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Leçon 8S1 · S3

Fonctions bornées, comparaison, opérations, variations d'une composée

Vidéo 8 : Fonctions bornées, comparaison, variations d'une composée · 3 min 57 s · sous-titres en français

Le cours écrit

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.

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Exercices 13 et 14

  • Exercice 13 : fonctions bornées, comparaison, opérations
  • Exercice 14 : sens de variation d'une composée

Exercices du chapitre (PDF, 278 Ko)

Corrigés

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Corrigés du chapitre (PDF, 442 Ko)

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