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Chapitre 1 · Cours écrit

Limites et continuité

Programme de S2 Version pour les séries S2, S4, S2A et S5.

Dans tout le chapitre, ff est une fonction numérique définie sur un ensemble DfD_f, et Cf\mathcal{C}_f est sa courbe dans un repère du plan.

Leçon 1 : Limites, rappels et théorèmes de comparaison

Voir la vidéo de la leçon 1

1.1 Ce que tu sais déjà (Première)

Limites des fonctions de référence

Fonction En +∞+\infty En −∞-\infty En 00
xnx^n (n≥1n \geq 1 entier) +∞+\infty +∞+\infty si nn pair, −∞-\infty si nn impair 00
1x\dfrac{1}{x} 00 00 +∞+\infty à droite, −∞-\infty à gauche
x\sqrt{x} +∞+\infty non définie 00

Opérations sur les limites. Les règles de Première s'appliquent à la somme, au produit et au quotient. Quatre situations ne permettent pas de conclure directement. On les appelle les formes indéterminées :

∞−∞0×∞∞∞00\infty - \infty \qquad 0 \times \infty \qquad \frac{\infty}{\infty} \qquad \frac{0}{0}

Face à une forme indéterminée, on transforme l'écriture de la fonction.

Méthode : lever une indétermination

  1. Polynôme ou fonction rationnelle en ±∞\pm\infty : on factorise par le terme de plus haut degré. Retiens qu'en ±∞\pm\infty, une fonction rationnelle a la même limite que le quotient de ses termes de plus haut degré.
  2. Forme 00\frac{0}{0} en un réel aa : on factorise numérateur et dénominateur par (x−a)(x-a), puis on simplifie.
  3. Expression avec une racine carrée : on multiplie par l'expression conjuguée.

Exemple 1. Calculer lim⁡x→+∞2x3−5x+1x3+4\displaystyle\lim_{x\to+\infty} \frac{2x^3-5x+1}{x^3+4}.

C'est une forme ∞∞\frac{\infty}{\infty}. Les termes de plus haut degré sont 2x32x^3 et x3x^3, donc lim⁡x→+∞2x3−5x+1x3+4=lim⁡x→+∞2x3x3=2.\lim_{x\to+\infty} \frac{2x^3-5x+1}{x^3+4} = \lim_{x\to+\infty} \frac{2x^3}{x^3} = 2.

Exemple 2. Calculer lim⁡x→2x2−4x−2\displaystyle\lim_{x\to 2} \frac{x^2-4}{x-2}.

En 22, le numérateur et le dénominateur tendent vers 00 : forme 00\frac{0}{0}. Pour x≠2x \neq 2 : x2−4x−2=(x−2)(x+2)x−2=x+2.\frac{x^2-4}{x-2} = \frac{(x-2)(x+2)}{x-2} = x+2. Donc lim⁡x→2x2−4x−2=2+2=4\displaystyle\lim_{x\to 2} \frac{x^2-4}{x-2} = 2+2 = 4.

Exemple 3. Calculer lim⁡x→+∞(x2+x−x)\displaystyle\lim_{x\to+\infty} \left(\sqrt{x^2+x}-x\right).

Forme ∞−∞\infty - \infty. On multiplie et on divise par l'expression conjuguée x2+x+x\sqrt{x^2+x}+x : x2+x−x=(x2+x)−x2x2+x+x=xx2+x+x.\sqrt{x^2+x}-x = \frac{(x^2+x)-x^2}{\sqrt{x^2+x}+x} = \frac{x}{\sqrt{x^2+x}+x}. Pour x>0x > 0, on factorise par xx au dénominateur, en écrivant x2+x=x1+1x\sqrt{x^2+x} = x\sqrt{1+\frac{1}{x}} : xx(1+1x+1)=11+1x+1→x→+∞11+1=12.\frac{x}{x\left(\sqrt{1+\frac1x}+1\right)} = \frac{1}{\sqrt{1+\frac1x}+1} \xrightarrow[x\to+\infty]{} \frac{1}{1+1} = \frac12.

1.2 Théorèmes de comparaison

Ces théorèmes sont admis. Ils sont énoncés en +∞+\infty, mais restent vrais en −∞-\infty et en un réel aa (à gauche ou à droite).

