Aller au contenu

Chapitre 1 · Cours écrit

Généralités sur les fonctions

Programme de S1 Version pour les séries S1 et S3.

Dans tout le chapitre, ff est une fonction numérique d'une variable réelle, définie sur un ensemble DfD_f, et Cf\mathcal{C}_f est sa courbe représentative dans un repère (O ;i⃗,j⃗)(O\,;\vec i, \vec j) du plan. Ce chapitre reprend les fonctions de la Seconde et apprend à lire, transformer et construire des courbes. Il prépare les chapitres de limites, de dérivation et d'étude de fonctions.

Leçon 1 : Image directe, image réciproque

Voir la vidéo de la leçon 1

1.1 Ce que tu sais déjà (Seconde)

  • Une fonction ff associe à chaque réel xx de son ensemble de définition DfD_f un unique réel f(x)f(x), appelé image de xx. Si f(x)=yf(x) = y, on dit que xx est un antécédent de yy. Un réel peut avoir plusieurs antécédents, ou aucun.
  • La courbe Cf\mathcal{C}_f est l'ensemble des points M(x ;y)M(x\,;y) tels que x∈Dfx \in D_f et y=f(x)y = f(x).
  • Lecture graphique. L'image de aa est l'ordonnée du point de Cf\mathcal{C}_f d'abscisse aa. Les antécédents de kk sont les abscisses des points d'intersection de Cf\mathcal{C}_f avec la droite horizontale d'équation y=ky = k.

Exemple 1 (ensembles de définition).

  • f(x)=2−xf(x) = \sqrt{2-x} existe si et seulement si 2−x≥02 - x \geq 0, soit x≤2x \leq 2 : Df=]−∞ ;2]D_f = \left]-\infty\,;2\right].
  • g(x)=x+1x2−4g(x) = \dfrac{x+1}{x^2-4} existe si et seulement si x2−4≠0x^2 - 4 \neq 0 : Dg=R∖{−2 ;2}D_g = \mathbb{R} \setminus \{-2\,;2\}.

1.2 Image directe d'un ensemble

Définition. Soit AA une partie de DfD_f. L'image directe de AA par ff est l'ensemble des images des éléments de AA. On la note f(A)f(A) : f(A)={f(x)∣x∈A}.f(A) = \{f(x) \mid x \in A\}.

Lecture graphique. On repère la partie de Cf\mathcal{C}_f formée des points d'abscisse dans AA, puis on la projette sur l'axe des ordonnées : on obtient f(A)f(A).

Exemple 2. Soit f(x)=x2f(x) = x^2 et A=[−1 ;2]A = [-1\,;2].

Quand xx parcourt [−1 ;2][-1\,;2], la courbe descend du point (−1 ;1)(-1\,;1) au point (0 ;0)(0\,;0), puis monte jusqu'au point (2 ;4)(2\,;4). Sa projection sur l'axe des ordonnées est le segment de 00 à 44 : f([−1 ;2])=[0 ;4].f\big([-1\,;2]\big) = [0\,;4]. Piège à éviter. Ce n'est pas [f(−1) ;f(2)]=[1 ;4][f(-1)\,;f(2)] = [1\,;4] : la valeur 0=f(0)0 = f(0) est atteinte entre les deux bornes.

Méthode. Pour trouver f(A)f(A) quand AA est un intervalle, on lit sur la courbe (ou sur le tableau de variation) la plus petite et la plus grande valeur prises par ff sur AA. En particulier, si la courbe est tracée sans lever le crayon sur [a ;b][a\,;b] :

  • si ff est croissante sur [a ;b][a\,;b], alors f([a ;b])=[f(a) ;f(b)]f\big([a\,;b]\big) = [f(a)\,;f(b)] ;
  • si ff est décroissante sur [a ;b][a\,;b], alors f([a ;b])=[f(b) ;f(a)]f\big([a\,;b]\big) = [f(b)\,;f(a)].

La condition « sans lever le crayon » sera précisée au chapitre 2 : c'est la continuité.

Exemple 3. La fonction inverse g(x)=1xg(x) = \dfrac1x est décroissante sur [1 ;4][1\,;4], et sa courbe y est tracée sans lever le crayon. Donc g([1 ;4])=[g(4) ;g(1)]=[14 ;1]g\big([1\,;4]\big) = \left[g(4)\,;g(1)\right] = \left[\dfrac14\,;1\right].

1.3 Image réciproque d'un ensemble

Définition. Soit BB une partie de R\mathbb{R}. L'image réciproque de BB par ff est l'ensemble des réels de DfD_f dont l'image appartient à BB. On la note f−1(B)f^{-1}(B) : f−1(B)={x∈Df∣f(x)∈B}.f^{-1}(B) = \{x \in D_f \mid f(x) \in B\}.

Lecture graphique. On trace la bande horizontale formée des points dont l'ordonnée est dans BB. On repère les points de Cf\mathcal{C}_f situés dans cette bande, puis on les projette sur l'axe des abscisses : on obtient f−1(B)f^{-1}(B).

Attention à la notation. f−1(B)f^{-1}(B) a un sens pour toute fonction ff, même si ff n'a pas de fonction réciproque. Ce n'est pas « ff puissance moins un ».

Exemple 4. Avec f(x)=x2f(x) = x^2 :

  • f−1([1 ;4])=[−2 ;−1]∪[1 ;2]f^{-1}\big([1\,;4]\big) = [-2\,;-1] \cup [1\,;2], car 1≤x2≤41 \leq x^2 \leq 4 si et seulement si 1≤∣x∣≤21 \leq |x| \leq 2 ;
  • f−1({9})={−3 ;3}f^{-1}\big(\{9\}\big) = \{-3\,;3\} : ce sont les antécédents de 99 ;
  • f−1([−3 ;−1])=∅f^{-1}\big([-3\,;-1]\big) = \varnothing, car un carré n'est jamais négatif.

Exemple 5. Soit f(x)=x2−2x−3f(x) = x^2 - 2x - 3. On remarque que f(x)=(x−1)2−4f(x) = (x-1)^2 - 4.

Image directe. Sur [0 ;3][0\,;3], ff décroît de f(0)=−3f(0) = -3 à f(1)=−4f(1) = -4, puis croît jusqu'à f(3)=0f(3) = 0. Donc f([0 ;3])=[−4 ;0]f\big([0\,;3]\big) = [-4\,;0].

