Mathematiques - Niveau L1. Tout le cours en fiches
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MATHÉMATIQUES TOUT LE COURS EN FICHES Licence 1 CAPES l MATHÉMATIQUES TOUT LE COURS EN FICHES Licence 1 CAPES l Claire David Maître de conférences à l’UPMC (université Pierre-et-Marie-Curie), Paris Sami Mustapha Professeur à l’UPMC (université Pierre-et-Marie-Curie), Paris Illustration de couverture : © delabo - Fotolia.com © Dunod, 2014 5 rue Laromiguière, 75005 Paris www.dunod.com ISBN 978-2-10-059992-9 Table des matières Avant-propos X Comment utiliser cet ouvrage ? XII © Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. Partie 1 Calculus Nombres réels Fiche 1 Les ensembles de nombres Fiche 2 Intervalles, voisinages, bornes Limites Fiche 3 Limite d’une fonction en un point Fiche 4 Limite d’une fonction en +∞ ou −∞ Fiche 5 Propriétés des limites – Opérations sur les limites Fiche 6 Notations de Landau Fonctions numériques Fiche 7 Domaine de définition d’une fonction, graphe Focus La construction de l’ensemble des réels : les coupures de Dedekind Fiche 8 Comment définir une fonction ? Fiche 9 Majorations et minorations Fiche 10 Fonctions monotones Fiche 11 Parité, imparité Fiche 12 Symétries Fiche 13 Fonctions périodiques Fonctions usuelles Fiche 14 Fonctions puissances entières Fiche 15 Fonctions polynômes et fonction valeur absolue Focus John Napier et les tables logarithmiques Fiche 16 La fonction logarithme népérien Fiche 17 La fonction exponentielle Fiche 18 Fonctions puissances « non entières » Focus Leibniz et la fonction exponentielle Fiche 19 Fonctions circulaires Fiche 20 Fonctions hyperboliques Focus L’origine de la trigonométrie Continuité Fiche 21 Continuité d’une fonction en un point Fiche 22 Fonctions continues sur un intervalle Dérivabilité Fiche 23 Dérivabilité en un point 1 2 6 8 8 12 14 16 18 18 21 22 24 26 28 30 32 33 33 35 38 39 41 43 44 45 47 49 51 51 55 58 58 v Fiche 24 Dérivabilité sur un intervalle Fiche 25 Dérivées successives Fiche 26 Théorème des accroissements finis et théorème de Rolle Fiche 27 Formule de Taylor-Lagrange Fonctions réciproques Fiche 28 Fonctions réciproques Fiche 29 Les fonctions trigonométriques inverses Fiche 30 Les fonctions hyperboliques inverses Développements limités Fiche 31 Développements limités Fiche 32 Formule de Taylor-Young Fiche 33 Développements limités usuels Fiche 34 Opérations algébriques et composition des développements limités Développements asymptotiques Fiche 35 Développements asymptotiques Convexité Fiche 36 Convexité Équations différentielles linéaires du 1er ordre Fiche 37 Équations différentielles linéaires du 1er ordre homogènes Fiche 38 Équations différentielles linéaires du 1er ordre avec second membre Fonctions de plusieurs variables Fiche 39 Topologie Fiche 40 Fonctions de plusieurs variables Fiche 41 Les systèmes de coordonnées usuelles Fiche 42 Limites, continuité et dérivation Exercices Corrigés 61 65 67 71 72 72 75 79 81 81 84 89 92 95 95 96 96 100 100 103 111 111 117 119 121 129 133 Partie 2 Algèbre Le plan complexe – Les nombres complexes Focus Les nombres complexes Fiche 43 Le corps des nombres complexes Fiche 44 Représentation géométrique des nombres complexes Fiche 45 Inversion des nombres complexes Fiche 46 Propriétés fondamentales des nombres complexes Fiche 47 Complément : les polynômes de Tchebychev Fiche 48 Racines nièmes de l’unité, racines nièmes complexes Fiche 49 Factorisation des polynômes dans le corps C Fiche 50 Fractions rationnelles et décomposition en éléments simples vi 161 162 164 167 170 172 174 177 180 185 Transformations du plan : translations, homothéties 196 Fiche 52 Transformations du plan : rotations 198 Fiche 53 Transformations du plan : similitudes 200 Focus Transformations complexes, fractales, et représentations de la nature 204 Fiche 54 Matrices de taille 2 × 2 206 Fiche 55 Déterminant de matrices de taille 2 × 2 208 Fiche 56 Matrices de taille 3 × 3 210 © Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. Matrices 206 Fiche 57 Déterminant de matrices de taille 3 × 3 213 Fiche 58 Matrices de taille m × n 216 Fiche 59 Opérations sur les matrices 218 Fiche 60 Matrices remarquables 220 Fiche 61 Introduction aux déterminants de matrices de taille n × n 224 Fiche 62 Inversion des matrices carrées Focus L’origine des matrices Focus Les matrices et leurs applications Fiche 63 Systèmes linéaires Fiche 64 Vecteurs Fiche 65 Barycentres Fiche 66 Droites, plans Fiche 67 Produit scalaire Focus Produit scalaire, espaces fonctionnels et calcul numérique Fiche 68 Produit vectoriel Fiche 69 Aires et volumes Focus Géométrie euclidienne – ou non ? Encore des matrices ! Transformations linéaires du plan Fiche 70 Bases et transformations linéaires du plan Fiche 71 Changement de base en dimension 2, et déterminant d’une application linéaire Fiche 72 Conjugaison – Matrices semblables de taille 2 × 2 Fiche 73 Opérateurs orthogonaux en dimension 2 Fiche 74 Rotations vectorielles du plan Transformations linéaires de l’espace Fiche 75 Bases de l’espace R3 Fiche 76 Transformations linéaires de l’espace R3 Fiche 77 Changement de base en dimension 3 