Théorème 1 (minoration, majoration).

  • Si f(x)≥g(x)f(x) \geq g(x) pour xx assez grand et lim⁡x→+∞g(x)=+∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty} g(x) = +\infty, alors lim⁡x→+∞f(x)=+∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty} f(x) = +\infty.
  • Si f(x)≤g(x)f(x) \leq g(x) pour xx assez grand et lim⁡x→+∞g(x)=−∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty} g(x) = -\infty, alors lim⁡x→+∞f(x)=−∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty} f(x) = -\infty.

Théorème 2 (théorème des gendarmes). Si g(x)≤f(x)≤h(x)g(x) \leq f(x) \leq h(x) pour xx assez grand, et si gg et hh ont la même limite réelle ℓ\ell en +∞+\infty, alors lim⁡x→+∞f(x)=ℓ\displaystyle\lim_{x\to+\infty} f(x) = \ell.

Conséquence pratique. Si ∣f(x)−ℓ∣≤u(x)|f(x) - \ell| \leq u(x) pour xx assez grand et lim⁡x→+∞u(x)=0\displaystyle\lim_{x\to+\infty} u(x) = 0, alors lim⁡x→+∞f(x)=ℓ\displaystyle\lim_{x\to+\infty} f(x) = \ell.

Théorème 3 (passage à la limite dans une inégalité). Si f(x)≤g(x)f(x) \leq g(x) pour xx assez grand, et si ff et gg ont des limites réelles ℓ\ell et ℓ′\ell' en +∞+\infty, alors ℓ≤ℓ′\ell \leq \ell'.

Exemple 4. Calculer lim⁡x→+∞sin⁡xx\displaystyle\lim_{x\to+\infty} \frac{\sin x}{x}.

La fonction sinus n'a pas de limite en +∞+\infty, mais elle est bornée : pour tout x>0x > 0, ∣sin⁡x∣≤1|\sin x| \leq 1, donc ∣sin⁡xx∣≤1x.\left|\frac{\sin x}{x}\right| \leq \frac{1}{x}. Comme lim⁡x→+∞1x=0\displaystyle\lim_{x\to+\infty} \frac1x = 0, la conséquence pratique donne lim⁡x→+∞sin⁡xx=0\displaystyle\lim_{x\to+\infty} \frac{\sin x}{x} = 0.

Exemple 5. Calculer lim⁡x→+∞(x+cos⁡x)\displaystyle\lim_{x\to+\infty} (x + \cos x).

Pour tout réel xx, cos⁡x≥−1\cos x \geq -1, donc x+cos⁡x≥x−1x + \cos x \geq x - 1. Comme lim⁡x→+∞(x−1)=+∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty} (x-1) = +\infty, le théorème 1 donne lim⁡x→+∞(x+cos⁡x)=+∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty} (x+\cos x) = +\infty.

À retenir. Quand une fonction contient un sinus ou un cosinus qui « oscille », on l'encadre grâce à −1≤sin⁡x≤1-1 \leq \sin x \leq 1 et −1≤cos⁡x≤1-1 \leq \cos x \leq 1, puis on applique un théorème de comparaison.

Leçon 2 : Branches infinies et asymptotes

Voir la vidéo de la leçon 2

Une branche infinie est la partie de la courbe qui part vers l'infini, quand xx ou f(x)f(x) devient très grand en valeur absolue. Étudier une branche infinie, c'est dire à quoi elle ressemble de loin.

2.1 Asymptotes parallèles aux axes (rappels)

  • Si lim⁡x→af(x)=±∞\displaystyle\lim_{x\to a} f(x) = \pm\infty (à gauche ou à droite de aa), la droite d'équation x=ax = a est asymptote verticale à Cf\mathcal{C}_f.
  • Si lim⁡x→±∞f(x)=b\displaystyle\lim_{x\to\pm\infty} f(x) = b (réel), la droite d'équation y=by = b est asymptote horizontale à Cf\mathcal{C}_f en ±∞\pm\infty.