Image réciproque. La bande −3≤y≤0-3 \leq y \leq 0 coupe la courbe en deux arcs, au-dessus de [−1 ;0][-1\,;0] et de [2 ;3][2\,;3]. Par le calcul : −3≤(x−1)2−4≤0  ⟺  1≤(x−1)2≤4  ⟺  1≤∣x−1∣≤2.-3 \leq (x-1)^2 - 4 \leq 0 \iff 1 \leq (x-1)^2 \leq 4 \iff 1 \leq |x-1| \leq 2. Donc f−1([−3 ;0])=[−1 ;0]∪[2 ;3]f^{-1}\big([-3\,;0]\big) = [-1\,;0] \cup [2\,;3].

Lien avec les inéquations. Chercher f−1(B)f^{-1}(B), c'est résoudre « f(x)∈Bf(x) \in B ». Par exemple, f−1(]−∞ ;0])f^{-1}\big(\left]-\infty\,;0\right]\big) est l'ensemble des solutions de l'inéquation f(x)≤0f(x) \leq 0.

Leçon 2 : Parité, périodicité, ensemble d'étude

Voir la vidéo de la leçon 2

2.1 Fonctions paires, fonctions impaires

On dit que DfD_f est symétrique par rapport à 00 si, pour tout xx de DfD_f, le réel −x-x est aussi dans DfD_f. Par exemple R\mathbb{R}, [−3 ;3][-3\,;3] et R∖{−1 ;1}\mathbb{R} \setminus \{-1\,;1\} le sont, mais pas R∖{1}\mathbb{R} \setminus \{1\}.

Définitions. Soit ff une fonction dont l'ensemble de définition DfD_f est symétrique par rapport à 00.

  • ff est paire si, pour tout x∈Dfx \in D_f, f(−x)=f(x)f(-x) = f(x).
  • ff est impaire si, pour tout x∈Dfx \in D_f, f(−x)=−f(x)f(-x) = -f(x).

Propriété (interprétation graphique).

  • Dans un repère orthogonal, ff est paire si et seulement si Cf\mathcal{C}_f est symétrique par rapport à l'axe des ordonnées.
  • Dans un repère quelconque, ff est impaire si et seulement si Cf\mathcal{C}_f est symétrique par rapport à l'origine OO.

Démonstration. Soit M(x ;f(x))M(x\,;f(x)) un point de Cf\mathcal{C}_f. Le symétrique de MM par rapport à l'axe des ordonnées (repère orthogonal) est M′(−x ;f(x))M'(-x\,;f(x)). Il est sur Cf\mathcal{C}_f si et seulement si −x∈Df-x \in D_f et f(−x)=f(x)f(-x) = f(x). Le symétrique de MM par rapport à OO est M′′(−x ;−f(x))M''(-x\,;-f(x)) : il est sur Cf\mathcal{C}_f si et seulement si f(−x)=−f(x)f(-x) = -f(x).

Méthode.

  1. On vérifie que DfD_f est symétrique par rapport à 00. Sinon, ff n'est ni paire ni impaire.
  2. On calcule f(−x)f(-x) et on le compare à f(x)f(x) et à −f(x)-f(x).
  3. Pour montrer qu'une fonction n'est pas paire (ou pas impaire), un seul contre-exemple suffit.

Exemple 6.

  • f(x)=x4−2x2f(x) = x^4 - 2x^2 : Df=RD_f = \mathbb{R} et f(−x)=(−x)4−2(−x)2=x4−2x2=f(x)f(-x) = (-x)^4 - 2(-x)^2 = x^4 - 2x^2 = f(x). La fonction ff est paire.
  • g(x)=x3−3xg(x) = x^3 - 3x : g(−x)=−x3+3x=−g(x)g(-x) = -x^3 + 3x = -g(x). La fonction gg est impaire.
  • h(x)=xx2+1h(x) = \dfrac{x}{x^2+1} : Dh=RD_h = \mathbb{R} et h(−x)=−xx2+1=−h(x)h(-x) = \dfrac{-x}{x^2+1} = -h(x). La fonction hh est impaire.
  • k(x)=x2+xk(x) = x^2 + x : k(1)=2k(1) = 2 et k(−1)=0k(-1) = 0. Comme k(−1)≠k(1)k(-1) \neq k(1), kk n'est pas paire ; comme k(−1)≠−k(1)k(-1) \neq -k(1), elle n'est pas impaire.
  • ℓ(x)=x+1\ell(x) = \sqrt{x+1} : Dℓ=[−1 ;+∞[D_\ell = [-1\,;+\infty[ n'est pas symétrique par rapport à 00 (2∈Dℓ2 \in D_\ell mais −2∉Dℓ-2 \notin D_\ell). La fonction ℓ\ell n'est ni paire ni impaire.

Fonctions de référence. Les fonctions x↦x2x \mapsto x^2, x↦∣x∣x \mapsto |x| et cosinus sont paires. Les fonctions x↦x3x \mapsto x^3, x↦1xx \mapsto \dfrac1x et sinus sont impaires. La fonction racine carrée n'est ni paire ni impaire.

Remarque. Si ff est impaire et si 0∈Df0 \in D_f, alors f(0)=−f(0)f(0) = -f(0), donc f(0)=0f(0) = 0 : la courbe passe par l'origine.

2.2 Fonctions périodiques

Définition. Soit TT un réel strictement positif. La fonction ff est périodique de période TT si, pour tout x∈Dfx \in D_f, les réels x+Tx + T et x−Tx - T sont dans DfD_f et f(x+T)=f(x).f(x + T) = f(x).

Interprétation graphique. La courbe d'une fonction de période TT est inchangée par la translation de vecteur Ti⃗T\vec i : le motif tracé sur un intervalle de longueur TT se répète.

Remarque. Si TT est une période, 2T2T, 3T3T, … en sont aussi. Quand on parle de « la période », il s'agit en général de la plus petite période strictement positive.

Exemple 7.