Fiche 78 Conjugaison – Matrices semblables de taille 3 × 3 Fiche 79 Opérateurs orthogonaux de l’espace R3 Fiche 80 Rotations vectorielles de l’espace R3 L’espace R n Fiche 81 Vecteurs en dimension n, n 2 226 230 232 234 238 242 246 249 253 254 256 258 260 260 264 266 268 270 273 273 274 278 280 282 284 286 286 vii Table des matières Fiche 51 Fiche 82 Espace engendré par une famille de vecteurs – Sous-espaces vectoriels de Rn Fiche 83 Transformations linéaires de l’espace Rn Fiche 84 Changement de base Fiche 85 Conjugaison – Matrices semblables de taille n × n Fiche 86 Réduction des matrices carrées Focus Groupe spécial orthogonal et cristallographie Focus Diagonalisation – La toupie de Lagrange (et de Michèle Audin) Espaces vectoriels Fiche 87 Les espaces vectoriels Fiche 88 Sous-espaces vectoriels Fiche 89 Somme de sous-espaces vectoriels Fiche 90 Projecteurs, symétries Exercices Corrigés 288 291 295 297 299 303 305 306 306 310 312 313 315 323 Partie 3 Analyse Suites Fiche 91 Fiche 92 Focus Fiche 93 Fiche 94 Fiche 95 Fiche 96 Fiche 97 Fiche 98 Fiche 99 Fiche 100 Fiche 101 Fiche 102 Focus Intégrales Fiche 103 Fiche 104 Fiche 105 Fiche 106 Fiche 107 Fiche 108 viii 367 Qu’est-ce qu’une suite ? L’espace des suites et opérations sur les suites Les différents types de suites Suites arithmético-géométriques et finance Étude d’une suite Majorants, minorants d’une suite réelle – Croissance et décroissance Techniques d’étude des suites réelles Convergence Convergence des suites monotones Opérations sur les limites de suites Convergence des suites homographiques réelles Suites extraites Suites de Cauchy Comparaison des suites réelles Suites et systèmes dynamiques – L’attracteur de Hénon Qu’est-ce qu’une intégrale ? Intégrale d’une fonction en escaliers Intégrale d’une fonction continue par morceaux Calcul intégral Primitives de fractions rationnelles Calcul approché d’intégrales 368 371 376 377 380 382 384 387 389 392 397 399 401 405 406 406 408 413 419 425 427 Intégrale de Riemann vs intégrale de Lebesgue Formulaire de trigonométrie Dérivées usuelles Dérivées des fonctions réciproques usuelles Primitives usuelles Limites usuelles des fonctions puissances Rang d’une matrice 434 436 442 470 472 473 474 475 476 477 Index 479 © Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. Bibliographie ix Table des matières Focus Exercices Corrigés Annexes Avant-propos Cet ouvrage est destiné aux étudiants du cycle L1 des filières universitaires scientifiques, ou des classes préparatoires. Il se base sur nos cours donnés en première année de Licence à l’UPMC (université Pierre et Marie Curie). Face aux demandes croissantes de nos étudiants, qui recherchaient un ouvrage de référence complet mais abordable, ainsi que des exercices d’application corrigés, nous nous sommes lancés dans la conception de ce livre qui, nous l’espérons, sera un outil utile pour les générations d’étudiants à venir. Cet ouvrage est donc le fruit d’un compromis : dans ce volume condensé, nous avons essayé de donner suffisamment d’éléments recouvrant l’ensemble des mathématiques de première année. Cet ouvrage correspond aussi à l’arrivée des nouveaux programmes universitaires et des classes préparatoires. Pour mieux assurer la jonction avec les mathématiques enseignées au lycée, nous avons opté, pour la première partie d’analyse, relative à l’étude des fonctions, à une présentation de type « Calculus », inspirée de l’esprit des « textbooks » anglo-saxons, qui permet d’aborder plus facilement le reste du programme, plus « classique », sur les suites et le calcul intégral. Pour l’algèbre, la présentation reprend celle de l’ouvrage Calcul Vectoriel (Collection Sciences Sup), en allant un peu plus loin : Rn , réduction, espaces vectoriels. Malgré tout le soin apporté à la rédaction, nous demandons l’indulgence du lecteur pour les éventuelles imperfections qui pourraient subsister ; qu’il n’hésite pas à nous les signaler. Claire David [email protected] Sami Mustapha [email protected] x Nous remercions vivement toutes les personnes dont la relecture et les remarques ont contribué à améliorer la version initiale du manuscrit : les membres du comité de lecture, pour leur relecture extrêmement minutieuse et leurs remarques très pertinentes ; • Sylvie Benzoni, Université Claude Bernard Lyon 1, Institut Camille Jordan. • Laurent Di Menza, Université de Reims, Laboratoire de Mathématiques de Reims (LMR). • Jean-Pierre Escofier, Université de Rennes, Institut Mathématique de Rennes. • Sandrine Gachet, Professeur de Mathématiques, Lycée Gustave Eiffel, Dijon. • Chloé Mullaert, Professeur de Mathématiques, Lycée Paul Valéry, Paris. • Laure Quivy, ENS Cachan et Université Paris XIII, Centre de Mathématiques et leurs applications (CMLA). • Lamia Attouche, étudiante à l’UPMC, Paris. • Alexis Prel, étudiant à l’UPMC, Paris. © Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. mais aussi Albert Cohen, Ramona Anton, Sylvie Delabrière, Patrick Polo, Adnène Benabdesselem, Matthieu Solnon, Eugénie Poulon, Daniel Hoehener, Julien Piera Vest. xi Avant-propos Remerciements Comment utiliser cet ouvrage ? Un découpage en