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Évaluation de progression · Chapitre 2

Devoir sur 20 : Limites et continuité

Devoir d'une heure, sur 20 points. Les exercices 1 à 3 sont communs aux séries S1-S3 et S2-S4 ; l'exercice 4 existe en deux versions, une par série. Calculatrice non nécessaire. Seuil proposé : 10/20. Corrigé et barème à la fin.

Sujet

Exercice 1 (7 points)

Calculer les limites suivantes, en justifiant.

  1. lim⁡x→+∞2x3−x+4x3+1\displaystyle\lim_{x \to +\infty} \frac{2x^3 - x + 4}{x^3 + 1} (1 point)
  2. lim⁡x→−∞x2+3x−1\displaystyle\lim_{x \to -\infty} \frac{x^2 + 3}{x - 1} (1 point)
  3. lim⁡x→2x2−x−2x−2\displaystyle\lim_{x \to 2} \frac{x^2 - x - 2}{x - 2} (1 point)
  4. lim⁡x→3+x+13−x\displaystyle\lim_{x \to 3^+} \frac{x + 1}{3 - x} et lim⁡x→3−x+13−x\displaystyle\lim_{x \to 3^-} \frac{x + 1}{3 - x} (1,5 point)
  5. lim⁡x→+∞(x+4−x)\displaystyle\lim_{x \to +\infty} \left(\sqrt{x + 4} - \sqrt{x}\right) (1,5 point)
  6. lim⁡x→+∞x+14x\displaystyle\lim_{x \to +\infty} \sqrt{\frac{x + 1}{4x}} (1 point)

Exercice 2 (5 points)

On considère la fonction ff définie par f(x)=2x2+x−3x2−1f(x) = \dfrac{2x^2 + x - 3}{x^2 - 1}, et on note C\mathcal{C} sa courbe.

  1. Déterminer l'ensemble de définition DD de ff. (0,5 point)
  2. Vérifier que 2x2+x−3=(x−1)(2x+3)2x^2 + x - 3 = (x - 1)(2x + 3). En déduire que, pour tout x∈Dx \in D, f(x)=2x+3x+1f(x) = \dfrac{2x + 3}{x + 1}. (1 point)
  3. Calculer lim⁡x→1f(x)\displaystyle\lim_{x \to 1} f(x). La droite d'équation x=1x = 1 est-elle une asymptote à C\mathcal{C} ? (1 point)
  4. Calculer les limites de ff à gauche et à droite en −1-1. Interpréter graphiquement. (1,5 point)
  5. Calculer les limites de ff en +∞+\infty et en −∞-\infty. Interpréter graphiquement. (1 point)

Exercice 3 (4 points)

Soit aa un réel. On considère la fonction ff définie sur [−3 ;+∞[[-3\,;+\infty[ par f(x)=x2+ax  si x≤1,f(x)=x+3−2x−1  si x>1.f(x) = x^2 + ax \ \text{ si } x \leq 1, \qquad f(x) = \frac{\sqrt{x + 3} - 2}{x - 1} \ \text{ si } x > 1.

  1. Calculer lim⁡x→1+f(x)\displaystyle\lim_{x \to 1^+} f(x). (2 points)
  2. Exprimer f(1)f(1) et lim⁡x→1−f(x)\displaystyle\lim_{x \to 1^-} f(x) en fonction de aa. (0,5 point)
  3. Déterminer aa pour que ff soit continue en 11. (1 point)
  4. Pour cette valeur de aa, justifier que ff est continue sur [−3 ;+∞[[-3\,;+\infty[. (0,5 point)

Exercice 4 (4 points) S1 · S3

  1. Calculer lim⁡x→0sin⁡3x2x\displaystyle\lim_{x \to 0} \frac{\sin 3x}{2x}. (1 point)
  2. La fonction h(x)=sin⁡3x2xh(x) = \dfrac{\sin 3x}{2x} est-elle prolongeable par continuité en 00 ? Si oui, préciser la valeur à donner en 00. (1 point)
  3. Soit g(x)=x3+3x−2g(x) = x^3 + 3x - 2. Montrer que l'équation g(x)=0g(x) = 0 a une unique solution dans [0 ;1][0\,;1], puis, en calculant g(0,5)g(0{,}5) et g(0,75)g(0{,}75), montrer que cette solution est comprise entre 0,50{,}5 et 0,750{,}75. (2 points)
Corrigé et barème (après avoir cherché)

Exercice 1

1. (1 pt) En +∞+\infty, quotient des termes de plus haut degré : 2x3x3=2\dfrac{2x^3}{x^3} = 2. La limite vaut 22.