  • Cosinus et sinus sont de période 2π2\pi : cos⁡(x+2π)=cos⁡x\cos(x + 2\pi) = \cos x et sin⁡(x+2π)=sin⁡x\sin(x + 2\pi) = \sin x (Seconde, cercle trigonométrique).
  • Soit f(x)=x−E(x)f(x) = x - E(x), où E(x)E(x) est la partie entière de xx. Comme E(x+1)=E(x)+1E(x + 1) = E(x) + 1, on a f(x+1)=x+1−E(x)−1=f(x)f(x + 1) = x + 1 - E(x) - 1 = f(x) : ff est de période 11. Sur [0 ;1[[0\,;1[, E(x)=0E(x) = 0, donc f(x)=xf(x) = x.
  • Soit g(x)=cos⁡(3x)g(x) = \cos(3x). Pour tout réel xx, g(x+2π3)=cos⁡(3x+2π)=cos⁡(3x)=g(x)g\left(x + \dfrac{2\pi}{3}\right) = \cos(3x + 2\pi) = \cos(3x) = g(x) : gg est de période 2π3\dfrac{2\pi}{3}.

Méthode. Pour x↦cos⁡(ax)x \mapsto \cos(ax) ou x↦sin⁡(ax)x \mapsto \sin(ax), avec a>0a > 0, on cherche TT tel que aT=2πaT = 2\pi : on trouve T=2πaT = \dfrac{2\pi}{a}.

2.3 Ensemble d'étude

La parité et la périodicité permettent de réduire l'intervalle d'étude :

  • si ff est paire ou impaire, on l'étudie sur Df∩[0 ;+∞[D_f \cap [0\,;+\infty[, puis on complète la courbe par la symétrie par rapport à l'axe des ordonnées (fonction paire) ou par rapport à OO (fonction impaire) ;
  • si ff est de période TT, on l'étudie sur un intervalle de longueur TT, puis on complète la courbe par les translations de vecteurs Ti⃗T\vec i, −Ti⃗-T\vec i, 2Ti⃗2T\vec i, … ;
  • si ff est paire (ou impaire) et de période TT, il suffit de l'étudier sur [0 ;T2]\left[0\,;\dfrac{T}{2}\right] : la symétrie donne la courbe sur [−T2 ;T2]\left[-\dfrac{T}{2}\,;\dfrac{T}{2}\right], intervalle de longueur TT, puis les translations donnent le reste.

Exemple 8. La fonction f(x)=x4−2x2f(x) = x^4 - 2x^2 est paire : on trace sa courbe pour x≥0x \geq 0 (elle descend de (0 ;0)(0\,;0) à (1 ;−1)(1\,;-1), puis remonte), et on obtient le reste par symétrie par rapport à l'axe des ordonnées. La courbe a la forme d'un « W ».

Exemple 9. La fonction f(x)=x−E(x)f(x) = x - E(x) est de période 11. Sur [0 ;1[[0\,;1[, sa courbe est le segment de la droite y=xy = x, du point (0 ;0)(0\,;0) inclus au point (1 ;1)(1\,;1) exclu. Les translations de vecteurs i⃗\vec i, 2i⃗2\vec i, −i⃗-\vec i… donnent une courbe « en dents de scie ».

Exemple 10. Cosinus est paire et de période 2π2\pi : on l'étudie sur [0 ;π][0\,;\pi], on complète sur [−π ;π][-\pi\,;\pi] par symétrie par rapport à l'axe des ordonnées, puis sur R\mathbb{R} par translations.

Leçon 3 : Éléments de symétrie d'une courbe

Voir la vidéo de la leçon 3

La parité traite les symétries par rapport à l'axe des ordonnées et par rapport à l'origine. On généralise à une droite verticale quelconque et à un point quelconque.

3.1 Axe de symétrie

Propriété. Dans un repère orthogonal, la droite Δ\Delta d'équation x=ax = a est un axe de symétrie de Cf\mathcal{C}_f si et seulement si, pour tout x∈Dfx \in D_f : 2a−x∈Dfetf(2a−x)=f(x).2a - x \in D_f \quad \text{et} \quad f(2a - x) = f(x). Forme équivalente : pour tout réel hh tel que a+h∈Dfa + h \in D_f, on a a−h∈Dfa - h \in D_f et f(a−h)=f(a+h)f(a - h) = f(a + h).

Démonstration. Dans un repère orthogonal, le symétrique de M(x ;y)M(x\,;y) par rapport à Δ\Delta est M′(2a−x ;y)M'(2a - x\,;y) : les deux points ont la même ordonnée, et le milieu de [MM′][MM'], d'abscisse x+2a−x2=a\dfrac{x + 2a - x}{2} = a, est sur Δ\Delta. Pour M(x ;f(x))M(x\,;f(x)) sur Cf\mathcal{C}_f, le point M′(2a−x ;f(x))M'(2a - x\,;f(x)) est sur Cf\mathcal{C}_f si et seulement si 2a−x∈Df2a - x \in D_f et f(2a−x)=f(x)f(2a - x) = f(x). La forme équivalente s'obtient en posant x=a+hx = a + h.

Exemple 11. Soit f(x)=x2−4x+1f(x) = x^2 - 4x + 1, définie sur R\mathbb{R}. Montrons que la droite d'équation x=2x = 2 est un axe de symétrie de Cf\mathcal{C}_f.

Pour tout réel xx, 4−x∈R4 - x \in \mathbb{R} et f(4−x)=(4−x)2−4(4−x)+1=16−8x+x2−16+4x+1=x2−4x+1=f(x).f(4 - x) = (4-x)^2 - 4(4-x) + 1 = 16 - 8x + x^2 - 16 + 4x + 1 = x^2 - 4x + 1 = f(x).

Exemple 12. Soit g(x)=1x2−2x+2g(x) = \dfrac{1}{x^2 - 2x + 2}. Comme x2−2x+2=(x−1)2+1>0x^2 - 2x + 2 = (x-1)^2 + 1 > 0, Dg=RD_g = \mathbb{R}. Avec la forme équivalente et a=1a = 1 : g(1+h)=1h2+1=g(1−h).g(1 + h) = \frac{1}{h^2 + 1} = g(1 - h). La droite d'équation x=1x = 1 est un axe de symétrie de Cg\mathcal{C}_g.

3.2 Centre de symétrie

Propriété. Le point Ω(a ;b)\Omega(a\,;b) est un centre de symétrie de Cf\mathcal{C}_f si et seulement si, pour tout x∈Dfx \in D_f : 2a−x∈Dfetf(2a−x)+f(x)=2b.2a - x \in D_f \quad \text{et} \quad f(2a - x) + f(x) = 2b. Forme équivalente : pour tout réel hh tel que a+h∈Dfa + h \in D_f, on a a−h∈Dfa - h \in D_f et f(a+h)+f(a−h)=2bf(a + h) + f(a - h) = 2b.