trois grandes parties : Calculus, Algèbre, Analyse 110 fiches de cours Les notions essentielles du cours 1 α Z, α ∈ R Étant donné un réel non nul α, α Z désigne l’ensemble des réels de la forme α k, où k est un entier : α Z = {α k, k ∈ Z} Les ensembles de nombres fiche 1 fiche Exemple 2 π Z = {2 k π, k ∈ Z}. Un ensemble E est une collection d’objets, qui constituent les « éléments » de l’ensemble. Le nombre d’éléments de l’ensemble peut être fini, ou infini. Les nombres rationnels L’ensemble des nombres rationnels, c’est-à-dire de la forme 1. Notation entiers relatifs, avec q Pour décrire l’ensemble, on utilise des accolades, à l’intérieur desquelles on écrit les éléments de l’ensemble. Suivant les cas, on peut, simplement, placer, à l’intérieur des accolades, la liste des éléments de l’ensemble ; ainsi, dans le cas d’un ensemble E avec un nombre fini d’éléments e1 , . . ., en , où n est un nombre entier positif, on écrit : E = {e1 , . . . , en } ou bien, dans le cas d’un ensemble d’éléments vérifiant une propriété donnée P, on écrit ou encore Les nombres réels R L’ensemble R∪{−∞, +∞} est noté R (c’est ce que l’on appelle la « droite réelle achevée », ou encore, l’adhérence de R) La notation « » {x, P(x)} Lorsque l’on écrit l’un des ensembles précédents avec l’exposant « », cela signifie que l’on exclut 0 ; ainsi, N désigne l’ensemble des entiers naturels non nuls ; Z désigne l’ensemble des entiers relatifs non nuls ; etc. ce qui désigne ainsi l’ensemble des éléments x tels que la propriété P soit vérifiée pour x. La notation « + » Exemples Lorsque l’on écrit l’un des ensembles précédents avec l’exposant « + », cela signifie que l’on ne considère que les nombres positifs de cet ensemble ; ainsi, Z+ (qui est aussi égal à N), désigne l’ensemble des entiers positifs ou nuls ; R+ désigne l’ensemble des réels positifs ou nuls ; etc. 1. {1, 2, 3, 4} est un ensemble. Ses éléments sont les nombres 1, 2, 3 et 4. 2. {3, 4, 5, 6, , . . .} est un ensemble. Ses éléments sont les nombres entiers supérieurs ou égaux à 3. 3. Calculus L’ensemble des nombres réels est noté R. Algèbre E = x P(x) p , où p et q sont deux q x ∈ {1, 2, 3, 4, 5, 6} x est impair = {1, 3, 5}. Analyse De très nombreux exemples 0, est noté Q. La notation « − » Lorsque l’on écrit l’un des ensembles précédents avec l’exposant « − », cela signifie que l’on ne considère que les nombres négatifs de cet ensemble ; ainsi, Z− (qui est aussi égal à −N), désigne l’ensemble des entiers négatifs ou nuls ; R− désigne l’ensemble des réels positifs ou nuls ; etc. Les entiers naturels L’ensemble des entiers naturels, c’est-à-dire des entiers positifs ou nuls, est noté N : N = {0, 1, 2, 3, 4, 5, . . .} Les nombres pairs Les entiers relatifs L’ensemble des entiers relatifs, c’est-à-dire des entiers qui sont soit positifs ou nuls, soit négatifs ou nuls, est noté Z : Z = {. . . , −5, −4, −3, −2, −1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, . . .} 2 xii Lorsque l’on écrit l’un des ensembles précédents avec l’exposant « + », cela signifie que l’on ne considère que les nombres strictement positifs de cet ensemble ; ainsi, Z+ (qui est aussi égal à N ), désigne l’ensemble des entiers strictement positifs ; R+ désigne l’ensemble des réels strictement positifs ; etc. La notation « − » Lorsque l’on écrit l’un des ensembles précédents avec l’exposant « − », cela signifie que l’on ne considère que les nombres strictement positifs de cet ensemble ; ainsi, Z− (qui est aussi égal à −N ), désigne l’ensemble des entiers strictement négatifs ; R− désigne l’ensemble des réels strictement négatifs ; etc. On a : N⊂Z⊂Q⊂R 3 Nombres réels k N, k ∈ N Étant donné un entier naturel non nul k, k N désigne l’ensemble des entiers naturels mutiples de k : k N = {k n, n ∈ N} La notation « + » © Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. L’ensemble des entiers naturels pairs est noté 2 N : 2 N = {0, 2, 4, 6, . . .} = {2 n, n ∈ N} Un repérage facile Les fiches sont regroupées par thème Comment utiliser cet ouvrag Des exercices corrigés pour s’entraîner © Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. Des focus pour découvrir des applications des mathématiques ou approfondir un point du cours xiii Partie Calculus 1 Introduction Après de brefs rappels sur les ensembles de nombres, nous présentons, dans ce qui suit, les notions d’analyse indispensables à l’étude des fonctions : l’étude des limites ; des généralités sur les fonctions numériques et les fonctions usuelles. Nous passons ensuite, naturellemment, à l’étude de la continuité, puis de la dérivabilité. Nous introduisons alors les fonctions réciproques. Puis, nous passons à l’étude des développements limités, et aux équations différentielles. Enfin, nous introduisons brièvement les fonctions de deux et trois variables. Dans ce cours, certains résultats, dont la démonstration n’est pas considérée comme indispensable à l’apprentissage des techniques de base, sont admis. Plan Nombres réels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Fonctions numériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Focus : La construction de l’ensemble des réels : les