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2ème Bac Sciences Mathématiques
MATHEMATICS · 2ème Bac Sciences Mathématiques · 2ème Bac

Limites et continuité

Limites (formes indéterminées, comparaison, composée), continuité, prolongement, théorème des valeurs intermédiaires et dichotomie, théorème de la bijection, fonction réciproque et racine n-ième.

النهايات والاتصال : النهايات والأشكال غير المحددة والمقارنة والدالة المركبة، الاتصال، التمديد بالاتصال، مبرهنة القيم الوسيطية والتقابل، الدالة العكسية والجذر من الرتبة n.

Quiz de 10 questions en bas de page

Le cours

Le cours complet, tel qu'il est dans le PDF : définitions, théorèmes, propriétés, exemples et démonstrations (repliées, clique pour les lire).

Limites : définitions et vocabulaire

Figure interactive : limite en +∞ et asymptotes
-2246810-4-22468xy(−1,05 ; 0,537)
f(x) ≈ 0,537

Quand x grandit, f(x) = (2x + 1)/(x − 1) se rapproche de 2 : la droite y = 2 est asymptote horizontale. Près de x = 1, la courbe part vers l’infini le long de l’asymptote verticale x = 1.

Définition : Limite finie en un point

Soit définie au voisinage de (sauf peut-être en ) et . On dit que a pour limite en , noté , si est aussi proche que l'on veut de dès que est suffisamment proche de :

Définition : Limites infinies, limites en l'infini
  • : dépasse tout réel dès que est assez proche de ().
  • : .
  • Les autres cas (, ) se définissent de même.
Définition : Limites à gauche et à droite

(resp. ) est la limite de en en ne considérant que (resp. ). admet une limite en si et seulement si les limites à gauche et à droite existent et sont égales.

Exemple

: et ; n'a pas de limite en . En revanche .

Propriété : Asymptotes

Soit la courbe de .

  • Si : la droite est une asymptote verticale.
  • Si : la droite est une asymptote horizontale en .
  • Si : la droite est une asymptote oblique en .

Limites usuelles

Propriété : Fonctions de référence

Pour :

  • ; si est pair, si est impair ;
  • ; ;
  • ; .
Propriété : Limites trigonométriques en 0
Exemple

(on pose ).

Propriété : Polynômes et fractions rationnelles en l'infini

En , un polynôme a la même limite que son terme de plus haut degré, et une fraction rationnelle a la même limite que le quotient des termes de plus haut degré du numérateur et du dénominateur.

Exemple

; ; .

Opérations et formes indéterminées

Les limites d'une somme, d'un produit, d'un quotient se calculent « naturellement » sauf dans quatre situations, dites formes indéterminées :

Une forme indéterminée n'a pas de réponse toute faite : il faut transformer l'expression.

Propriété : Techniques de levée d'indétermination
  1. Factoriser par le terme dominant (polynômes, fractions rationnelles).
  2. Multiplier par la quantité conjuguée (expressions avec racines).
  3. Simplifier un quotient (forme en un point : factoriser numérateur et dénominateur par ).
  4. Se ramener à une limite usuelle par changement de variable.
  5. Encadrer (théorèmes de comparaison, section suivante).
Exemple

(Conjuguée) est une forme . .

Exemple

(Forme en un point) . Numérateur et dénominateur s'annulent en : .

Exemple

(Racine en ) . Pour , , donc le quotient vaut . Attention au signe : .

Théorèmes de comparaison

Théorème : Théorème des gendarmes

Si, au voisinage de (fini ou infini), et si , alors .

Théorème : Comparaison avec une limite infinie

Au voisinage de :

  • si et , alors ;
  • si et , alors .
Exemple

: pour , et les deux bornes tendent vers , donc la limite vaut . De même car .

Exemple

: , donc la limite est (bien que n'ait pas de limite en ).

Limite d'une fonction composée

Théorème

Si et (avec , , finis ou infinis), alors .

Exemple

: et quand , donc la limite vaut . De même et (poser ).

