Généralités sur les fonctions

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1 Généralités sur les fonctions Limite d une fonction à l infini. Limite finie à l infini Définition : Dire qu une fonction f a pour ite le nombre réel l en + signifie que tout intervalle ouvert contenant l contient On note f(x) = l. x + On définit de façon analogue f(x) = l. x Graphiquement : Lorsque f a pour ite l en + (resp. en ), on dit que, dans un repère, la droite d d équation y = l est Exemples : x + x x =... x =... x + x x 2 =... x 2 =... x + =... x.2 Limite infinie à l infini Définition : Dire qu une fonction f a pour ite + en + signifie que tout intervalle de la forme ]A; + [, avec A réel, contient On note f(x) = +. x + On définit de manière analogue f(x) =, x + f(x) = +, x f(x) =. x

2 Exemples : x =... x + x + x2 =... x + x3 =... x =... x + x =... x x x2 =... x x3 =... 2 Limite infinie d une fonction en un réel a 2. Limite infinie Définition : Dire qu une fonction f a pour ite + en a signifie que tout intervalle de la forme ]A; + [, avec A réel, contient On note f(x) = +. x a On définit de façon analogue f(x) =. x a 2.2 Limite à droite ou à gauche Définition : Dire qu une fonction f a pour ite + en a à droite (resp. à gauche) signifie que tout intervalle de la forme ]A; + [, avec A réel, contient x restant strictement supérieur à a (resp. strictement inférieur à a). On note f(x) = + ou (resp. x a x>a x a x<a f(x) = +. x a + f(x) = + ou f(x) = + ). x a On définit de façon analogue Graphiquement : f(x) = et x a + f(x) =. x a Définition : lorsque f a pour ite + (ou ) en a, (ou à droite en a ou à gauche en a), on dit que la droite d équation x = a est Exemples : x 0 x =... x>0 x 0 x =... x<0 x 0 x 2 =... x 0 x>0 x =... 2

3 3 Détermination de ites 3. Limites et opérations Les principaux résultats sur les calculs de ites ont été vus avec les suites. On retient qu on ne peut pas conclure directement dans les cas des formes indéterminées, du type : Exemple de recherche de ites : On considère la fonction f définie sur R\{2} par f(x) = + x 2 Limite en + : Limite en 2 + et en 2 : 3.2 Limite d une composée Pour décrire une fonction, on peut parfois la décomposer en enchaînements de fonctions plus simples. x u v u(x) v (u(x)) x v u v (u(x)) 3

4 Définition : Soient deux fonctions u et v définies sur deux ensembles I et J tels que l image de I par u soit contenue dans J : u(i) J. La fonction obtenue en appliquant successivement u, puis v, s appelle la Elle est notée v u, ou parfois v(u). Pour tout réel x de I : v u(x) = Théorème : a, b et c désignent trois réels, ou + ou. Si on a u(x) = b et v(x) = c alors v u(x) =... x a x b x a Exemple : Soit f(x) = ( 2x + ) 2. On peut décomposer f en enchaînement de fonctions : On a : 3.3 Limite et comparaisons On dispose de théorèmes analogues à ceux déjà vus pour les suites. Théorème : Soient deux fonctions f et g définies sur un intervalle de la forme ]a; + [ telles que pour tout réel x > a, on ait f(x) g(x). Minoration : si f(x) = +, alors g(x) =... x + x + Majoration : si g(x) =, alors f(x) =... x + x + Théorème des gendarmes : On considère trois fonctions f, g et h définies sur un intervalle de la forme ]a; + [ telles que pour tout réel x > a, on ait g(x) f(x) h(x). On suppose que g(x) = h(x) = l, où l est un nombre réel. x + x + Alors on obtient des théorèmes analogues en. 4

5 4 Continuité 4. Notion intuitive de continuité Une fonction définie sur un intervalle I est continue sur I si sa courbe représentative ne présente aucune rupture (on peut la tracer sans lever le crayon de la feuille). Exemples : FIGURE La fonction carré, la fonction inverse et une fonction f La fonction carré est continue sur R, la fonction inverse est continue sur ] ; 0[ et sur ]0; + [ mais n est pas continue sur R. f est définie mais pas continue sur [ 3; 2] ; il y a une rupture en x =. Théorème (admis) : Une fonction dérivable sur un intervalle I est sur I. Attention : ne pas confondre " continuité " et " dérivabilité " : Une fonction f est continue en a si sa courbe C f ne présente pas de Une fonction f est dérivable en a si sa courbe C f admet une tangente La réciproque de ce théorème est : les fonctions valeur absolue et racine carrée, par exemple, ne sont pas dérivables en 0 mais sont continues en 0, respectivement sur R et sur [0; + [. Conséquences : Les fonctions " usuelles " (affines, carré, cube, racine carrée, inverse, valeur absolue) sont continues sur Les fonctions construites à partir de ces fonctions par somme, produit ou composition sont continues sur Théorème des valeurs intermédiaires Convention dans un tableau de variations : Une flèche dans le tableau de variations d une fonction f indique : la stricte croissance ou stricte décroissance de f sur l intervalle correspondant ; la