2.2 Asymptote oblique

Définition. La droite Δ\Delta d'équation y=ax+by = ax + b, avec a≠0a \neq 0, est asymptote oblique à Cf\mathcal{C}_f en +∞+\infty si lim⁡x→+∞[f(x)−(ax+b)]=0.\lim_{x\to+\infty} \big[f(x) - (ax+b)\big] = 0. La définition est la même en −∞-\infty. Géométriquement, l'écart vertical entre la courbe et la droite tend vers 00.

Position relative. On étudie le signe de f(x)−(ax+b)f(x) - (ax+b) :

  • s'il est positif, Cf\mathcal{C}_f est au-dessus de Δ\Delta ;
  • s'il est négatif, Cf\mathcal{C}_f est au-dessous de Δ\Delta.

Exemple 6. Soit f(x)=x2+x−1x−1f(x) = \dfrac{x^2+x-1}{x-1} sur R∖{1}\mathbb{R}\setminus\{1\}.

Écriture utile. Par division euclidienne, x2+x−1=(x−1)(x+2)+1x^2+x-1 = (x-1)(x+2)+1, donc f(x)=x+2+1x−1.f(x) = x + 2 + \frac{1}{x-1}. Asymptote verticale. Quand x→1x \to 1, le numérateur tend vers 11 et le dénominateur vers 00 : lim⁡x→1+f(x)=+∞\displaystyle\lim_{x\to1^+} f(x) = +\infty et lim⁡x→1−f(x)=−∞\displaystyle\lim_{x\to1^-} f(x) = -\infty. La droite x=1x = 1 est asymptote verticale.

Asymptote oblique. f(x)−(x+2)=1x−1f(x) - (x+2) = \dfrac{1}{x-1} tend vers 00 en +∞+\infty et en −∞-\infty. La droite Δ:y=x+2\Delta : y = x+2 est asymptote oblique en +∞+\infty et en −∞-\infty.

Position. 1x−1>0\dfrac{1}{x-1} > 0 pour x>1x > 1 : la courbe est au-dessus de Δ\Delta. Pour x<1x < 1, c'est l'inverse : la courbe est au-dessous.

2.3 Méthode générale pour une branche infinie

On suppose lim⁡x→+∞f(x)=±∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty} f(x) = \pm\infty. La méthode est la même en −∞-\infty.

Étape 1. On calcule lim⁡x→+∞f(x)x\displaystyle\lim_{x\to+\infty} \frac{f(x)}{x}.

Résultat de l'étape 1 Conclusion
±∞\pm\infty branche parabolique de direction l'axe (Oy)(Oy)
00 branche parabolique de direction l'axe (Ox)(Ox)
un réel a≠0a \neq 0 passer à l'étape 2

Étape 2. On calcule lim⁡x→+∞[f(x)−ax]\displaystyle\lim_{x\to+\infty} \big[f(x) - ax\big].

Résultat de l'étape 2 Conclusion
un réel bb la droite y=ax+by = ax+b est asymptote oblique
±∞\pm\infty branche parabolique de direction la droite y=axy = ax

Exemple 7. Pour f(x)=xf(x) = \sqrt{x} en +∞+\infty : xx=1x→0\dfrac{\sqrt{x}}{x} = \dfrac{1}{\sqrt{x}} \to 0. Branche parabolique de direction (Ox)(Ox) : la courbe monte, mais de moins en moins vite.

Exemple 8. Pour f(x)=x+xf(x) = x + \sqrt{x} en +∞+\infty : f(x)x=1+1x→1\dfrac{f(x)}{x} = 1 + \dfrac{1}{\sqrt x} \to 1, puis f(x)−x=x→+∞f(x) - x = \sqrt{x} \to +\infty. Branche parabolique de direction la droite y=xy = x.

Exemple 9. Soit f(x)=x2+2xf(x) = \sqrt{x^2+2x}, définie pour x≤−2x \leq -2 ou x≥0x \geq 0.

En +∞+\infty. Pour x>0x > 0, x2+2x=x1+2x\sqrt{x^2+2x} = x\sqrt{1+\frac2x}, donc f(x)x=1+2x→1\dfrac{f(x)}{x} = \sqrt{1+\frac2x} \to 1. Puis, avec l'expression conjuguée : f(x)−x=2xx2+2x+x=21+2x+1→1.f(x) - x = \frac{2x}{\sqrt{x^2+2x}+x} = \frac{2}{\sqrt{1+\frac2x}+1} \to 1. La droite y=x+1y = x+1 est asymptote oblique en +∞+\infty.