Continuité

Figure interactive : continuité en 1
Saut en 1 : pas continue
-1-0,50,511,522,533,5-1-0,50,511,522,533,54xysaut
Trou en 1 : prolongement
-1-0,50,511,522,533,5-1-0,50,511,522,533,54xy

À gauche, la fonction saute en 1 : elle n’est pas continue. À droite, il manque seulement le point d’abscisse 1 ; en lui donnant la valeur de la limite, la courbe se referme : c’est le prolongement par continuité.

Définition : Continuité en un point

Soit définie sur un intervalle contenant . est continue en si . Elle est continue à droite (resp. à gauche) en si (resp. ). est continue sur un intervalle si elle est continue en tout point de .

Graphiquement, une fonction continue sur un intervalle a une courbe que l'on peut tracer « sans lever le crayon ».

Exemple

La fonction partie entière n'est pas continue en : alors que . Elle est continue à droite en mais pas à gauche.

Propriété : Fonctions usuelles et opérations
  • Les fonctions polynomiales, rationnelles, racine carrée, valeur absolue, , sont continues sur leur ensemble de définition (ainsi que et , étudiées plus loin).
  • Somme, produit, quotient (là où le dénominateur ne s'annule pas) et composée de fonctions continues sont continues.
Exemple

Soit si et . Sur , est rationnelle donc continue. En : , donc est continue en si et seulement si .

Définition : Prolongement par continuité

Si n'est pas définie en mais admet une limite finie en , la fonction égale à hors de et telle que est continue en : c'est le prolongement par continuité de en .

Exemple

n'est pas définie en mais : on la prolonge par .

Image d'un intervalle, théorème des valeurs intermédiaires

Figure interactive : théorème des valeurs intermédiaires et dichotomie
-0,4-0,20,20,40,60,811,21,4-2-1,5-1-0,50,511,52xya = 0b = 1m
Étape 0 : α ∈ [0 ; 1], largeur 1milieu m = 0,5, f(m) < 0 : on garde [a ; m]

f est continue sur [0 ; 1] et f(0) f(1) < 0 : l’équation f(x) = 0 a une solution α dans ]0 ; 1[. À chaque étape on coupe l’intervalle en deux et on garde la moitié où f change de signe : la largeur est divisée par 2, α est encadré de plus en plus finement.

Pour aller plus loin, en Python : la dichotomie pas à pas
Tu peux modifier le programme avant de l'exécuter. Rien n'est envoyé : Python tourne dans ton navigateur.

Chaque tour de boucle coupe l’intervalle en deux : après 10 étapes, α est connu à 10⁻³ près. C’est exactement la méthode du cours, exécutée par la machine.

Théorème : Image d'un intervalle

L'image d'un intervalle par une fonction continue est un intervalle. L'image d'un segment par une fonction continue est un segment : est bornée et atteint ses bornes.

Théorème : Théorème des valeurs intermédiaires (TVI)

Soit continue sur . Pour tout réel compris entre et , il existe au moins un réel tel que .

Théorème : Corollaire — existence et unicité d'une solution

Si est continue sur et si et sont de signes contraires (), l'équation admet au moins une solution dans . Si de plus est strictement monotone sur , cette solution est unique.

Exemple

Montrons que admet une unique solution et encadrons-la. est continue et strictement croissante () ; et : il existe un unique . Par dichotomie : , , donc ; et : .

Propriété : Méthode : montrer qu'une équation a une solution
  1. Ramener l'équation à la forme (ou ).
  2. Vérifier que est continue sur l'intervalle considéré.
  3. Calculer et et vérifier le changement de signe.
  4. Pour l'unicité : établir la stricte monotonie (signe de ).
  5. Pour un encadrement : dichotomie ou tableau de valeurs.

Fonction réciproque d'une fonction continue strictement monotone

Théorème : Théorème de la bijection

Soit continue et strictement monotone sur un intervalle . Alors réalise une bijection de sur l'intervalle : tout a un unique antécédent . La fonction qui à associe cet antécédent est la fonction réciproque , et

Propriété : Propriétés de la réciproque
  • est continue sur et strictement monotone, de même sens de variation que .
  • Pour tout , ; pour tout , .
  • Dans un repère orthonormé, les courbes de et sont symétriques par rapport à la droite .
Exemple

est continue et strictement croissante sur , et . Sa réciproque est : pour , .