2. (1 pt) x2x=x\dfrac{x^2}{x} = x, qui tend vers −∞-\infty. La limite vaut −∞-\infty.

3. (1 pt) (0,5 pt) x2−x−2=(x−2)(x+1)x^2 - x - 2 = (x - 2)(x + 1), donc pour x≠2x \neq 2 le quotient vaut x+1x + 1. (0,5 pt) La limite vaut 33.

4. (1,5 pt) (0,5 pt) Le numérateur tend vers 44 et le dénominateur 3−x3 - x tend vers 00. (0,5 pt) Pour x>3x > 3, 3−x<03 - x < 0 : lim⁡x→3+x+13−x=−∞\displaystyle\lim_{x \to 3^+} \frac{x + 1}{3 - x} = -\infty. (0,5 pt) Pour x<3x < 3, 3−x>03 - x > 0 : lim⁡x→3−x+13−x=+∞\displaystyle\lim_{x \to 3^-} \frac{x + 1}{3 - x} = +\infty.

5. (1,5 pt) (0,5 pt) Forme ∞−∞\infty - \infty ; on utilise l'expression conjuguée. (0,5 pt) x+4−x=(x+4)−xx+4+x=4x+4+x\sqrt{x + 4} - \sqrt x = \dfrac{(x + 4) - x}{\sqrt{x + 4} + \sqrt x} = \dfrac{4}{\sqrt{x + 4} + \sqrt x}. (0,5 pt) Le dénominateur tend vers +∞+\infty, donc la limite vaut 00.

6. (1 pt) (0,5 pt) x+14x\dfrac{x + 1}{4x} a la limite de x4x=14\dfrac{x}{4x} = \dfrac14. (0,5 pt) La racine carrée donne 14=12\sqrt{\frac14} = \dfrac12.

Exercice 2

1. (0,5 pt) x2−1=0  ⟺  x=1x^2 - 1 = 0 \iff x = 1 ou x=−1x = -1, donc D=R∖{−1 ;1}D = \mathbb{R} \setminus \{-1\,;1\}.

2. (1 pt) (0,5 pt) (x−1)(2x+3)=2x2+3x−2x−3=2x2+x−3(x - 1)(2x + 3) = 2x^2 + 3x - 2x - 3 = 2x^2 + x - 3. (0,5 pt) Avec x2−1=(x−1)(x+1)x^2 - 1 = (x - 1)(x + 1), pour x∈Dx \in D on simplifie par x−1≠0x - 1 \neq 0 : f(x)=2x+3x+1f(x) = \dfrac{2x + 3}{x + 1}.

3. (1 pt) (0,5 pt) lim⁡x→1f(x)=2+31+1=52\displaystyle\lim_{x \to 1} f(x) = \frac{2 + 3}{1 + 1} = \frac52. (0,5 pt) La limite est réelle : la droite x=1x = 1 n'est pas une asymptote ; la courbe a seulement un trou au point (1 ;52)\left(1\,;\frac52\right).

4. (1,5 pt) (0,5 pt) Le numérateur 2x+32x + 3 tend vers 11. (0,5 pt) Pour x>−1x > -1, x+1>0x + 1 > 0 : lim⁡x→−1+f(x)=+∞\displaystyle\lim_{x \to -1^+} f(x) = +\infty ; pour x<−1x < -1 : lim⁡x→−1−f(x)=−∞\displaystyle\lim_{x \to -1^-} f(x) = -\infty. (0,5 pt) La droite d'équation x=−1x = -1 est asymptote verticale à C\mathcal{C}.