En −∞-\infty. Attention : pour x<0x < 0, x2=∣x∣=−x\sqrt{x^2} = |x| = -x, donc x2+2x=−x1+2x\sqrt{x^2+2x} = -x\sqrt{1+\frac2x}. Alors f(x)x=−1+2x→−1\dfrac{f(x)}{x} = -\sqrt{1+\frac2x} \to -1. Puis : f(x)+x=2xx2+2x−x=2x−x(1+2x+1)=−21+2x+1→−1.f(x) + x = \frac{2x}{\sqrt{x^2+2x}-x} = \frac{2x}{-x\left(\sqrt{1+\frac2x}+1\right)} = \frac{-2}{\sqrt{1+\frac2x}+1} \to -1. La droite y=−x−1y = -x-1 est asymptote oblique en −∞-\infty.

Piège classique. En −∞-\infty, on écrit x2=−x\sqrt{x^2} = -x et non xx. Beaucoup d'erreurs au bac viennent de là.

Leçon 3 : Continuité

Voir la vidéo de la leçon 3

3.1 Rappels

Définition. Soit ff définie sur un intervalle II et a∈Ia \in I. On dit que ff est continue en aa si lim⁡x→af(x)=f(a).\lim_{x\to a} f(x) = f(a). ff est continue sur II si elle est continue en tout point de II. Graphiquement, on trace la courbe « sans lever le crayon ».

Fonctions continues usuelles (admis).

  • Les fonctions polynômes sont continues sur R\mathbb{R}.
  • Les fonctions rationnelles sont continues sur chaque intervalle de leur ensemble de définition.
  • x↦xx \mapsto \sqrt{x} est continue sur [0;+∞[[0;+\infty[.
  • sin⁡\sin et cos⁡\cos sont continues sur R\mathbb{R}, de même que x↦∣x∣x \mapsto |x|.

Opérations. La somme, le produit et le quotient (dénominateur non nul) de fonctions continues sont continus.

Contre-exemple. La fonction partie entière EE (vue en Seconde) n'est continue en aucun entier. Par exemple, en 11 : E(x)=0E(x) = 0 pour x∈[0;1[x \in [0;1[ et E(1)=1E(1) = 1, donc la limite à gauche, 00, est différente de E(1)E(1). La courbe « saute ».

3.2 Prolongement par continuité

Définition. Soit ff définie sur I∖{a}I \setminus \{a\}. Si lim⁡x→af(x)=ℓ\displaystyle\lim_{x\to a} f(x) = \ell avec ℓ\ell réel, la fonction gg définie sur II par g(x)=f(x) si x≠a,g(a)=ℓg(x) = f(x) \text{ si } x \neq a, \qquad g(a) = \ell est continue en aa. On l'appelle le prolongement par continuité de ff en aa.

Si la limite en aa n'existe pas ou est infinie, ff n'est pas prolongeable par continuité en aa.

Exemple 10. Soit f(x)=x+1−1xf(x) = \dfrac{\sqrt{x+1}-1}{x} sur [−1;0[ ∪ ]0;+∞[[-1;0[\,\cup\,]0;+\infty[. Est-elle prolongeable par continuité en 00 ?

Forme 00\frac00. Avec l'expression conjuguée, pour x≠0x \neq 0 : f(x)=(x+1)−1x(x+1+1)=1x+1+1→x→012.f(x) = \frac{(x+1)-1}{x\left(\sqrt{x+1}+1\right)} = \frac{1}{\sqrt{x+1}+1} \xrightarrow[x\to0]{} \frac12. La limite est réelle : ff est prolongeable par continuité en 00, en posant f(0)=12f(0) = \frac12.

3.3 Continuité d'une composée

Théorème (admis). Si ff est continue en aa et si gg est continue en f(a)f(a), alors g∘fg \circ f est continue en aa. Par conséquent, la composée de deux fonctions continues (là où elle est définie) est continue.

