GÉNÉRALITÉS SUR LES FONCTIONS

Transcription

1 . Qu'est-ce qu'une fonction? Vocabulaire GÉNÉRALITÉS SUR LES FONCTIONS Définition Notion de fonction À chaque fois que l'on associe à une quantité une (autre) quantité, on dit que que l'on définit une fonction. Les fonctions sont désignées par des lettres. On note par eemple : ƒ : ou encore : ƒ() = On dit que est l'image de. On dit que est un antécédent de. Eemples : On choisit un nombre réel (non nul). On lui ajoute 4, on élève le résultat obtenu au carré, on retranche 6, on divise par le nombre de départ et on retranche 6. Quelle est la fonction ƒ correspondante? ƒ() = ( + 4 ) 6 6 = + 8 6= = + Avec cette fonction, il suffit d'ajouter pour obtenir l'image d'un nombre. On considère la fonction ƒ définie par : ƒ : 4 (Cette fonction élève au carré le nombre de départ puis lui retranche 4) Quelle est l'image de 3? ƒ(3) = 3 4 = 5 Quelle est l'image de? ƒ( ) = ( ) 4 = 3 Quels sont les antécédents éventuels de? On cherche le ou les nombres qui vérifient : ƒ() = 4 = 6 = 0 ( 4)( + 4) = 0 = 4 ou = 4 Le nombre possède deu antécédents par la fonction ƒ qui sont 4 et 4. Quels sont les antécédents éventuels de 5? On cherche le ou les nombres qui vérifient : ƒ() = 5 4 = 5 = Or, le carré d'un nombre réel ne peut pas être négatif, cette équation n'a pas de solution. Le nombre 5 n'a pas d'antécédent par ƒ. (Pour une illustration de tous ces calculs, on pourra regarder le graphique à la page suivante) Comme on le constate sur l'eemple précédent, il peut très bien ne pas avoir d'antécédents et il peut aussi en avoir plusieurs. Tout dépend du nombre de solutions de l'équation ƒ() = k. Généralités sur les fonctions Page G. COSTANTINI

2 Définition Représentation graphique La représentation graphique d'une fonction ƒ est l'ensemble des points de coordonnées (, ƒ()) dans un repère donné. Cette représentation graphique est souvent notée C ƒ. Lorsque cette représentation graphique est d'un seul "tenant", on parle alors de la courbe représentative de la fonction ƒ. Pour esquisser une représentation graphique, on remplit souvent un tableau de valeurs. Eemple avec ƒ() = ƒ() C ƒ Lecture graphique de l'image de Lecture graphique des antécédents de. 4 3 O Remarque : il est préférable d'avoir bien étudié la fonction (sens de variation, etremums, voir les paragraphes suivants) avant de tracer sa représentation graphique. En effet, entre deu valeurs calculées, il peut parfois avoir des surprises! Par eemple, tracez la représentation graphique de la fonction ƒ : sur l'intervalle [ ; ]. Si vous remarquez un phénomène étrange, c'est que les points calculés sont en nombre insuffisants pour vous renseigner sur l'allure réelle de la courbe... Généralités sur les fonctions Page G. COSTANTINI

