4.1 Les règles
Le programme précise : « Les opérations sur les limites sont admises. » Les règles sont les mêmes que pour les suites (chapitre 2, leçon 3), quand x tend vers +∞, vers −∞ ou vers un réel a (éventuellement à gauche ou à droite). ℓ et ℓ′ désignent des réels ; « FI » signifie forme indéterminée.
Somme.
| limf |
ℓ |
ℓ |
ℓ |
+∞ |
−∞ |
+∞ |
| limg |
ℓ′ |
+∞ |
−∞ |
+∞ |
−∞ |
−∞ |
| lim(f+g) |
ℓ+ℓ′ |
+∞ |
−∞ |
+∞ |
−∞ |
FI |
Produit.
| limf |
ℓ |
ℓ=0 |
±∞ |
0 |
| limg |
ℓ′ |
±∞ |
±∞ |
±∞ |
| lim(f×g) |
ℓℓ′ |
±∞ (règle des signes) |
±∞ (règle des signes) |
FI |
Quotient.
| limf |
ℓ |
ℓ |
±∞ |
ℓ=0 |
±∞ |
0 |
| limg |
ℓ′=0 |
±∞ |
ℓ′=0 |
0, avec g de signe constant |
±∞ |
0 |
| limgf |
ℓ′ℓ |
0 |
±∞ (signes) |
±∞ (signes) |
FI |
FI |
Les quatre formes indéterminées : ∞−∞, 0×∞, ∞∞, 00. Face à l'une d'elles, il faut transformer l'écriture.
Notation. On écrit 0+ (ou 0−) pour une quantité qui tend vers 0 en restant positive (ou négative). Par exemple, 0+7 résume « un numérateur qui tend vers 7 divisé par un dénominateur qui tend vers 0 en restant positif » : le quotient tend vers +∞.
4.2 Le terme prépondérant
Le programme demande de savoir utiliser « la factorisation du terme prépondérant dans une somme ». En l'infini, on factorise par le terme qui « l'emporte ».
Exemple 11 (polynôme). P(x)=−2x3+5x2−1. En +∞, c'est une forme ∞−∞. Pour x=0 :
P(x)=x3(−2+x5−x31).
La parenthèse tend vers −2 (leçon 3 : x5→0 et x31→0).
- En +∞ : x3→+∞, donc par produit x→+∞limP(x)=−∞.
- En −∞ : x3→−∞, donc x→−∞limP(x)=+∞.
Règle. En +∞ et en −∞, un polynôme (non nul) a la même limite que son terme de plus haut degré.
Exemple 12 (quotient en l'infini). f(x)=x−32x+1, définie pour x=3. En +∞, forme ∞∞. Pour x=0 et x=3 :
f(x)=x(1−x3)x(2+x1)=1−x32+x1.
Le numérateur tend vers 2 et le dénominateur vers 1 : x→+∞limf(x)=2. Le calcul est le même en −∞ : x→−∞limf(x)=2. La droite y=2 est asymptote horizontale en +∞ et en −∞.
4.3 Un dénominateur qui tend vers 0
Exemple 12 (suite) : limite en 3. Le numérateur 2x+1 tend vers 7 et le dénominateur x−3 tend vers 0. Son signe :
| x |
−∞ |
|
3 |
|
+∞ |
| x−3 |
|
− |
0 |
+ |
|
- À droite de 3 (x>3) : forme 0+7, donc x→3+limf(x)=+∞.
- À gauche de 3 (x<3) : forme 0−7, donc x→3−limf(x)=−∞.
La droite x=3 est asymptote verticale. On peut aussi écrire f(x)=2+x−37 : la courbe est au-dessus de l'asymptote y=2 pour x>3 et au-dessous pour x<3.
Exemple 13 (forme 00 en un réel). g(x)=x−3x2−9, en 3 : numérateur et dénominateur tendent vers 0. On factorise x2−9=(x−3)(x+3), et pour x=3, g(x)=x+3. Donc x→3limg(x)=6. La limite est finie : pas d'asymptote verticale. La courbe de g est la droite y=x+3 privée du point (3;6).
Méthode. Quand un dénominateur tend vers 0 en a :
- si le numérateur tend vers un réel non nul, on étudie le signe du dénominateur : limites infinies à gauche et à droite, asymptote verticale x=a ;
- si le numérateur tend aussi vers 0 (forme 00), on factorise pour simplifier.
4.4 Avec l'exponentielle
Exemple 14. En +∞, e2x−ex est une forme ∞−∞. Comme e2x=(ex)2 :
e2x−ex=ex(ex−1).
Les deux facteurs tendent vers +∞ : x→+∞lim(e2x−ex)=+∞.
À noter. e−x=ex1 ; par quotient, x→+∞lime−x=0 et x→−∞lime−x=+∞. Par exemple, ex+1ex−1=1+e−x1−e−x tend vers 1 en +∞ (exercice 7).