Démonstration. Les points M(x ;f(x))M(x\,;f(x)) et M′(2a−x ;f(2a−x))M'(2a - x\,;f(2a-x)) ont pour milieu le point de coordonnées (a ;f(x)+f(2a−x)2)\left(a\,;\dfrac{f(x) + f(2a-x)}{2}\right). Ce milieu est Ω\Omega si et seulement si f(x)+f(2a−x)=2bf(x) + f(2a - x) = 2b. Le symétrique de MM par rapport à Ω\Omega est donc sur Cf\mathcal{C}_f si et seulement si la relation est vraie.

Ce résultat est vrai dans n'importe quel repère.

Exemple 13. Soit g(x)=2x−1x−1g(x) = \dfrac{2x - 1}{x - 1}, définie sur R∖{1}\mathbb{R} \setminus \{1\}. Montrons que Ω(1 ;2)\Omega(1\,;2) est un centre de symétrie de Cg\mathcal{C}_g.

Ensemble de définition. Si x≠1x \neq 1, alors 2−x≠12 - x \neq 1 : 2−x2 - x est bien dans DgD_g.

Calcul. g(2−x)=2(2−x)−1(2−x)−1=3−2x1−x=2x−3x−1g(2 - x) = \dfrac{2(2-x) - 1}{(2 - x) - 1} = \dfrac{3 - 2x}{1 - x} = \dfrac{2x - 3}{x - 1}, donc g(2−x)+g(x)=2x−3+2x−1x−1=4(x−1)x−1=4=2×2.g(2 - x) + g(x) = \frac{2x - 3 + 2x - 1}{x - 1} = \frac{4(x - 1)}{x - 1} = 4 = 2 \times 2.

3.3 Méthode du changement de repère

On note Ω(a ;b)\Omega(a\,;b) et on se place dans le repère (Ω ;i⃗,j⃗)(\Omega\,;\vec i, \vec j). Un point MM a pour coordonnées (x ;y)(x\,;y) dans l'ancien repère et (X ;Y)(X\,;Y) dans le nouveau, avec x=X+aety=Y+b.x = X + a \qquad \text{et} \qquad y = Y + b. Dans le nouveau repère, l'équation y=f(x)y = f(x) devient Y=f(X+a)−bY = f(X + a) - b. On pose φ(X)=f(X+a)−b\varphi(X) = f(X + a) - b.

  • Cf\mathcal{C}_f est symétrique par rapport à Ω\Omega si et seulement si φ\varphi est impaire.
  • La droite d'équation x=ax = a est un axe de symétrie (repère orthogonal) si et seulement si φ\varphi est paire.

Exemple 14. Soit k(x)=x3−3x2+2k(x) = x^3 - 3x^2 + 2 et Ω(1 ;0)\Omega(1\,;0). On pose x=X+1x = X + 1 et y=Yy = Y : Y=(X+1)3−3(X+1)2+2=X3+3X2+3X+1−3X2−6X−3+2=X3−3X.Y = (X+1)^3 - 3(X+1)^2 + 2 = X^3 + 3X^2 + 3X + 1 - 3X^2 - 6X - 3 + 2 = X^3 - 3X. La fonction X↦X3−3XX \mapsto X^3 - 3X est impaire : Ω(1 ;0)\Omega(1\,;0) est un centre de symétrie de Ck\mathcal{C}_k.

Remarque. On ne te demandera pas de chercher tous les éléments de symétrie d'une courbe : le point ou la droite sont donnés dans l'énoncé, ou suggérés par l'écriture de la fonction (leçon 4).

Leçon 4 : Fonctions associées par translation

Voir la vidéo de la leçon 4

4.1 Les trois translations

Propriété. Soit aa et bb deux réels, et Cf\mathcal{C}_f la courbe de ff.

  1. La courbe de x↦f(x)+bx \mapsto f(x) + b est l'image de Cf\mathcal{C}_f par la translation de vecteur b j⃗b\,\vec j : on monte de bb (on descend si b<0b < 0).
  2. La courbe de x↦f(x−a)x \mapsto f(x - a) est l'image de Cf\mathcal{C}_f par la translation de vecteur a i⃗a\,\vec i : on va vers la droite de aa (vers la gauche si a<0a < 0).
  3. La courbe de x↦f(x−a)+bx \mapsto f(x - a) + b est l'image de Cf\mathcal{C}_f par la translation de vecteur u⃗=a i⃗+b j⃗\vec u = a\,\vec i + b\,\vec j, de coordonnées (a ;b)(a\,;b).

Démonstration (cas 3, qui contient les deux autres). Soit g(x)=f(x−a)+bg(x) = f(x - a) + b. Un point M(x ;y)M(x\,;y) est sur Cf\mathcal{C}_f si et seulement si y=f(x)y = f(x), c'est-à-dire y+b=f((x+a)−a)+b=g(x+a)y + b = f\big((x + a) - a\big) + b = g(x + a), c'est-à-dire si et seulement si M′(x+a ;y+b)M'(x + a\,;y + b) est sur Cg\mathcal{C}_g. Or M′M' est l'image de MM par la translation de vecteur u⃗(a ;b)\vec u(a\,;b).

Attention au signe. Dans f(x−2)f(x - 2), on décale de 22 vers la droite ; dans f(x+2)=f(x−(−2))f(x + 2) = f\big(x - (-2)\big), on décale de 22 vers la gauche.

Ensemble de définition. x↦f(x−a)x \mapsto f(x - a) est définie pour les xx tels que x−a∈Dfx - a \in D_f : l'ensemble de définition est lui aussi décalé de aa.

Exemple 15. Soit g(x)=x−2+1g(x) = \sqrt{x - 2} + 1. On a g(x)=f(x−2)+1g(x) = f(x - 2) + 1 avec f(x)=xf(x) = \sqrt x. La courbe de gg est l'image de celle de la racine carrée par la translation de vecteur u⃗(2 ;1)\vec u(2\,;1) : elle part du point (2 ;1)(2\,;1), image de OO, et Dg=[2 ;+∞[D_g = [2\,;+\infty[.