coupures de Dedekind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Fonctions usuelles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33 Focus : John Napier et les tables logarithmiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Focus : Leibniz et la fonction exponentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Focus : L’origine de la trigonométrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Continuité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Dérivabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Fonctions réciproques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Développements limités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Développements asymptotiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Convexité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Équations différentielles linéaires du 1er ordre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Fonctions de plusieurs variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Corrigés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 fiche 1 Les ensembles de nombres Un ensemble E est une collection d’objets, qui constituent les « éléments » de l’ensemble. Le nombre d’éléments de l’ensemble peut être fini, ou infini. 1. Notation Pour décrire l’ensemble, on utilise des accolades, à l’intérieur desquelles on écrit les éléments de l’ensemble. Suivant les cas, on peut, simplement, placer, à l’intérieur des accolades, la liste des éléments de l’ensemble ; ainsi, dans le cas d’un ensemble E avec un nombre fini d’éléments e1 , . . ., en , où n est un nombre entier positif, on écrit : E = {e1 , . . . , en } ou bien, dans le casd’un ensemble d’éléments vérifiant une propriété donnée P, on écrit E = xP(x) ou encore {x, P(x)} ou encore {x ; P(x)} ce qui désigne ainsi l’ensemble des éléments x tels que la propriété P soit vérifiée pour x. Exemples 1. {1, 2, 3, 4} est un ensemble. Ses éléments sont les nombres 1, 2, 3 et 4. 2. {3, 4, 5, 6, , . . .} est un ensemble. Ses éléments sont les nombres entiers supérieurs ou égaux à 3. 3. x ∈ {1, 2, 3, 4, 5, 6} x est impair = {1, 3, 5}. ➤ Les entiers naturels L’ensemble des entiers naturels, c’est-à-dire des entiers positifs ou nuls, est noté N : N = {0, 1, 2, 3, 4, 5, . . .} ➤ Les nombres pairs L’ensemble des entiers naturels pairs est noté 2 N : 2 N = {0, 2, 4, 6, . . .} = {2 n, n ∈ N} ➤ k N, k ∈ N Étant donné un entier naturel k, k N désigne l’ensemble des entiers naturels mutiples de k: k N = {k n, n ∈ N} ➤ Les entiers relatifs L’ensemble des entiers relatifs, c’est-à-dire des entiers qui sont soit positifs ou nuls, ou négatifs ou nuls, est noté Z : Z = {. . . , −5, −4, −3, −2, −1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, . . .} 2 ➤ α Z, α ∈ R fiche 1 Étant donné un réel α, α Z désigne l’ensemble des réels de la forme α k, où k est un entier : α Z = {α k, k ∈ Z} Exemple 2 π Z = {2 k π, k ∈ Z}. ➤ Les nombres rationnels L’ensemble des nombres rationnels, c’est-à-dire de la forme entiers relatifs, avec q 0, est noté Q. p , où p et q sont deux q ➤ Les nombres réels L’ensemble des nombres réels est noté R. Calculus ➤ R L’ensemble R∪{−∞, +∞} est noté R (c’est ce que l’on appelle la « droite réelle achevée », ou encore, l’adhérence de R) ➤ La notation « » Algèbre Lorsque l’on écrit l’un des ensembles précédents avec l’exposant « », cela signifie que l’on exclut 0 ; ainsi, N désigne l’ensemble des entiers naturels non nuls ; Z désigne l’ensemble des entiers relatifs non nuls ; etc. ➤ La notation « + » Lorsque l’on écrit l’un des ensembles précédents avec l’exposant « + », cela signifie que l’on ne considère que les nombres positifs de cet ensemble ; ainsi, Z+ (qui est aussi égal à N), désigne l’ensemble des entiers positifs ou nuls ; R+ désigne l’ensemble des réels positifs ou nuls ; etc. Analyse ➤ La notation « − » Lorsque l’on écrit l’un des ensembles précédents avec l’exposant « − », cela signifie que l’on ne considère que les nombres négatifs de cet ensemble ; ainsi, Z− (qui est aussi égal à −N), désigne l’ensemble des entiers négatifs ou nuls ; R− désigne l’ensemble des réels positifs ou nuls ; etc. Lorsque l’on écrit l’un des ensembles précédents avec l’exposant « + », cela signifie que l’on ne considère que les nombres strictement positifs de cet ensemble ; ainsi, Z+ (qui est aussi égal à N ), désigne l’ensemble des entiers strictement positifs ; R+ désigne l’ensemble des réels strictement positifs ; etc. ➤ La notation « − » Lorsque l’on écrit l’un des ensembles précédents avec l’exposant « − », cela signifie que l’on ne considère que les nombres strictement positifs de cet ensemble ; ainsi, Z− (qui est aussi égal à −N ), désigne l’ensemble des entiers strictement négatifs ; R− désigne l’ensemble des réels strictement négatifs ; etc. On a : N⊂Z⊂Q⊂R où le symbole ⊂ signifie « inclus dans ». 