3 Définition Ensemble de définition d'une fonction () L'ensemble de définition d'une fonction ƒ est l'ensemble de tous les réels pour lesquels ƒ() est calculable. Eemples : Soit ƒ la fonction définie par : ƒ() = 5 Les nombres ƒ() sont calculables si et seulement si : 5 > 0 > 5 L'ensemble de définition de cette fonction ƒ est : 5 D ƒ = ; + Soit g la fonction définie par : g() = 3 Les nombres g() sont calculables si et seulement si : 0 L'ensemble de définition de cette fonction g est : D g = ] ; [ ] ; + [ Ce que l'on note encore : D g = \ {} Une curiosité : Soit ƒ la fonction qui à associe : + + Quel est son ensemble de définition? On dit que est une "valeur interdite". Soit h la fonction définie par : h() = Dans ce cas, on peut plutôt chercher les valeurs de pour lesquelles h() n'est pas calculable : = 0 On factorise par 3 : 3( + 3) = 0 = 0 ou = 3 L'ensemble de définition de cette fonction h est donc : D h = ] ; 3[ ] 3 ; 0[ ]0 ; + [ Soit k la fonction définie par : k() = 3+ Les nombres k() sont calculables si et seulement si : L'ensemble de définition de cette fonction k est donc : et et 5 3 et 5 D k = 5 ; 5 ; 3 Dans le cas de la fonction ƒ : 4, que nous avons représentée plus haut, on a D ƒ =. () En général, cette question ne se pose pas ; en effet, se donner une fonction, c'est se donner un ensemble de départ E, un ensemble d'arrivée F et un procédé qui à tout élément de E associe un élément de F. Se pose la question lorsqu'on recherche la plus grande partie E de sur laquelle on peut effectivement définir la fonction ƒ. Généralités sur les fonctions Page 3 G. COSTANTINI

4 . Sens de variation d'une fonction Définition Soit ƒ une fonction définie au moins sur un intervalle I. On dit que : ƒ est croissante sur I si : pour tous u et v dans I : u < v ƒ(u) ƒ(v) ƒ est strictement croissante sur I si : pour tous u et v dans I : u < v ƒ(u) < ƒ(v) ƒ est décroissante sur I si : pour tous u et v dans I : u < v ƒ(u) ƒ(v) ƒ est strictement décroissante sur I si : pour tous u et v dans I : u < v ƒ(u) > ƒ(v) ƒ est monotone sur I si ƒ est croissante sur I ou décroissante sur I. ƒ est strictement monotone sur I si ƒ est strictement croissante sur I ou strictement décroissante sur I. Remarques : ces notions ne sont valables que sur un intervalle ; on dit parfois que ƒ est croissante si elle conserve les inégalités et que ƒ est décroissante si elle renverse les inégalités ; si une fonction est strictement croissante sur un intervalle I, alors elle est croissante sur I. Illustration graphique : ƒ() ƒ() C ƒ ƒ(u) C ƒ ƒ(v) ƒ(v) ƒ(u) u v u v Fonction croissante : Fonction décroissante : u < v ƒ(u) ƒ(v) u < v ƒ(u) ƒ(v) Généralités sur les fonctions Page 4 G. COSTANTINI

5 Eemple : poursuivons l'étude de la fonction ƒ définie par ƒ() = 4 et montrons, comme le suggère le graphique, que cette fonction est strictement croissante sur l'intervalle [0 ; + [ et strictement décroissante sur l'intervalle ] ; 0]. Soient u et v deu réels quelconques de l'intervalle [0 ; + [. Supposons que : 0 u < v () Alors en multipliant les membres des inégalités () par u (qui est positif), on obtient : 0 u < uv () Par ailleurs, en multipliant l'inégalité () par v (qui est aussi positif), on obtient : 0 uv < v (3) En combinant les inégalités () et (3), nous obtenons : u < v Et en retranchant 4 dans chaque membre : u 4 < v 4 C'est-à-dire : ƒ(u) < ƒ(v) La fonction ƒ est donc bien strictement croissante sur l'intervalle [0 ; + [. Soient u et v deu réels quelconques de l'intervalle [ ; 0]. Supposons que : u < v 0 (') Alors en multipliant les membres des inégalités (') par u (qui est négatif), on obtient : u > uv 0 (') Par ailleurs, en multipliant l'inégalité (') par v (qui est aussi négatif), on obtient : uv > v 0 (3') En combinant les inégalités (') et (3'), nous obtenons : u > v Et en retranchant 4 dans chaque membre : u 4 > v 4 C'est-à-dire : ƒ(u) > ƒ(v) La fonction ƒ est donc bien strictement décroissante sur l'intervalle [0 ; + [. Nous ferons, plus tard, une étude plus sstématique du sens de variation des fonctions usuelles suivantes : (fonction "carré") (fonction "inverse") a + b (fonctions "affines") 3 (fonction "cube") (fonction "racine carrée") Généralités sur les fonctions Page 5 G. COSTANTINI