4.2 Application aux fonctions polynômes du second degré

Soit f(x)=ax2+bx+cf(x) = ax^2 + bx + c avec a≠0a \neq 0. On sait l'écrire sous forme canonique (Seconde) : f(x)=a(x−α)2+β,avec α=−b2a et β=f(α).f(x) = a(x - \alpha)^2 + \beta, \qquad \text{avec } \alpha = -\frac{b}{2a} \text{ et } \beta = f(\alpha).

Conséquence. La courbe de ff est l'image de la parabole P\mathcal{P} d'équation y=ax2y = ax^2 par la translation de vecteur u⃗(α ;β)\vec u(\alpha\,;\beta). C'est une parabole de sommet S(α ;β)S(\alpha\,;\beta) et d'axe de symétrie la droite d'équation x=αx = \alpha (image de l'axe des ordonnées, axe de P\mathcal{P}).

Exemple 16. f(x)=x2−4x+1=(x−2)2−4+1=(x−2)2−3f(x) = x^2 - 4x + 1 = (x-2)^2 - 4 + 1 = (x - 2)^2 - 3. La courbe est l'image de la parabole y=x2y = x^2 par la translation de vecteur u⃗(2 ;−3)\vec u(2\,;-3). Son sommet est S(2 ;−3)S(2\,;-3) et son axe est la droite x=2x = 2 : on retrouve l'exemple 11.

Exemple 17. g(x)=−2x2+4x+1=−2(x2−2x)+1=−2[(x−1)2−1]+1=−2(x−1)2+3g(x) = -2x^2 + 4x + 1 = -2(x^2 - 2x) + 1 = -2\big[(x-1)^2 - 1\big] + 1 = -2(x-1)^2 + 3. La courbe est l'image de la parabole y=−2x2y = -2x^2 par la translation de vecteur u⃗(1 ;3)\vec u(1\,;3). Elle est tournée vers le bas, de sommet S(1 ;3)S(1\,;3).

4.3 Application aux fonctions homographiques

Une fonction homographique s'écrit f(x)=ax+bcx+df(x) = \dfrac{ax + b}{cx + d}, avec c≠0c \neq 0 et ad−bc≠0ad - bc \neq 0 (sinon ff est constante là où elle est définie). Elle est définie sur R∖{−dc}\mathbb{R} \setminus \left\{-\dfrac{d}{c}\right\}.

Propriété. On peut toujours écrire f(x)=β+kx−α,avec α=−dc, β=ac, k=bc−adc2.f(x) = \beta + \frac{k}{x - \alpha}, \qquad \text{avec } \alpha = -\frac{d}{c},\ \beta = \frac{a}{c},\ k = \frac{bc - ad}{c^2}. La courbe de ff est l'image de l'hyperbole H\mathcal{H} d'équation y=kxy = \dfrac{k}{x} par la translation de vecteur u⃗(α ;β)\vec u(\alpha\,;\beta). C'est une hyperbole de centre de symétrie Ω(α ;β)\Omega(\alpha\,;\beta), image de OO. Ses asymptotes sont les droites d'équations x=αx = \alpha et y=βy = \beta (images des axes, vues en Seconde de façon intuitive).

En pratique, on ne retient pas les formules : on transforme l'écriture, comme dans les exemples.

Exemple 18. g(x)=2x−1x−1=2(x−1)+1x−1=2+1x−1g(x) = \dfrac{2x - 1}{x - 1} = \dfrac{2(x - 1) + 1}{x - 1} = 2 + \dfrac{1}{x - 1}.

La courbe de gg est l'image de l'hyperbole y=1xy = \dfrac1x par la translation de vecteur u⃗(1 ;2)\vec u(1\,;2). Son centre de symétrie est Ω(1 ;2)\Omega(1\,;2) (on retrouve l'exemple 13), et ses asymptotes sont les droites x=1x = 1 et y=2y = 2.

Exemple 19. h(x)=−x+3x+1=−(x+1)+4x+1=−1+4x+1h(x) = \dfrac{-x + 3}{x + 1} = \dfrac{-(x + 1) + 4}{x + 1} = -1 + \dfrac{4}{x + 1}.

La courbe de hh est l'image de l'hyperbole y=4xy = \dfrac4x par la translation de vecteur u⃗(−1 ;−1)\vec u(-1\,;-1). Centre Ω(−1 ;−1)\Omega(-1\,;-1), asymptotes x=−1x = -1 et y=−1y = -1.

Leçon 5 : Les fonctions x↦∣f(x)∣x \mapsto |f(x)| et x↦f(∣x∣)x \mapsto f(|x|)

Voir la vidéo de la leçon 5

5.1 La fonction x↦∣f(x)∣x \mapsto |f(x)|

Soit g(x)=∣f(x)∣g(x) = |f(x)|. Elle a le même ensemble de définition que ff, et g(x)=f(x) si f(x)≥0,g(x)=−f(x) si f(x)<0.g(x) = f(x) \text{ si } f(x) \geq 0, \qquad g(x) = -f(x) \text{ si } f(x) < 0.

Construction. La courbe de −f-f est la symétrique de Cf\mathcal{C}_f par rapport à l'axe des abscisses. Donc :

  • on garde les parties de Cf\mathcal{C}_f situées au-dessus de l'axe des abscisses ;
  • on remplace les parties situées au-dessous par leurs symétriques par rapport à l'axe des abscisses.

La courbe de ∣f∣|f| est toujours au-dessus de l'axe des abscisses (ou dessus).

Exemple 20. Soit f(x)=x2−2x−3=(x−1)2−4f(x) = x^2 - 2x - 3 = (x-1)^2 - 4. Elle s'annule en −1-1 et en 33, et elle est négative entre ces deux nombres. La courbe de g=∣f∣g = |f| s'obtient en retournant vers le haut l'arc situé entre −1-1 et 33 : le sommet (1 ;−4)(1\,;-4) devient le point (1 ;4)(1\,;4). Sur [−1 ;3][-1\,;3], g(x)=−x2+2x+3g(x) = -x^2 + 2x + 3.

Variations lues sur la courbe. gg est décroissante sur ]−∞ ;−1]]-\infty\,;-1], croissante sur [−1 ;1][-1\,;1], décroissante sur [1 ;3][1\,;3] et croissante sur [3 ;+∞[[3\,;+\infty[.