3 Nombres réels © Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. ➤ La notation « + » 2. Les ensembles ➤ Ensemble vide Un ensemble ne contenant aucun élément est appelé ensemble vide, et noté ∅. Exemple n ∈ 3 N, n pair ne contient aucun nombre : c’est l’ensemble vide. ➤ Intersection d’ensembles Étant donnés deux ensembles E1 et E2 , leur intersection, notée E1 ∩ E2 , est l’ensemble des éléments qui appartiennent à la fois à E1 et à E2 : E1 ∩ E2 = {x, x ∈ E1 et x ∈ E2 } ➤ Union d’ensembles Étant donnés deux ensembles E1 et E2 , leur union, notée E1 ∪ E2 , est l’ensemble des éléments qui appartiennent à E1 , ou à E2 : E1 ∪ E2 = {x, x ∈ E1 ou x ∈ E2 } ➤ Différence de deux ensembles Étant donnés deux ensembles E1 et E2 , leur différence, notée E1 \ E2 , est l’ensemble E1 privé de E2 : E1 \ E2 = {x, x ∈ E1 et x E2 } Exemples 1. R \ {1, 2} est l’ensemble des réels différents de 1 et de 2. 2. R \ π Z est l’ensemble des réels qui ne sont pas multiples de π. ➤ Complémentaire d’un ensemble Étant donnés deux ensembles E1 et E2 tels que E2 soit inclus dans E1 (que l’on écrit E2 ⊂ E1 ), l’ensemble E1 \ E2 est le complémentaire de E2 dans E1 , noté E1 E2 : E1 E 2 = E 1 \ E 2 Exemple R {0} = R ➤ Produit cartésien de deux ensembles Étant donnés deux ensembles E1 et E2 , leur produit cartésien, noté E1 × E2 , est l’ensemble des couples d’éléments de la forme (x1 , x2 ), où le premier élément x1 appartient à E1 , et le second, x2 , à E2 : E1 × E2 = {(x1 , x2 ) , x1 ∈ E1 et x2 ∈ E2 } Exemples 1. R2 = {(x1 , x2 ) , x1 ∈ R et x2 ∈ R} est l’ensemble des couples de réels. 2. N2 = {(n1 , n2 ) , n1 ∈ N et n2 ∈ N} est l’ensemble des couples d’entiers naturels. 4 ➤ Produit cartésien de trois ensembles fiche 1 Étant donnés trois ensembles E1 , E2 et E3 , leur produit cartésien, noté E1 × E2 × E3 , est l’ensemble des triplets d’éléments de la forme (x1 , x2 , x3 ), où le premier élément x1 appartient à E1 , le second, x2 , à E2 , et le troisième, x3 , à E3 : E1 × E2 × E3 = {(x1 , x2 , x3 ) , x1 ∈ E1 , x2 ∈ E2 et x3 ∈ E3 } ➤ Produit cartésien de n ensembles, n ∈ N, n 2 Étant donnés un entier naturel n 2, et n ensembles E1 , . . ., En , leur produit cartésien, noté E1 × . . . × En , est l’ensemble des n−uplets d’éléments de la forme (x1 , . . . , xn ), où x1 ∈ E1 , . . ., xn ∈ En : E1 × . . . × En = {(x1 , . . . , xn ) , x1 ∈ E1 , . . . , xn ∈ En } ➤ Application Algèbre Calculus Étant donnés deux ensembles E et F, une application ϕ de E dans F associe, à chaque élément de E, un et un seul élément de F. E est l’ensemble de départ, F, celui d’arrivée. Pour tout élément x de E, l’unique élément de F ainsi mis en relation avec x par l’application ϕ est noté ϕ(x), et appelé image de x. x est un antécédent de ϕ(x). On écrit : ϕ:E→ F x → ϕ(x) Exemples 1. ϕ:N→N x → x est une application de N dans N, appelée application identité de N. 2. Analyse ψ:Q→ Q x → 2 x est une application de Q dans Q. Étant donnés deux ensembles de nombres E et F, une fonction f de E dans F associe, à chaque élément x de E, au plus un élément de F appelé alors image de x par f (ce qui signifie donc que tous les éléments de E n’ont pas nécessairement une image par f ). E est l’ensemble de départ, F, celui d’arrivée. L’ensemble des éléments de E possédant une image par f est appelé domaine de définition de f , et noté D f . Elle permet de définir une application de D f dans F. Exemple f :R→ R 1 x → 1−x est une fonction de R dans R, dont le domaine de définition est R \ {1}. Elle permet de définir une application de R \ {1} dans R. 5 Nombres réels © Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. ➤ Fonction fiche 2 Intervalles, voisinages, bornes L’ensemble des nombres réels est habituellement représenté sous la forme d’une droite graduée, appelée droite des réels, où il faut pouvoir se repérer. À cet effet, on introduit les notions d’intervalle et de voisinage d’un point. −2 Π 2 2 −1 0 1 3 2 Figure 2.1 – La droite des réels. 1. Intervalles ➤ Intervalle fermé et borné (ou segment) On appelle intervalle fermé et borné (ou segment) tout ensemble de la forme [a, b] = {x ∈ R, a x b} , (a, b) ∈ R2 , a b ➤ Intervalle ouvert On appelle intervalle ouvert tout ensemble de la forme ]a, b[= {x ∈ R, a < x < b} , (a, b) ∈ R2 , a < b ou ] − ∞, b[= {x ∈ R, x < b} , b ∈ R ou encore ]a, +∞[= {x ∈ R, a < x} , a ∈ R où R2 = R × R est l’ensemble des couples de réels. ➤ Intervalle ouvert et borné On appelle intervalle ouvert et borné tout ensemble de la forme ]a, b[= {x ∈ R, a < x < b} , (a, b) ∈ R2 , a < b ➤ Intervalle semi-ouvert et borné On appelle intervalle semi-ouvert et borné tout ensemble de la forme [a, b[= {x ∈ R, a x < b} , (a, b) ∈ R2 , a < b ou ]a, b] = {x ∈ R, a < x b} , (a, b) ∈ R2 , a < b ➤ Intervalle fermé Par convention, tout ensemble de la forme [a, +∞[= {x ∈ R, x a} ou ] − ∞, b] = {x ∈ R, x b} , b ∈ R est considéré comme étant un intervalle fermé. , a ∈ R ➤ Ensemble vide L’ensemble, noté ∅, qui ne contient aucun nombre réel, est aussi un intervalle, appelé ensemble vide. ➤ Singleton On appelle singleton un ensemble ne contenant qu’un seul élément, et qui est donc de la forme {a}, où a est un nombre réel. 6 ➤ Intervalle fiche 2 On appelle intervalle de R l’un des ensembles définis ci-dessus, ou bien R tout entier. Un singleton est un intervalle fermé (le singleton {a} est donc assimilé à l’intervalle fermé [a, a]). ➤ Adhérence d’un intervalle Soit I un intervalle de R. Son adhérence I¯ est l’ensemble tel que : • si I est un segment, alors I¯ = I ; • si I est de la forme ]a, b[ ou ]a, b] ou [a, b[, (a, b) ∈ R2 , alors I¯ = [a, b] ; • si I est de la forme ]a, +∞[ ou [a, +∞[, a ∈ R, alors I¯ = [a, +∞[∪ {+∞} ; Calculus • si I est de la forme ] − ∞, a[ ou ] − ∞, a], a ∈ R, alors I¯ =] − ∞, a] ∪ {−∞} ; • si I l’ensemble vide ∅, alors I¯ = ∅. 