6 Le sens de variation d'une fonction peut être résumé dans un tableau (appelé "tableau de variations"). Par eemple avec la fonction ƒ : 4, nous obtenons le tableau de variations suivant : 0 + Variations + + de la fonction ƒ 4 On constate que cette fonction ƒ admet un minimum égal à 4 (mimimum atteint lorsque = 0) Consacrons un paragraphe à cette notion de minimum et de maimum. 3. Maimum et minimum d'une fonction Définition Soit ƒ une fonction définie sur un intervalle I. Dire que le nombre ƒ(a) est un maimum de ƒ sur I signifie que pour tout réel de I : ƒ() ƒ(a) Remarques : Il eiste des fonctions sans maimum (c'est le cas de la fonction 4 lorsqu'on la considère sur ). La notion de maimum est liée à l'intervalle considéré. Eercice : donner la définition du minimum d'une fonction sur un intervalle I (s'il eiste). Eemple : soit ƒ la fonction définie par : ƒ() = ( ) Démontrer que ƒ admet un maimum égal à 4 sur. (On peut utiliser un graphique pour conjecturer ce résultat) On étudie, pour tout, le signe de la différence : 4 ƒ() = 4 ( ) = 4 + = Et comme, 0 pour tout, on en déduit : ƒ() 4 pour tout De plus : ƒ = 4 On a donc, pour tout : ƒ() ƒ La fonction ƒ admet bien un maimum, sur, égal à 4 qui est atteint pour =. Généralités sur les fonctions Page 6 G. COSTANTINI

7 4. Fonctions linéaires - Fonctions affines Définition Les fonctions ƒ, définies sur, dont l'epression peut se mettre sous la forme : ƒ() = a + b où a et b sont deu réels sont appelées fonctions affines. Deu cas particuliers : lorsque b = 0, la fonction ƒ : a est dite linéaire lorsque a = 0, la fonction ƒ : b est (dite) constante. Eemples : les fonctions ƒ et g définies ci-dessous sont affines ƒ() = 3 + g() = ( + ) = + Une fonction affine est la somme d'une fonction linéaire et d'une fonction constante. Vocabulaire : Le réel a s'appelle coefficient directeur et le réel b l'ordonnée à l'origine. Théorème La représentation graphique d'une fonction affine dans un repère est une droite. Celle d une fonction linéaire est une droite passant par l origine du repère. Démonstration Plaçons-nous dans un repère quelconque ( O; i, j) et montrons déjà le théorème pour les fonctions linéaires. Soit ƒ : a une fonction linéaire avec a non nul (si a est nul, la représentation graphique de ƒ est l ae des abscisses qui est bien une droite) Soient A( A, A ), B( B, B ) deu points de la représentation graphique de ƒ d abscisses A et B strictement positives. On a donc : A = a A et B = a B Considérons le point I projeté du point A sur la droite (OB) parallèlement à l ae (O). (Voir figure ci-dessous) Les points I et A possèdent donc la même abscisse. B B A A I I O A B Généralités sur les fonctions Page 7 G. COSTANTINI

