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Leçon 5

Fonction réciproque d'une fonction continue strictement monotone

Vidéo 5 : La fonction réciproque · 3 min 22 s · sous-titres en français

Le cours écrit

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.

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Exercices 9 et 10

  • Exercice 9 : réciproque d'une fonction homographique
  • Exercice 10 : réciproque et courbe

Exercices du chapitre (PDF, 336 Ko)

Corrigés

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Corrigés du chapitre (PDF, 492 Ko)

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