6 Théorème des valeurs intermédiaires : Soit f une fonction continue sur un intervalle I et a et b deux réels de I. Pour tout k compris entre f(a) et f(b), il existe Autrement dit, f prend, entre a et b, toute Illustration graphique Corollaire : Soit f une fonction continue et strictement monotone sur un intervalle [a; b]. Pour tout réel k compris entre f(a) et f(b), l équation f(x) = k admet Ce corollaire s étend au cas d intervalles ouverts ou semi-ouverts, bornés ou non bornés en remplaçant si besoin f(a) et f(b) par les ites de f en a et en b. Illustration graphique : Cas où f est strictement croissante Cas où f est strictement décroissante Tableaux de variations : 6

7 5 Calcul de dérivées 5. Dérivée de x f(ax + b) Théorème : On considère une fonction f dérivable sur un intervalle I et deux réels a et b fixés. On note J l intervalle formé des réels x tels que (ax + b) I, et la fonction g : x f(ax + b). Alors la fonction g est dérivable sur J et, pour tout x de J : g (x) = Dérivée de x u(x) et x (u(x)) n Propriété : On considère une fonction u strictement positive et dérivable sur un intervalle I. La fonction g : x u(x) est dérivable sur I et, pour tout réel x de I : g (x) = On retient : ( u) = Propriété 2 : Soit u une fonction définie et dérivable sur un intervalle I, et soit n un entier naturel. Si n, alors la fonction u n est dérivable sur I et (u n ) = Si n, alors la fonction est dérivable pour tout réel x tel que u(x) 0 et : un ( ) = que l on note aussi : (u n ) = u n ces deux propriétés sont des cas particuliers de la dérivée d une fonction composée x v(u(x)) On admettra le résultat général : (v u) = (v(u(x))) = Preuve de la propriété 2 : 7

8 6 Solutions d une équation L analyse mathématique, faite au préalable, permet grâce au théorème des valeurs intermédiaires d affirmer : si f est continue croissante sur [a; b] et si k [f(a); f(b)], ou si f est continue décroissante sur [a; b] et si k [f(b); f(a)], alors l équation f(x) = k admet une solution unique α dans [a; b]. 6. Méthode par dichotomie Cette méthode permet de déterminer un encadrement de la solution α. A chaque étape l amplitude de l intervalle contenant la solution est divisé par deux. En dix étapes, on gagne environ trois décimales puisque Exemple d algorithme : Variables et Initialisation a et b, les bornes de l intervalle [a ; b] f, la fonction (f change de signe entre a et b) m, milieu de l intervalle "courant" Traitement Tant que b - a > 0.00 m prend la valeur (a+b)/2 Si f(m) et f (a) sont de même signe alors a prend la valeur m sinon b prend la valeur m Sortie a et b 6.2 Méthode par "balayage" Encadrement de la solution de l équation f(x) = k dans le cas d une fonction strictement croissante avec f(a) k f(b) : Variables et Initialisation a, b les bornes de l intervalle d étude f, la fonction à étudier dx le pas (la précision souhaitée) x, la valeur "courante" x prend la valeur a Traitement Tant que f(x)<k x prend la valeur x+dx Sortie Affiche x-dx et x. 8

9 Exemple On considère la fonction f définie sur R par f(x) = x 3 + x. Démontrer que l équation f(x) = 0 admet une solution unique notée α sur R. Utilisation de la calculatrice : en utilisant l algorithme de dichotomie, écrire un programme et déterminer un encadrement de α à 0 3 près. Ecrire un deuxième programme utilisant la méthode par balayage. Commenter les affichages de chaque programme. Compléter les programmes en ajoutant une variable nommée "cpt" initialisée à 0 et incrémentée à chaque passage dans la boucle. Combien de fois est parcourue la boucle Tant que dans chaque programme? 7 Recherche d extremum 7. Algorithme : déterministe à pas constant Variables et Initialisation a, b les bornes de l intervalle d étude f, la fonction à étudier N, le nombre d intervalles et dx le pas x, la valeur "courante" et y, la valeur de f(x) min prend la valeur f(a) max prend la valeur f(a) dx prend la valeur (b-a)/n x prend la valeur a Traitement Pour k de à N x prend la valeur x+dx y prend la valeur f(x) Si y>max alors max prend la valeur y Si y<min alors min prend la valeur y Sortie Affiche min et max. 7.2 Algorithme 2 : tabulation «aléatoire» d une fonction Variables et Initialisation a, b les bornes de l intervalle f la fonction à étudier N le nombre d images à calculer min prend la valeur f(a) max prend la valeur f(a) Traitement Pour k variant de a N x prend une valeur aléatoire entre a et b. Si f (x) > max alors max prend la valeur f(x) Si f (x) < min alors min prend la valeur f(x) Sortie Afficher min et max 9

10 8 Test de la monotonie Attention, cet algorithme peut permettre de montrer que la fonction n est pas monotone ou que la fonction peut être monotone mais dans ce cas il se peut qu elle ait des variations de sens contraires sur certains intervalles très courts. Algorithme : Variables et Initialisation a, b les bornes de l intervalle d étude [a ; b] f, la fonction à étudier N, le nombre d intervalles x, les valeurs successives de la variable dx prend la valeur (b-a)/n sens prend la valeur signe de la différence f (b) - f (a) x prend la valeur a Traitement Pour k variant de à N Si ( f (x+dx)-f(x) n est pas du même signe que sens ) alors Affiche "la fonction n est pas monotone" Affiche x et x+dx Fin du programme x prend la valeur x+dx Affiche "La fonction semble monotone." Sortie Les affichages du traitement 0

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