Racine n-ième

Définition : Racine n-ième

Soit . La fonction est continue et strictement croissante sur , d'image . Sa réciproque est la racine -ième : pour , est l'unique réel positif tel que . On note aussi .

Propriété : Règles de calcul

Pour et :

L'équation () a pour unique solution positive . Si est impair, est une bijection de sur et l'équation a une unique solution réelle pour tout .

Exemple

, , . L'équation a pour unique solution ; l'équation a deux solutions réelles, et .

Ce qu'il faut retenir

  • Quatre formes indéterminées : , , , ; on les lève par factorisation du terme dominant, quantité conjuguée, simplification ou encadrement.
  • : en , factoriser .
  • Gendarmes : encadrer par deux fonctions de même limite.
  • Continuité en : ; prolongement par continuité lorsque la limite existe sans que soit définie.
  • TVI : continue + changement de signe existence ; + stricte monotonie unicité ; dichotomie pour encadrer.
  • Bijection : continue et strictement monotone sur réciproque continue, de même monotonie, courbe symétrique par rapport à ; racine -ième = réciproque de sur .

Exercices type bac corrigés

5 exercices dans l'esprit des sujets de bac, avec correction détaillée. Cherche d'abord, puis ouvre la correction. La version PDF (mise en page complète) est dans les documents ci-dessous.

  1. Calculs de limites

    Calculer les limites suivantes :

    1. ;
    2. ;
    3. ;
    4. .
    Voir la correction
    1. En factorisant par : .
    2. Forme indéterminée . On multiplie par la quantité conjuguée : .
    3. Forme . Avec la quantité conjuguée : .
    4. Le numérateur tend vers et le dénominateur vers : la limite est .
  2. Théorème des gendarmes

    1. Soit pour . Encadrer et en déduire .
    2. Déterminer .
    Voir la correction
    1. Pour , donne , soit . Les deux bornes tendent vers , donc (théorème des gendarmes).
    2. Pour , car . Comme , on obtient .
  3. Continuité et prolongement par continuité

    1. Soit pour . Montrer que est prolongeable par continuité en et préciser le prolongement.
    2. Soit pour , . Calculer et conclure.
    3. Soit définie par si et si . Déterminer pour que soit continue sur .
    Voir la correction
    1. Pour , , donc : est prolongeable par continuité en en posant (le prolongement est ).
    2. . est prolongeable par continuité en avec .
    3. Sur chaque intervalle, est polynomiale donc continue. En : et . est continue en si et seulement si , soit .
  4. Théorème des valeurs intermédiaires

    Soit .

    1. Montrer que l'équation admet une unique solution dans .
    2. Donner un encadrement de d'amplitude .
    Voir la correction
    1. est continue (polynôme) et , donc est strictement croissante sur . et : d'après le théorème des valeurs intermédiaires (version stricte monotonie), l'équation admet une unique solution .
    2. et , donc .
  5. Image d'un intervalle et limite d'une composée

    1. Soit . Déterminer .
    2. Calculer .
    Voir la correction
    1. est continue sur et : décroît sur puis croît sur , avec , , . L'image d'un segment par une fonction continue est un segment : .
    2. en , et la fonction racine carrée est continue en , donc la limite vaut .

Documents

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Teste-toi : 10 questions sur ce chapitre

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0/10 répondues
  1. 1.
    Laquelle de ces écritures traduit exactement (limite finie en un point) ?
  2. 2.
    La limite vaut :
  3. 3.
    La limite vaut :
  4. 4.
    Pour appliquer le théorème des gendarmes à en , il suffit d'avoir au voisinage de :
  5. 5.
    Laquelle de ces situations montre que l'image d'un intervalle par une fonction continue n'est pas toujours un segment ?
  6. 6.
    Soit pour . Son prolongement par continuité en vérifie
  7. 7.
    Soit continue sur avec . Que peut-on affirmer sans hypothèse supplémentaire ?
  8. 8.
    Le nombre de solutions de l'équation dans est :
  9. 9.
    La fonction réalise une bijection de sur l'intervalle :
  10. 10.
    Dans , l'ensemble des solutions de l'équation est :
Encore 10 questions.