5.2 La fonction x↦f(∣x∣)x \mapsto f(|x|)

Soit h(x)=f(∣x∣)h(x) = f(|x|). Elle est définie pour les réels xx tels que ∣x∣∈Df|x| \in D_f, et :

  • hh est paire, car ∣−x∣=∣x∣|-x| = |x| ;
  • pour x≥0x \geq 0, ∣x∣=x|x| = x, donc h(x)=f(x)h(x) = f(x).

Construction. On garde la partie de Cf\mathcal{C}_f située à droite de l'axe des ordonnées (x≥0x \geq 0), on efface l'autre, et on complète par la symétrie par rapport à l'axe des ordonnées.

Exemple 21. Avec f(x)=x2−2x−3f(x) = x^2 - 2x - 3 : h(x)=f(∣x∣)=x2−2∣x∣−3h(x) = f(|x|) = x^2 - 2|x| - 3 (car ∣x∣2=x2|x|^2 = x^2). Pour x≥0x \geq 0, la courbe de hh est celle de ff : elle descend de (0 ;−3)(0\,;-3) à (1 ;−4)(1\,;-4), puis remonte en passant par (3 ;0)(3\,;0). Par symétrie, la courbe complète a la forme d'un « W », de minimum −4-4 atteint en −1-1 et en 11.

Exemple 22. Avec f(x)=x−1f(x) = \sqrt{x - 1} : f(∣x∣)=∣x∣−1f(|x|) = \sqrt{|x| - 1} est définie si ∣x∣≥1|x| \geq 1, soit sur ]−∞ ;−1]∪[1 ;+∞[]-\infty\,;-1] \cup [1\,;+\infty[.

Ne pas confondre. Avec f(x)=x2−2x−3f(x) = x^2 - 2x - 3 : ∣f(−2)∣=∣5∣=5|f(-2)| = |5| = 5, alors que f(∣−2∣)=f(2)=−3f(|-2|) = f(2) = -3.

5.3 Application : nombre de solutions d'une équation

Les solutions de l'équation ∣f(x)∣=m|f(x)| = m sont les abscisses des points d'intersection de la courbe de ∣f∣|f| avec la droite d'équation y=my = m.

Exemple 23. Nombre de solutions de ∣x2−2x−3∣=m|x^2 - 2x - 3| = m, selon le réel mm (courbe de l'exemple 20) :

Valeur de mm m<0m < 0 m=0m = 0 0<m<40 < m < 4 m=4m = 4 m>4m > 4
Nombre de solutions 00 22 44 33 22

Pour m=4m = 4 : x2−2x−3=−4x^2 - 2x - 3 = -4 donne x=1x = 1, et x2−2x−3=4x^2 - 2x - 3 = 4 donne x=1−22x = 1 - 2\sqrt2 ou x=1+22x = 1 + 2\sqrt2.

Leçon 6 : Fonctions composées

Voir la vidéo de la leçon 6

6.1 Définition (rappel de Seconde)

Définition. Soit uu une fonction définie sur DuD_u et vv une fonction définie sur DvD_v. La composée de uu suivie de vv est la fonction notée v∘uv \circ u (on lit « vv rond uu ») définie par (v∘u)(x)=v(u(x)).(v \circ u)(x) = v\big(u(x)\big). Elle est définie pour les réels xx tels que x∈Dux \in D_u et u(x)∈Dvu(x) \in D_v : Dv∘u={x∈Du∣u(x)∈Dv}=u−1(Dv).D_{v \circ u} = \{x \in D_u \mid u(x) \in D_v\} = u^{-1}(D_v).

Ordre des calculs. Dans v∘uv \circ u, on applique d'abord uu, puis vv : x⟼u(x)⟼v(u(x))x \longmapsto u(x) \longmapsto v\big(u(x)\big).

Exemple 24. Soit u(x)=x−1u(x) = x - 1 et v(x)=xv(x) = \sqrt x.

  • (v∘u)(x)=x−1(v \circ u)(x) = \sqrt{x - 1}, définie si x−1≥0x - 1 \geq 0 : Dv∘u=[1 ;+∞[D_{v \circ u} = [1\,;+\infty[.
  • (u∘v)(x)=x−1(u \circ v)(x) = \sqrt x - 1, définie sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[.

Pour x=5x = 5 : (v∘u)(5)=4=2(v \circ u)(5) = \sqrt4 = 2, mais (u∘v)(5)=5−1≈1,24(u \circ v)(5) = \sqrt5 - 1 \approx 1{,}24. En général, v∘u≠u∘vv \circ u \neq u \circ v : l'ordre compte.

Exemple 25. Soit u(x)=4−x2u(x) = 4 - x^2 et v(x)=xv(x) = \sqrt x. La composée (v∘u)(x)=4−x2(v \circ u)(x) = \sqrt{4 - x^2} est définie si 4−x2≥04 - x^2 \geq 0, soit x2≤4x^2 \leq 4 : Dv∘u=[−2 ;2]D_{v \circ u} = [-2\,;2].

Exemple 26. Soit u(x)=x2+1u(x) = x^2 + 1 et v(x)=1xv(x) = \dfrac1x. Comme x2+1≠0x^2 + 1 \neq 0 pour tout xx, (v∘u)(x)=1x2+1(v \circ u)(x) = \dfrac{1}{x^2 + 1} est définie sur R\mathbb{R}. En revanche, (u∘v)(x)=1x2+1(u \circ v)(x) = \dfrac{1}{x^2} + 1 est définie sur R∖{0}\mathbb{R} \setminus \{0\}.

6.2 Décomposer une fonction

Décomposer une fonction hh, c'est trouver deux fonctions uu et vv telles que h=v∘uh = v \circ u. On cherche le calcul fait en premier (c'est uu), puis celui fait ensuite (c'est vv).

Exemple 27.

  • h1(x)=x2+1h_1(x) = \sqrt{x^2 + 1} : u(x)=x2+1u(x) = x^2 + 1 et v(t)=tv(t) = \sqrt t.
  • h2(x)=(3x−1)5h_2(x) = (3x - 1)^5 : u(x)=3x−1u(x) = 3x - 1 et v(t)=t5v(t) = t^5.
  • h3(x)=1x2−4h_3(x) = \dfrac{1}{x^2 - 4} : u(x)=x2−4u(x) = x^2 - 4 et v(t)=1tv(t) = \dfrac1t.
  • h4(x)=cos⁡(2x+1)h_4(x) = \cos(2x + 1) : u(x)=2x+1u(x) = 2x + 1 et v(t)=cos⁡tv(t) = \cos t.