2. Voisinage ➤ Voisinage d’un point Algèbre On appelle voisinage d’un point a de R un sous-ensemble de R contenant un intervalle ouvert de la forme ]a − η, a + η[, où η est un réel strictement positif et tel que η < a. On peut étendre la notion de voisinage à +∞ ou −∞ ; ainsi, un voisinage de +∞ est une partie de R contenant un intervalle ouvert de la forme ]x0 , +∞[, où x0 est un nombre réel quelconque. De même, un voisinage de −∞ est une partie de R contenant un intervalle ouvert de la forme ] − ∞, x0 [, où x0 est un nombre réel quelconque. Analyse 3. Les intervalles de R [a, b] Segment ]a, b[ Intervalle ouvert et borné ]a, b] Intervalle semi-ouvert et borné (ouvert à gauche, fermé à droite) [a, b[ Intervalle semi-ouvert et borné (fermé à gauche, ouvert à droite) ∅ Ensemble vide {a} Singleton ]x0 , +∞[ Voisinage de +∞ Nombres réels © Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. Dans ce qui suit, a, b, x0 sont des réels tels que a < b. Le tableau suivant reprend les différents types d’intervalles de R. [x0 , +∞[ ] − ∞, x0 [ Voisinage de −∞ ] − ∞, x0 ] ] − ∞, +∞[ R tout entier 7 fiche 3 Limite d’une fonction en un point 1. Limite finie d’une fonction en un point Soient f une fonction définie sur un intervalle I de R, à valeurs dans R, a un point de I, et un réel. On dit que f admet pour limite (finie) en a si, lorsque x devient très proche de a, f (x) devient lui aussi très proche de , ce qui se traduit mathématiquement par le fait que pour tout réel ε strictement positif, il existe un réel η strictement positif tel que : ∀ x ∈ I, 0 < |x − a| < η ⇒ | f (x) − | < ε On écrit : lim f (x) = x→a lim f = . ou a Exemple √ On considère la fonction qui, à tout x de ] − 1, 1[, associe 1 − x2 . Alors : √ lim 1 − x2 = 0 x→1 ➤ Notation 0+ Soient f une fonction définie sur un intervalle I de R, à valeurs dans R, et a un point de I. On dit que f tend vers 0+ en a si, lorsque x devient très proche de a, f (x) tend vers zéro, mais en restant positif, ce qui se traduit mathématiquement par le fait que pour tout réel ε strictement positif, il existe un réel η strictement positif tel que : ∀ x ∈ I, 0 < |x − a| < η ⇒ 0 f (x) < ε On écrit : lim f (x) = 0+ ou lim f = 0+ . x→a a Lorsque +∞ est une borne de I, on dit que f tend vers 0+ en +∞ si, lorsque x devient très grand, f (x) tend vers zéro, mais en restant positif, ce qui se traduit mathématiquement par le fait que pour tout réel ε strictement positif, il existe un réel A strictement positif tel que : ∀ x ∈ I, x > A ⇒ 0 f (x) < ε On écrit : lim f (x) = 0+ ou lim f = 0+ . x→+∞ +∞ Lorsque −∞ est une borne de I, on dit que f tend vers 0+ en −∞ si, lorsque x devient très grand en valeur absolue, mais en restant à valeurs négatives, f (x) tend vers zéro, mais en restant positif, ce qui se traduit mathématiquement par le fait que pour tout réel ε strictement positif, il existe un réel A strictement positif tel que : ∀ x ∈ I, x < −A ⇒ 0 f (x) < ε On écrit : lim f (x) = 0+ x→−∞ 8 ou lim f = 0+ . −∞ Exemple lim x2 = 0+ fiche 3 x→0 On utilisera aussi la notation 0+ pour indiquer que l’on tend vers zéro par valeurs supérieures. ➤ Notation 0− Calculus Soient f une fonction définie sur un intervalle I de R, à valeurs dans R, et a un point de I. On dit que f tend vers 0− en a si, lorsque x devient très proche de a, f (x) tend vers zéro, mais en restant négatif, ce qui se traduit mathématiquement par le fait que pour tout réel ε strictement positif, il existe un réel η strictement positif tel que : ∀ x ∈ I, 0 < |x − a| < η ⇒ −ε < f (x) 0 On écrit : lim f (x) = 0− x→a ou lim f = 0− . a On écrit : lim f (x) = 0− x→+∞ ou Algèbre Lorsque +∞ est une borne de I, on dit que f tend vers 0− en +∞ si, lorsque x devient très grand, f (x) tend vers zéro, mais en restant négatif, ce qui se traduit mathématiquement par le fait que pour tout réel ε strictement positif, il existe un réel A strictement positif tel que : ∀ x ∈ I, x > A ⇒ −ε < f (x) 0 lim f = 0− . +∞ Analyse Lorsque −∞ est une borne de I, on dit que f tend vers 0− en −∞ si, lorsque x devient très grand en valeur absolue, mais en restant à valeurs négatives, f (x) tend vers zéro, mais en restant négatif, ce qui se traduit mathématiquement par le fait que pour tout réel ε strictement positif, il existe un réel A strictement positif tel que : ∀ x ∈ I, x < −A ⇒ −ε < f (x) 0 On écrit : lim f (x) = 0− x→−∞ ou lim f = 0− . −∞ Exemple lim −x4 = 0− On utilisera aussi la notation 0− pour indiquer que l’on tend vers zéro par valeurs inférieures. Exemple lim x3 = 0− x→0− Limites © Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. x→0 ➤ Notation a+ , a ∈ R a étant un réel, la notation a+ signifie que l’on tend vers a par valeurs supérieures. ➤ Notation a− , a ∈ R a étant un réel, la notation a− signifie que l’on tend vers a par valeurs inférieures. 