Méthode : démontrer qu'une fonction est continue. On la décompose en fonctions usuelles continues reliées par des opérations ou des compositions.

Exemple. h:x↦x2+1h : x \mapsto \sqrt{x^2+1} est la composée de u:x↦x2+1u : x \mapsto x^2+1, continue sur R\mathbb{R} et à valeurs dans [1;+∞[[1;+\infty[, suivie de la racine carrée, continue sur [0;+∞[[0;+\infty[. Donc hh est continue sur R\mathbb{R}.

3.4 Limite d'une fonction composée

Théorème (admis). Soient aa et bb deux réels. Si lim⁡x→af(x)=b\displaystyle\lim_{x\to a} f(x) = b et si gg est continue en bb, alors lim⁡x→ag(f(x))=g(b).\lim_{x\to a} g\big(f(x)\big) = g(b).

Remarque. Ce résultat reste vrai lorsque aa vaut +∞+\infty ou −∞-\infty. C'est ainsi qu'on l'utilise dans les exercices.

Exemple 11. Calculer lim⁡x→+∞4x+1x+3\displaystyle\lim_{x\to+\infty} \sqrt{\frac{4x+1}{x+3}}.

On pose f(x)=4x+1x+3f(x) = \dfrac{4x+1}{x+3} et g(y)=yg(y) = \sqrt{y}. En +∞+\infty, f(x)f(x) a la même limite que 4xx\dfrac{4x}{x}, soit 44. La fonction gg est continue en 44. Donc lim⁡x→+∞4x+1x+3=4=2.\lim_{x\to+\infty} \sqrt{\frac{4x+1}{x+3}} = \sqrt{4} = 2.

À retenir. Pour calculer la limite de g(f(x))g(f(x)), on cherche d'abord la limite bb de « l'intérieur » f(x)f(x), puis on regarde ce que fait gg près de bb.

Leçon 4 : Image d'un intervalle et théorème des valeurs intermédiaires

Voir la vidéo de la leçon 4

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}.

Leçon 5 : Fonction réciproque d'une fonction continue strictement monotone

Voir la vidéo de la leçon 5

5.1 Le théorème de la bijection

Théorème (existence et continuité admises). Soit ff continue et strictement monotone sur un intervalle II. Alors :

  • ff réalise une bijection de II sur l'intervalle J=f(I)J = f(I) : tout y∈Jy \in J a un unique antécédent x∈Ix \in I ;
  • la fonction réciproque f−1:J→If^{-1} : J \to I, qui à yy associe cet antécédent, est continue sur JJ ;
  • f−1f^{-1} est strictement monotone, de même sens que ff.

L'équivalence à connaître par cœur : y=f(x) et x∈I  ⟺  x=f−1(y) et y∈J.y = f(x) \text{ et } x \in I \iff x = f^{-1}(y) \text{ et } y \in J.

Démonstration de la monotonie (dans le cas croissant). Soient y1<y2y_1 < y_2 dans JJ. On pose x1=f−1(y1)x_1 = f^{-1}(y_1) et x2=f−1(y2)x_2 = f^{-1}(y_2). Si on avait x1≥x2x_1 \geq x_2, alors, ff étant croissante, f(x1)≥f(x2)f(x_1) \geq f(x_2), c'est-à-dire y1≥y2y_1 \geq y_2, ce qui est faux. Donc x1<x2x_1 < x_2 : f−1f^{-1} est strictement croissante.

5.2 Courbe de la réciproque

Propriété. Dans un repère orthonormé, Cf−1\mathcal{C}_{f^{-1}} est la symétrique de Cf\mathcal{C}_f par rapport à la droite D\mathcal{D} d'équation y=xy = x (la première bissectrice).

Pourquoi ? Le point M(x ; y)M(x\,;\,y) est sur Cf\mathcal{C}_f si et seulement si y=f(x)y = f(x), ce qui équivaut à x=f−1(y)x = f^{-1}(y), c'est-à-dire que le point M′(y ; x)M'(y\,;\,x) est sur Cf−1\mathcal{C}_{f^{-1}}. Or M′M' est le symétrique de MM par rapport à D\mathcal{D}.