8 Par applications successives du théorème de Thalès, on a : A B = OI OB = I B Or, B = a B donc : A = B a IB D où : I = a A = A Les points I et A sont donc confondus. Comme O, I et B sont alignés, il en est donc de même des points O, A et B. La partie de de la représentation graphique de ƒ correspondant au abscisses positives est donc bien une droite. Comme la représentation graphique de ƒ est smétrique par rapport à l origine O du repère, on en déduit que c est également une droite. Le cas des fonctions affines s en déduit par translation de vecteur b j. Liens avec les situations de proportionnalité Les fonctions linéaires correspondent à des situations de proportionnalités. En effet, si deu grandeurs et sont proportionnelles, liées par un coefficient a, on a alors : = a Par contre, si ƒ est une fonction affine (non linéaire) alors les nombres ƒ() ne sont pas proportionnels au nombres. Cependant, les accroissements de ƒ() sont proportionnels à ceu de. En effet, pour tous réels et ' on a : ƒ(') ƒ() = a' a = a(' ) Réciproquement, si une fonction ƒ possède la propriété que les variations des images est proportionnelle au variations des abscisses, alors ƒ est affine. En effet, s'il eiste un réel a tel que pour tous réels et ' : ƒ() ƒ(') = a( ') Alors en particulier pour ' = 0 : ƒ() ƒ(0) = a ƒ() = a + ƒ(0) Ce qui prouve bien que ƒ est affine. Le coefficient de proportionnalité est le réel a. On l'appelle accroissement moen ou coefficient directeur de ƒ. Généralités sur les fonctions Page 8 G. COSTANTINI

9 Interprétation graphique du coefficient directeur ƒ( ) ƒ( ) On a vu que : a = = décalage vertical décalage horizontal = B A B A D : = Ordonnée à l'origine : b = ƒ(0) 5 4 Décalage vertical = +3 3 Décalage horizontal = + Coefficient directeur : a = O Sur l'eemple représenté ci-dessus, on donne un coefficient directeur a = 3 et une ordonnée à l'origne b = 3. Ceci permet de facilement tracer la droite D (en cas de valeurs moins pratiques de a et b on calcule l'image de deu points et c'est fini). Réciproquement, si c'est la droite D qui est donnée, la construction permet de retrouver graphiquement le coefficient directeur a. Par calcul, on utilise la formule ci-dessus. Théorème Sens de variation d'une fonction affine Soit ƒ : a + b une fonction affine. Si a > 0, alors ƒ est strictement croissante sur Si a < 0, alors ƒ est strictement décroissante sur. Démonstration C'est une conséquence de la règle des signes. Supposons a > 0. Soient u et v deu réels quelconques tels que : u < v Les réels v u et a sont tous les deu positifs, donc : a(v u) > 0 En distribuant : av au > 0 En ajoutant au : au < av Généralités sur les fonctions Page 9 G. COSTANTINI

10 En ajoutant b : au + b < av + b ƒ(u) < ƒ(v) Donc ƒ est strictement croissante sur. Supposons a < 0. Soient u et v deu réels quelconques tels que : u < v Les réels v u et a sont de signes opposés, donc : a(v u) < 0 En distribuant : av au < 0 En ajoutant au : au > av En ajoutant b : au + b > av + b ƒ(u) > ƒ(v) Donc ƒ est strictement décroissante sur. En quelque sorte, on démontre ici, qu'on ne change pas le sens d'une inégalité lorsqu'on la multiplie par un nombre positif et on le change lorsqu'on la multiplie par un nombre négatif. Signe d'une fonction affine Soit ƒ : a + b une fonction affine avec a 0. La fonction ƒ s'annule en b a et son signe est donné par les tableau ci-dessous : Méthode générale Si a est strictement positif, alors : La fonction affine a + b est croissante + a + b 0 a b a> 0 b b a a + b a Signe de a + b 0 + Si a est strictement négatif, alors : La fonction affine a + b est décroissante + b a a + b 0 a b a< 0 b a b a Signe de a + b Généralités sur les fonctions Page 0 G. COSTANTINI

11 Eemple : étudier le signe de la fonction affine ƒ : +. On dresse un tableau de signes : Par eemple, les solutions de l'inéquation + 0 sont les nombres de l'intervalle, +. Généralités sur les fonctions Page G. COSTANTINI