9 2. Limite infinie d’une fonction en un point Soient f une fonction définie sur un intervalle I de R, à valeurs dans R, et a un point de I. On dit que f admet pour limite « plus l’infini (on note +∞) » en a si, lorsque x devient très proche de a, f (x) devient très grand, ce qui se traduit mathématiquement par le fait que pour tout réel A strictement positif, il existe un réel η strictement positif tel que : ∀ x ∈ I, 0 < |x − a| < η ⇒ f (x) > A On écrit alors : lim f (x) = +∞ ou lim f (x) = +∞. x→a a On dit que f admet pour limite « moins l’infini (on note −∞) » en a si, lorsque x devient très proche de a, f (x) devient très grand en valeur absolue, mais en étant à valeurs négatives, ce qui se traduit mathématiquement par le fait que pour tout réel A strictement positif, il existe un réel η strictement positif tel que : ∀ x ∈ I, 0 < |x − a| < η ⇒ f (x) < −A On écrit : lim f (x) = −∞ ou lim f = −∞. x→a a Exemple lim √ x→1+ 1 x2 −1 = +∞ 3. Limite finie à droite (ou par valeurs supérieures) Soient f une fonction définie sur un intervalle I de R, à valeurs dans R, a un point de I, et un réel. On dit que f admet pour limite (finie) à droite en a (ou encore, par valeurs supérieures) si, lorsque x devient très proche de a, en restant plus grand que a, f (x) devient lui aussi très proche de , ce qui se traduit mathématiquement par le fait que pour tout réel ε strictement positif, il existe un réel η strictement positif tel que : ∀ x ∈ I, 0 < x − a < η ⇒ | f (x) − | < ε On écrit : lim+ f (x) = x→a ou lim f = . + a Exemple √ lim+ 2 + x − 1 = 2 x→1 4. Limite finie à gauche (ou par valeurs inférieures) Soient f une fonction définie sur un intervalle I de R, à valeurs dans R, a un point de I, et un réel. On dit que f admet pour limite (finie) à gauche en a (ou encore, par valeurs inférieures) si, lorsque x devient très proche de a, en restant plus petit que a, f (x) devient lui aussi très proche de , ce qui se traduit mathématiquement par le fait que pour tout réel ε strictement positif, il existe un réel η strictement positif tel que : ∀ x ∈ I, −η < x − a < 0 ⇒ | f (x) − | < ε On écrit : lim− f (x) = x→a 10 ou lim f = . − a 5. Limite infinie à droite (ou par valeurs supérieures) fiche 3 Soient f une fonction définie sur un intervalle I de R, à valeurs dans R, et a un point de I. On dit que f admet pour limite +∞ à droite en a (ou encore, par valeurs supérieures) si, lorsque x devient très proche de a, en restant plus grand que a, f (x) devient très grand, ce qui se traduit mathématiquement par le fait que pour tout réel A strictement positif, il existe un réel η strictement positif tel que : ∀ x ∈ I, 0 < x − a < η ⇒ f (x) > A On écrit : lim+ f (x) = +∞ ou lim f = +∞. + On écrit : lim+ f (x) = −∞ ou lim f = −∞. + x→a a a Algèbre x→a Calculus On dit que f admet pour limite −∞ à droite en a (ou encore, par valeurs supérieures) si, lorsque x devient très proche de a, en restant plus grand que a, f (x) devient très grand en valeur absolue, mais en étant à valeurs négatives, ce qui se traduit mathématiquement par le fait que pour tout réel A strictement positif, il existe un réel η strictement positif tel que : ∀ x ∈ I, 0 < x − a < η ⇒ f (x) < −A 6. Limite infinie à gauche (ou par valeurs inférieures) Analyse Soient f une fonction définie sur un intervalle I de R, à valeurs dans R, et a un point de I. On dit que f admet pour limite +∞ à gauche en a (ou encore, par valeurs inférieures) si, lorsque x devient très proche de a, en restant plus grand que a, f (x) devient très grand, ce qui se traduit mathématiquement par le fait que pour tout réel A strictement positif, il existe un réel η strictement positif tel que : ∀ x ∈ I, −η < x − a < 0 ⇒ f (x) > A On écrit : lim− f (x) = +∞ ou lim f = +∞. − a On dit que f admet pour limite −∞ à gauche en a (ou encore, par valeurs inférieures) si, lorsque x devient très proche de a, en restant plus grand que a, f (x) devient très grand en valeur absolue, mais en étant à valeurs négatives, ce qui se traduit mathématiquement par le fait que pour tout réel A strictement positif, il existe un réel η strictement positif tel que : ∀ x ∈ I, η < x − a < 0 ⇒ f (x) < −A On écrit : lim− f (x) = +∞ ou lim f = +∞. − x→a a Limites © Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. x→a 11 fiche 4 Limite d’une fonction en +∞ ou −∞ 1. Limite finie d’une fonction en l’infini Soient f une fonction définie sur un intervalle de la forme [a, +∞[ de R, a ∈ R, et un réel. On dit que f admet pour limite (finie) en « plus l’infini (on note +∞) » si, lorsque x devient très grand, f (x) devient très proche de , ce qui se traduit mathématiquement par le fait que pour tout réel ε strictement positif, il existe un réel « seuil », A, strictement positif tel que : ∀ x ∈ [a, +∞[, x > A ⇒ | f (x) − | < ε On écrit alors : lim f (x) = ou lim f = . x→+∞ +∞ Si f est définie sur un intervalle de la forme ]−∞, a] de R, a ∈ R, et si désigne encore un réel, on dit que f admet pour limite (finie) en « moins l’infini (on note −∞) » si, lorsque x devient très grand en valeur absolue, mais en étant à valeurs négatives, f (x) devient très proche de , ce