Méthode : construire Cf−1\mathcal{C}_{f^{-1}}. On trace la droite y=xy = x, puis on reporte quelques points remarquables et les tangentes par symétrie. Les asymptotes se transforment aussi : une asymptote horizontale y=by = b de Cf\mathcal{C}_f devient une asymptote verticale x=bx = b de Cf−1\mathcal{C}_{f^{-1}}.

5.3 Expression de f−1(x)f^{-1}(x), quand c'est possible

Méthode. On part de y=f(x)y = f(x), avec x∈Ix \in I et y∈Jy \in J, et on exprime xx en fonction de yy. On obtient x=f−1(y)x = f^{-1}(y). On renomme enfin la variable pour écrire f−1(x)f^{-1}(x).

Exemple 13. Soit f(x)=2x+1x−1f(x) = \dfrac{2x+1}{x-1} sur I= ]1;+∞[I = \,]1;+\infty[.

Bijection. ff est rationnelle, donc continue sur II. f′(x)=2(x−1)−(2x+1)(x−1)2=−3(x−1)2<0f'(x) = \dfrac{2(x-1)-(2x+1)}{(x-1)^2} = \dfrac{-3}{(x-1)^2} < 0 : ff est strictement décroissante sur II. De plus, lim⁡x→1+f(x)=+∞\displaystyle\lim_{x\to1^+} f(x) = +\infty (numérateur vers 33, dénominateur vers 0+0^+) et lim⁡x→+∞f(x)=2\displaystyle\lim_{x\to+\infty} f(x) = 2. Donc ff est une bijection de II sur J= ]2;+∞[J = \,]2;+\infty[.

Expression. Pour x∈Ix \in I et y∈Jy \in J : y=2x+1x−1  ⟺  y(x−1)=2x+1  ⟺  x(y−2)=y+1  ⟺  x=y+1y−2y = \frac{2x+1}{x-1} \iff y(x-1) = 2x+1 \iff x(y-2) = y+1 \iff x = \frac{y+1}{y-2} (on a bien y−2≠0y - 2 \neq 0 puisque y>2y > 2).

Conclusion. f−1(x)=x+1x−2f^{-1}(x) = \dfrac{x+1}{x-2} pour tout x∈ ]2;+∞[x \in\, ]2;+\infty[.

Exemple 14. La fonction x↦x2x \mapsto x^2 est continue et strictement croissante sur [0;+∞[[0;+\infty[. C'est une bijection de [0;+∞[[0;+\infty[ sur [0;+∞[[0;+\infty[, et sa réciproque est la fonction racine carrée : y=x2y = x^2 avec x≥0x \geq 0 équivaut à x=yx = \sqrt{y}.

Quand l'expression est impossible. La fonction f(x)=x3+x−1f(x) = x^3 + x - 1 de l'exemple 12 est une bijection de R\mathbb{R} sur R\mathbb{R}. Sa réciproque existe, elle est continue et strictement croissante, mais on ne sait pas l'écrire avec les fonctions usuelles. On peut quand même tracer sa courbe par symétrie.

Ce qu'il faut retenir du chapitre

  1. Une forme indéterminée se lève en transformant l'écriture : factorisation, simplification, expression conjuguée.
  2. Une fonction qui oscille s'encadre, puis on applique un théorème de comparaison.
  3. Asymptote oblique : f(x)−(ax+b)→0f(x) - (ax+b) \to 0. Méthode : limite de f(x)x\frac{f(x)}{x}, puis limite de f(x)−axf(x) - ax.
  4. Continuité en aa : lim⁡x→af(x)=f(a)\displaystyle\lim_{x\to a} f(x) = f(a). On prolonge par continuité quand la limite est réelle.
  5. Pour la limite de g(f(x))g(f(x)), on cherche la limite de l'intérieur, puis celle de gg.
  6. Théorème des valeurs intermédiaires : continuité et changement de signe donnent au moins une solution ; si en plus ff est strictement monotone, la solution est unique.
  7. Une fonction continue strictement monotone sur II est une bijection de II sur f(I)f(I). Sa réciproque est continue, de même sens de variation, et sa courbe est la symétrique de celle de ff par rapport à la droite y=xy = x.
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