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Leçon 8S2 · S4

Fonction continue strictement monotone et bijection

Vidéo 8 : Fonction continue strictement monotone et bijection · 3 min 26 s · sous-titres en français

Le cours écrit

8.1 Rappel : bijection (chapitre 1)

Soit ff une fonction définie sur un intervalle II, et JJ un intervalle. ff est une bijection de II sur JJ si tout réel yy de JJ a un unique antécédent xx dans II. Graphiquement, toute droite horizontale d'équation y=ky = k, avec k∈Jk \in J, coupe la courbe (au-dessus de II) en exactement un point.

8.2 Le théorème

Théorème (admis). Si ff est continue et strictement monotone sur un intervalle II, alors ff est une bijection de II sur f(I)f(I).

Pourquoi les deux hypothèses ?

  • Sans la stricte monotonie, une valeur peut être atteinte deux fois : la fonction carré sur [−1 ;2][-1\,;2] prend la valeur 11 en −1-1 et en 11.
  • Sans la continuité, la courbe peut sauter certaines valeurs, et f(I)f(I) n'est pas forcément un intervalle.

8.3 Conséquence : l'équation f(x)=kf(x) = k

Si ff est continue et strictement monotone sur II, alors, pour tout réel kk de f(I)f(I), l'équation f(x)=kf(x) = k a exactement une solution dans II.

Avec la leçon 7.5 : si ff est continue et strictement croissante sur [a ;b][a\,;b], c'est une bijection de [a ;b][a\,;b] sur [f(a) ;f(b)]\big[f(a)\,;f(b)\big].

Exemple 32. Montrer que l'équation x3+x−1=0x^3 + x - 1 = 0 a une unique solution α\alpha dans [0 ;1][0\,;1], puis l'encadrer.

Soit f(x)=x3+x−1f(x) = x^3 + x - 1 sur [0 ;1][0\,;1].

  • ff est un polynôme, donc elle est continue sur [0 ;1][0\,;1].
  • Si 0≤x1<x2≤10 \leq x_1 < x_2 \leq 1, alors x13<x23x_1^3 < x_2^3 (la fonction cube est strictement croissante) et x1<x2x_1 < x_2, donc, en ajoutant, x13+x1−1<x23+x2−1x_1^3 + x_1 - 1 < x_2^3 + x_2 - 1 : ff est strictement croissante sur [0 ;1][0\,;1].
  • Donc ff est une bijection de [0 ;1][0\,;1] sur [f(0) ;f(1)]=[−1 ;1]\big[f(0)\,;f(1)\big] = [-1\,;1].

Comme 0∈[−1 ;1]0 \in [-1\,;1], l'équation f(x)=0f(x) = 0 a exactement une solution α\alpha dans [0 ;1][0\,;1].

Encadrement. f(0,5)=0,125+0,5−1=−0,375<0f(0{,}5) = 0{,}125 + 0{,}5 - 1 = -0{,}375 < 0 et f(0,75)=0,421875+0,75−1=0,171875>0f(0{,}75) = 0{,}421875 + 0{,}75 - 1 = 0{,}171875 > 0. Comme ff est strictement croissante et f(α)=0f(\alpha) = 0, on a f(0,5)<f(α)<f(0,75)f(0{,}5) < f(\alpha) < f(0{,}75), donc 0,5<α<0,750{,}5 < \alpha < 0{,}75.

Exemple 33. La fonction carré est continue et strictement croissante sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[ : c'est une bijection de [0 ;+∞[[0\,;+\infty[ sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[. Chaque y≥0y \geq 0 a un unique antécédent positif, y\sqrt y (chapitre 1).

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Exercice 12

  • Exercice 12 : continuité, monotonie et bijection

Exercices du chapitre (PDF, 277 Ko)

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