6.3 Les fonctions associées sont des composées

Les fonctions des leçons 4 et 5 sont des composées de ff avec des fonctions très simples :

  • f(x−a)=(f∘τ)(x)f(x - a) = (f \circ \tau)(x) avec τ(x)=x−a\tau(x) = x - a ;
  • f(x)+b=(σ∘f)(x)f(x) + b = (\sigma \circ f)(x) avec σ(t)=t+b\sigma(t) = t + b ;
  • ∣f(x)∣=(v∘f)(x)|f(x)| = (v \circ f)(x) et f(∣x∣)=(f∘v)(x)f(|x|) = (f \circ v)(x), avec v(t)=∣t∣v(t) = |t|.

On voit encore que l'ordre compte : ∣f(x)∣|f(x)| et f(∣x∣)f(|x|) sont deux fonctions différentes.

Leçon 8 : Fonctions bornées, comparaison, opérations, variations d'une composéeS1 · S3

Voir la vidéo de la leçon 8

8.1 Fonctions majorées, minorées, bornées

Définitions. Soit ff une fonction définie sur un intervalle II.

  • ff est majorée sur II s'il existe un réel MM tel que, pour tout x∈Ix \in I, f(x)≤Mf(x) \leq M. Le réel MM est un majorant de ff sur II.
  • ff est minorée sur II s'il existe un réel mm tel que, pour tout x∈Ix \in I, f(x)≥mf(x) \geq m. Le réel mm est un minorant de ff sur II.
  • ff est bornée sur II si elle est à la fois majorée et minorée sur II.

Lecture graphique. ff est bornée sur II si, au-dessus de II, sa courbe reste entre deux droites horizontales y=my = m et y=My = M.

Remarques.

  • Un majorant n'est pas unique : si MM est un majorant, M+1M + 1 en est un aussi. Un majorant atteint est le maximum de ff sur II.
  • ff est bornée sur II si et seulement s'il existe un réel M≥0M \geq 0 tel que, pour tout x∈Ix \in I, ∣f(x)∣≤M|f(x)| \leq M.

Exemple 32.

  • f(x)=11+x2f(x) = \dfrac{1}{1 + x^2} : pour tout réel xx, 1+x2≥11 + x^2 \geq 1, donc 0<f(x)≤10 < f(x) \leq 1. ff est bornée sur R\mathbb{R} ; 1=f(0)1 = f(0) est son maximum ; 00 est un minorant qui n'est pas atteint.
  • x↦x2x \mapsto x^2 est minorée par 00 sur R\mathbb{R}, mais pas majorée : pour tout réel M>0M > 0, le réel x=M+1x = M + 1 vérifie x2>Mx^2 > M. Sur [−1 ;2][-1\,;2], elle est bornée : 0≤x2≤40 \leq x^2 \leq 4.
  • Sinus et cosinus sont bornées sur R\mathbb{R}, par −1-1 et 11.
  • La fonction inverse est minorée par 00 sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[, mais pas majorée : pour M>0M > 0, 1x>M\dfrac{1}{x} > M dès que 0<x<1M0 < x < \dfrac1M.

Exemple 33. Montrons que g(x)=3xx2+1g(x) = \dfrac{3x}{x^2 + 1} est bornée sur R\mathbb{R}. Pour tout réel xx : 32−g(x)=3(x2+1)−6x2(x2+1)=3(x−1)22(x2+1)≥0etg(x)+32=3(x+1)22(x2+1)≥0.\frac32 - g(x) = \frac{3(x^2 + 1) - 6x}{2(x^2+1)} = \frac{3(x - 1)^2}{2(x^2 + 1)} \geq 0 \qquad \text{et} \qquad g(x) + \frac32 = \frac{3(x + 1)^2}{2(x^2 + 1)} \geq 0. Donc −32≤g(x)≤32-\dfrac32 \leq g(x) \leq \dfrac32, soit ∣g(x)∣≤32|g(x)| \leq \dfrac32. Les deux bornes sont atteintes : g(1)=32g(1) = \dfrac32 et g(−1)=−32g(-1) = -\dfrac32.

8.2 Comparaison de deux fonctions

Définitions. Soit ff et gg deux fonctions définies sur II.

  • f≤gf \leq g sur II signifie : pour tout x∈Ix \in I, f(x)≤g(x)f(x) \leq g(x). Graphiquement, Cf\mathcal{C}_f est au-dessous de Cg\mathcal{C}_g sur II.
  • f=gf = g signifie que ff et gg ont le même ensemble de définition et que f(x)=g(x)f(x) = g(x) pour tout xx de cet ensemble.

Méthode. Pour comparer ff et gg, on étudie le signe de la différence g(x)−f(x)g(x) - f(x).

Exemple 34. Comparons f(x)=xf(x) = x et g(x)=x2g(x) = x^2 sur R\mathbb{R}. On a g(x)−f(x)=x2−x=x(x−1)g(x) - f(x) = x^2 - x = x(x - 1), positif sur ]−∞ ;0]]-\infty\,;0] et sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[, négatif sur [0 ;1][0\,;1]. Donc x2≥xx^2 \geq x sur ]−∞ ;0]∪[1 ;+∞[]-\infty\,;0] \cup [1\,;+\infty[, et x2≤xx^2 \leq x sur [0 ;1][0\,;1] : entre 00 et 11, la parabole est sous la droite.

Exemple 35. Les fonctions f(x)=x2−1x−1f(x) = \dfrac{x^2 - 1}{x - 1} et g(x)=x+1g(x) = x + 1 ne sont pas égales : f(x)=g(x)f(x) = g(x) pour tout x≠1x \neq 1, mais ff n'est pas définie en 11, alors que gg l'est.

8.3 Opérations sur les fonctions

Définitions. Soit ff et gg deux fonctions, et kk un réel.

  • Les fonctions f+gf + g, f−gf - g et f×gf \times g sont définies sur Df∩DgD_f \cap D_g par (f+g)(x)=f(x)+g(x)(f+g)(x) = f(x) + g(x), (f−g)(x)=f(x)−g(x)(f - g)(x) = f(x) - g(x) et (fg)(x)=f(x)×g(x)(fg)(x) = f(x) \times g(x).
  • La fonction kfkf est définie sur DfD_f par (kf)(x)=k×f(x)(kf)(x) = k \times f(x).
  • La fonction fg\dfrac{f}{g} est définie sur Df∩DgD_f \cap D_g, privé des réels où gg s'annule, par (fg)(x)=f(x)g(x)\left(\dfrac fg\right)(x) = \dfrac{f(x)}{g(x)}.

