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Leçon 4

Image d'un intervalle et théorème des valeurs intermédiaires

Vidéo 4 : Le théorème des valeurs intermédiaires · 3 min 42 s · sous-titres en français

Le cours écrit

4.1 Image d'un intervalle

Théorème (admis). L'image d'un intervalle par une fonction continue est un intervalle.

Si, en plus, ff est strictement monotone, l'image se lit directement aux bornes. Les crochets ouverts correspondent à des limites :

Intervalle II ff continue strictement croissante ff continue strictement décroissante
[a;b][a;b] [f(a);f(b)][f(a);f(b)] [f(b);f(a)][f(b);f(a)]
]a;b[]a;b[ ]lim⁡af; lim⁡bf[\left]\displaystyle\lim_{a} f;\ \lim_{b} f\right[ ]lim⁡bf; lim⁡af[\left]\displaystyle\lim_{b} f;\ \lim_{a} f\right[
[a;+∞[[a;+\infty[ [f(a); lim⁡+∞f[\left[f(a);\ \displaystyle\lim_{+\infty} f\right[ ]lim⁡+∞f; f(a)]\left]\displaystyle\lim_{+\infty} f;\ f(a)\right]

Attention. Si ff n'est pas monotone, il faut le tableau de variation.

Exemple. L'image de [−1;2][-1;2] par x↦x2x \mapsto x^2 est [0;4][0;4], et non [1;4][1;4]. La fonction descend jusqu'à 00 (en x=0x = 0) avant de remonter jusqu'à 44.

4.2 Théorème des valeurs intermédiaires

Théorème (admis). Soit ff continue sur [a;b][a;b]. Pour tout réel kk compris entre f(a)f(a) et f(b)f(b), il existe au moins un réel c∈[a;b]c \in [a;b] tel que f(c)=kf(c) = k.

Cas particulier très utilisé. Si ff est continue sur [a;b][a;b] et si f(a)f(a) et f(b)f(b) sont de signes contraires, c'est-à-dire f(a)×f(b)<0f(a) \times f(b) < 0, alors l'équation f(x)=0f(x) = 0 a au moins une solution dans ]a;b[]a;b[.

Corollaire (cas strictement monotone). Si ff est continue et strictement monotone sur [a;b][a;b], alors pour tout kk compris entre f(a)f(a) et f(b)f(b), l'équation f(x)=kf(x) = k a une unique solution dans [a;b][a;b]. Ce résultat reste vrai sur un intervalle quelconque, en remplaçant f(a)f(a) et f(b)f(b) par les limites aux bornes.

Méthode : rédiger « l'équation f(x)=kf(x) = k a une unique solution sur II »

  1. ff est continue sur II (justifier).
  2. ff est strictement monotone sur II (en général par le signe de f′f').
  3. kk appartient à f(I)f(I) (calculer l'image ou les limites aux bornes).
  4. Conclure par le corollaire du théorème des valeurs intermédiaires.

Exemple 12. Montrer que l'équation x3+x−1=0x^3 + x - 1 = 0 a une unique solution α\alpha dans R\mathbb{R}, et que α∈ ]0;1[\alpha \in\, ]0;1[.

Soit f(x)=x3+x−1f(x) = x^3 + x - 1.

  1. ff est un polynôme, donc continue sur R\mathbb{R}.
  2. f′(x)=3x2+1>0f'(x) = 3x^2 + 1 > 0 : ff est strictement croissante sur R\mathbb{R}.
  3. lim⁡−∞f=−∞\displaystyle\lim_{-\infty} f = -\infty et lim⁡+∞f=+∞\displaystyle\lim_{+\infty} f = +\infty, donc f(R)=Rf(\mathbb{R}) = \mathbb{R}, qui contient 00.
  4. L'équation f(x)=0f(x) = 0 a donc une unique solution α\alpha. De plus, f(0)=−1<0f(0) = -1 < 0 et f(1)=1>0f(1) = 1 > 0, donc α∈ ]0;1[\alpha \in\, ]0;1[.

4.3 Valeur approchée d'un zéro

Méthode 1 : la dichotomie. On coupe l'intervalle en deux et on garde la moitié où ff change de signe. Avec l'exemple 12 :

Intervalle Milieu mm f(m)f(m) Intervalle gardé
[0;1][0;1] 0,50{,}5 −0,375<0-0{,}375 < 0 [0,5;1][0{,}5;1]
[0,5;1][0{,}5;1] 0,750{,}75 ≈0,172>0\approx 0{,}172 > 0 [0,5;0,75][0{,}5;0{,}75]
[0,5;0,75][0{,}5;0{,}75] 0,6250{,}625 ≈−0,131<0\approx -0{,}131 < 0 [0,625;0,75][0{,}625;0{,}75]
[0,625;0,75][0{,}625;0{,}75] 0,68750{,}6875 ≈0,012>0\approx 0{,}012 > 0 [0,625;0,6875][0{,}625;0{,}6875]

Après 4 étapes, 0,625<α<0,68750{,}625 < \alpha < 0{,}6875. Chaque étape divise la largeur par 2.

Méthode 2 : le balayage. On calcule ff avec un pas fixe, à la calculatrice. f(0,68)≈−0,0056<0f(0{,}68) \approx -0{,}0056 < 0 et f(0,69)≈0,0185>0f(0{,}69) \approx 0{,}0185 > 0, donc 0,68<α<0,69.0{,}68 < \alpha < 0{,}69. C'est un encadrement de α\alpha d'amplitude 10−210^{-2}.

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Exercices 7 et 8

  • Exercice 7 : image d'un intervalle
  • Exercice 8 : nombre de solutions et encadrement

Exercices du chapitre (PDF, 336 Ko)

Corrigés

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Corrigés du chapitre (PDF, 492 Ko)

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