5. (1 pt) (0,5 pt) En ±∞\pm\infty, f(x)f(x) a la limite de 2xx=2\dfrac{2x}{x} = 2. (0,5 pt) La droite d'équation y=2y = 2 est asymptote horizontale en +∞+\infty et en −∞-\infty.

Exercice 3

1. (2 pts) (0,5 pt) Forme 00\frac00. (1 pt) Avec l'expression conjuguée, pour x>1x > 1 : x+3−2x−1=(x+3)−4(x−1)(x+3+2)=1x+3+2\dfrac{\sqrt{x + 3} - 2}{x - 1} = \dfrac{(x + 3) - 4}{(x - 1)\left(\sqrt{x + 3} + 2\right)} = \dfrac{1}{\sqrt{x + 3} + 2}. (0,5 pt) Donc lim⁡x→1+f(x)=12+2=14\displaystyle\lim_{x \to 1^+} f(x) = \frac{1}{2 + 2} = \frac14.

2. (0,5 pt) f(1)=1+af(1) = 1 + a, et lim⁡x→1−f(x)=1+a\displaystyle\lim_{x \to 1^-} f(x) = 1 + a (polynôme).

3. (1 pt) ff est continue en 11 si, et seulement si, 1+a=141 + a = \dfrac14, soit a=−34a = -\dfrac34.

4. (0,5 pt) Sur [−3 ;1[[-3\,;1[, ff est un polynôme, donc continue. Sur ]1 ;+∞[]1\,;+\infty[, c'est un quotient de fonctions continues (x+3≥0x + 3 \geq 0) dont le dénominateur ne s'annule pas. Avec la continuité en 11, ff est continue sur [−3 ;+∞[[-3\,;+\infty[.

Exercice 4 S1 · S3

1. (1 pt) sin⁡3x2x=32×sin⁡3x3x\dfrac{\sin 3x}{2x} = \dfrac32 \times \dfrac{\sin 3x}{3x}, et sin⁡3x3x→1\dfrac{\sin 3x}{3x} \to 1 : la limite vaut 32\dfrac32.

2. (1 pt) La limite en 00 est un réel, donc hh est prolongeable par continuité en 00, en posant h(0)=32h(0) = \dfrac32.

3. (2 pts) (0,5 pt) gg est continue (polynôme), g(0)=−2<0g(0) = -2 < 0 et g(1)=2>0g(1) = 2 > 0 : d'après le théorème des valeurs intermédiaires, l'équation a au moins une solution dans [0 ;1][0\,;1]. (0,5 pt) Si 0≤x1<x2≤10 \leq x_1 < x_2 \leq 1, x13+3x1<x23+3x2x_1^3 + 3x_1 < x_2^3 + 3x_2 : gg est strictement croissante, donc la solution est unique. (1 pt) g(0,5)=−0,375<0g(0{,}5) = -0{,}375 < 0 et g(0,75)=0,671875>0g(0{,}75) = 0{,}671875 > 0 : le théorème, appliqué sur [0,5 ;0,75][0{,}5\,;0{,}75], montre que la solution est comprise entre 0,50{,}5 et 0,750{,}75.

Compétences évaluées
Question Compétence (objectif de la fiche du chapitre)
Ex. 1, 1 et 2 O6 Lever une indétermination en ±∞\pm\infty (terme de plus haut degré)
Ex. 1, 3 O6 Forme 00\frac00 : factoriser par x−ax - a
Ex. 1, 4 O5 Limite d'un quotient dont le dénominateur tend vers 00 (signe)
Ex. 1, 5 O6 Expression conjuguée
Ex. 1, 6 O5 Limite de la racine carrée d'une fonction
Ex. 2 O2, O4, O6 Limites à gauche et à droite, asymptotes horizontales et verticales
Ex. 3 O7, O8 Continuité en un point d'une fonction définie par intervalles ; O9 continuité sur un intervalle
S1 · S3 Ex. 4 O12, O13, O14 sin⁡xx\frac{\sin x}{x}, prolongement par continuité, théorème des valeurs intermédiaires
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