Exemple 36. Soit f(x)=xf(x) = \sqrt x et g(x)=x−2g(x) = x - 2. La fonction f+gf + g est définie sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[. La fonction fg:x↦xx−2\dfrac{f}{g} : x \mapsto \dfrac{\sqrt x}{x - 2} est définie sur [0 ;2[ ∪ ]2 ;+∞[[0\,;2[ \,\cup\, ]2\,;+\infty[.

8.4 Sens de variation d'une composée

Théorème. Soit uu une fonction monotone sur un intervalle II, et vv une fonction monotone sur un intervalle JJ qui contient u(I)u(I).

  • Si uu et vv ont le même sens de variation, v∘uv \circ u est croissante sur II.
  • Si uu et vv ont des sens de variation contraires, v∘uv \circ u est décroissante sur II.

Démonstration (un cas : uu décroissante, vv croissante). Soit x1<x2x_1 < x_2 dans II. Comme uu est décroissante, u(x1)≥u(x2)u(x_1) \geq u(x_2), et ces deux nombres sont dans JJ. Comme vv est croissante sur JJ, v(u(x1))≥v(u(x2))v\big(u(x_1)\big) \geq v\big(u(x_2)\big). Donc v∘uv \circ u est décroissante sur II. Les trois autres cas se démontrent de la même façon.

Exemple 37. Soit h(x)=1x2+1=(v∘u)(x)h(x) = \dfrac{1}{x^2 + 1} = (v \circ u)(x) avec u(x)=x2+1u(x) = x^2 + 1 et v(t)=1tv(t) = \dfrac1t.

  • Sur ]−∞ ;0]]-\infty\,;0], uu est décroissante, à valeurs dans [1 ;+∞[[1\,;+\infty[, où vv est décroissante : même sens, donc hh est croissante.
  • Sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[, uu est croissante, à valeurs dans [1 ;+∞[[1\,;+\infty[, où vv est décroissante : sens contraires, donc hh est décroissante.

La fonction hh admet donc un maximum en 00 : h(0)=1h(0) = 1.

Exemple 38. Soit f(x)=x4−2x2=(x2−1)2−1f(x) = x^4 - 2x^2 = (x^2 - 1)^2 - 1, de l'exemple 8. On écrit f=v∘uf = v \circ u avec u(x)=x2u(x) = x^2 et v(t)=(t−1)2−1v(t) = (t - 1)^2 - 1.

  • Sur [0 ;1][0\,;1], uu est croissante, à valeurs dans [0 ;1][0\,;1], où vv est décroissante : ff est décroissante.
  • Sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[, uu est croissante, à valeurs dans [1 ;+∞[[1\,;+\infty[, où vv est croissante : ff est croissante.

Comme ff est paire, elle est croissante sur [−1 ;0][-1\,;0] et décroissante sur ]−∞ ;−1]]-\infty\,;-1]. Son minimum est f(−1)=f(1)=−1f(-1) = f(1) = -1.

Exemple 39. Soit k(x)=4−x2k(x) = \sqrt{4 - x^2} sur [−2 ;2][-2\,;2] (exemple 25). La fonction u(x)=4−x2u(x) = 4 - x^2 est croissante sur [−2 ;0][-2\,;0] et décroissante sur [0 ;2][0\,;2], à valeurs dans [0 ;4][0\,;4] ; la racine carrée est croissante. Donc kk est croissante sur [−2 ;0][-2\,;0] et décroissante sur [0 ;2][0\,;2], de maximum k(0)=2k(0) = 2.

Ce qu'il faut retenir du chapitre

  1. f(A)f(A) est l'ensemble des images des éléments de AA : on projette la courbe sur l'axe des ordonnées. f−1(B)f^{-1}(B) est l'ensemble des xx de DfD_f tels que f(x)∈Bf(x) \in B : on projette sur l'axe des abscisses.
  2. Paire : f(−x)=f(x)f(-x) = f(x), courbe symétrique par rapport à l'axe des ordonnées. Impaire : f(−x)=−f(x)f(-x) = -f(x), courbe symétrique par rapport à OO. Dans les deux cas, DfD_f doit être symétrique par rapport à 00.
  3. Période TT : f(x+T)=f(x)f(x + T) = f(x), courbe inchangée par la translation de vecteur Ti⃗T\vec i. On réduit l'intervalle d'étude grâce à la parité et à la périodicité.
  4. Axe x=ax = a : f(2a−x)=f(x)f(2a - x) = f(x). Centre Ω(a ;b)\Omega(a\,;b) : f(2a−x)+f(x)=2bf(2a - x) + f(x) = 2b. Sans oublier la condition sur DfD_f.
  5. x↦f(x−a)+bx \mapsto f(x - a) + b : translation de vecteur u⃗(a ;b)\vec u(a\,;b). Une parabole y=a(x−α)2+βy = a(x - \alpha)^2 + \beta a pour sommet (α ;β)(\alpha\,;\beta) ; une hyperbole y=β+kx−αy = \beta + \dfrac{k}{x - \alpha} a pour centre (α ;β)(\alpha\,;\beta).
  6. ∣f∣|f| : on retourne vers le haut ce qui est sous l'axe des abscisses. f(∣x∣)f(|x|) : on garde la partie x≥0x \geq 0 et on complète par symétrie par rapport à l'axe des ordonnées.
  7. (v∘u)(x)=v(u(x))(v \circ u)(x) = v\big(u(x)\big) : d'abord uu, puis vv ; elle est définie si x∈Dux \in D_u et u(x)∈Dvu(x) \in D_v. En général, v∘u≠u∘vv \circ u \neq u \circ v.
  8. S1 · S3 Bornée : la courbe reste entre deux droites horizontales. Pour comparer ff et gg, on étudie le signe de g−fg - f. Si uu et vv ont le même sens de variation, v∘uv \circ u est croissante ; sinon, elle est décroissante.
Tu es hors connexion. Les chapitres téléchargés restent disponibles dans Hors connexion.