim⁡x→af(x)=f(a)\lim\limits_{x\to a} f(x) = f(a). Pour la racine carrée en 00, il s'agit de la limite à droite.

Exemple 10. lim⁡x→3x2=9\lim\limits_{x\to3} x^2 = 9 ; lim⁡x→4x=2\quad\lim\limits_{x\to4} \sqrt{x} = 2 ; lim⁡x→0ex=e0=1\quad\lim\limits_{x\to0} \mathrm{e}^x = \mathrm{e}^0 = 1 ; lim⁡x→−11x2=1\quad\lim\limits_{x\to-1} \dfrac{1}{x^2} = 1.

Cette propriété est celle des fonctions continues : elle sera reprise au chapitre 7.

Lire le cours complet du chapitre

Exercices 5 et 6

  • Exercice 5 : limites de référence
  • Exercice 6 : la démonstration sur l'exponentielle, en chiffres

Exercices du chapitre (PDF, 120 Ko)

Corrigés

Cherche d'abord les exercices sur ta feuille, puis compare avec le corrigé détaillé.

Corrigés du chapitre (PDF, 155 Ko)

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