qui se traduit mathématiquement par le fait que pour tout réel ε strictement positif, il existe un réel A, strictement positif tel que : ∀ x ∈ ] − ∞, a], x < −A ⇒ | f (x) − | < ε On écrit alors : lim f (x) = x→−∞ lim f = . ou Exemple −∞ 1 lim 1 − √ =1 x→+∞ x2 − 1 2. Limite infinie d’une fonction en plus l’infini Soit f une fonction définie sur un intervalle de la forme [a, +∞[ de R, a ∈ R. On dit que f admet pour limite +∞ en « plus l’infini » si, lorsque x devient très grand, f (x) devient lui aussi très grand, ce qui se traduit mathématiquement par le fait que pour tout réel B strictement positif, il existe un réel « seuil », A, strictement positif tel que : ∀ x ∈ [a, +∞[, x > A ⇒ f (x) > B On écrit alors : lim f (x) = +∞ ou lim f = +∞. x→+∞ +∞ On dit que f admet pour limite −∞ en « plus l’infini » si, lorsque x devient très grand, f (x) devient très grand en valeur absolue, mais en étant à valeurs négatives, ce qui se traduit mathématiquement par le fait que pour tout réel B strictement positif, il existe un réel « seuil », A, strictement positif tel que : ∀ x ∈ [a, +∞[, x > A ⇒ f (x) < −B On écrit alors : lim f (x) = −∞ x→+∞ 12 ou lim f = −∞. +∞ 3. Limite infinie d’une fonction en moins l’infini fiche 4 Soit f une fonction définie sur un intervalle de la forme ] − ∞, a] de R, a ∈ R. On dit que f admet pour limite +∞ en « moins l’infini » si, lorsque x devient très grand en valeur absolue, mais en étant à valeurs négatives, f (x) devient lui aussi très grand, ce qui se traduit mathématiquement par le fait que pour tout réel B strictement positif, il existe un réel réel A, strictement positif tel que : ∀ x ∈ ] − ∞, a], x < −A ⇒ f (x) > B Calculus On écrit alors : lim f (x) = +∞ ou lim f = +∞. x→−∞ −∞ On dit que f admet pour limite −∞ en « moins l’infini » si, lorsque x devient très grand en valeur absolue, en étant négatif, f (x) devient aussi très grand en valeur absolue, en étant négatif, ce qui se traduit mathématiquement par le fait que pour tout réel B strictement positif, il existe un réel A, strictement positif tel que : ∀ x ∈ ] − ∞, a], x < −A ⇒ f (x) < −B On écrit alors : lim f (x) = −∞ x→−∞ ou lim f = −∞. −∞ Algèbre 4. Forme indéterminée Limites © Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. Analyse On appelle forme indéterminée une limite que l’on ne sait pas déterminer ; cela correspond donc à des quantités ne l’on peut pas quantifier de façon exacte, comme, par exemple, le quotient de +∞ avec +∞. 13 fiche 5 Propriétés des limites Opérations sur les limites 1. Propriétés des limites ➤ Unicité de la limite ¯ Si f Soient f une fonction définie sur un intervalle I de R, à valeurs dans R, et a dans I. possède une limite en a, celle-ci est unique. • Soient f une fonction définie sur un intervalle I de R, à valeurs dans R, a un point de I, et dans R. Alors, si f est définie dans un voisinage à gauche de a, et dans un voisinage à droite de a : lim f (x) = ⇔ lim+ f (x) = lim− f (x) = x→a x→a x→a • Soient f une fonction définie sur un intervalle I de R, à valeurs dans R, et a dans I¯ ; m et M sont deux réels. Alors : – si lim f (x) < M, il existe un voisinage de a tel que, pour tout x de ce voisinage : x→a f (x) < M – si lim f (x) > m, il existe un voisinage de a tel que, pour tout x de ce voisinage : x→a f (x) > m ➤ Limites et comparaison Soient f et g deux fonctions définies sur un intervalle I de R, à valeurs dans R, et a dans I¯ ; m et M sont deux réels. Alors, si f et g ont des limites finies en a, et s’il existe un voisinage V de a tel que, pour tout x de ce voisinage, f (x) g(x) on a : lim f (x) lim g(x) x→a x→a ➤ Limites et minoration Soient f et g deux fonctions définies sur un intervalle I de R, à valeurs dans R, et a ¯ S’il existe un voisinage de a tel que, pour tout x de ce voisinage, dans I. f (x) g(x) et si, de plus, lim g(x) = −∞ x→a alors : lim f (x) = −∞ x→a ➤ Limites et majoration Soient f et g deux fonctions définies sur un intervalle I de R, à valeurs dans R, et a dans ¯ S’il existe un voisinage de a tel que, pour tout x de ce voisinage, f (x) g(x), et si I. lim g(x) = +∞, alors : x→a lim f (x) = +∞ x→a 14 ➤ Théorème des gendarmes x→a x→a fiche 5 Soient f et g et h trois fonction définies sur un intervalle I de R, à valeurs dans R, et a dans I¯ ; est un réel. S’il existe un voisinage de a tel que, pour tout x de ce voisinage, f (x) h(x) g(x), et si, de plus, lim f (x) = lim g(x) = , alors : lim h(x) = x→a 2. Opérations sur les limites ➤ Limite d’une somme de fonctions Soient f et g deux fonctions définies sur un intervalle I de R, à valeurs dans R, et a dans I¯ ; et sont deux réels finis. Alors : +∞ −∞ +∞ lim g(x) x→a +∞ −∞ +∞ −∞ −∞ lim f (x) + g(x) x→a + +∞ −∞ +∞ −∞ Forme indéterminée Calculus lim f (x) x→a ➤ Limite d’un produit de fonctions , , , , avec avec avec avec 0 0 >0 >0 <0 <0 lim g(x) x→a +∞ −∞ +∞ −∞ +∞ −∞ lim f (x) g(x) x→a +∞ −∞ −∞ +∞ Forme indéterminée Forme indéterminée Analyse lim f (x) x→a Algèbre Soient f et g deux fonctions définies sur un intervalle I de R, à valeurs dans R, et a dans I¯ ; et sont deux réels. Alors : ➤ Limite d’un quotient de fonctions Soient f et g deux fonctions définies sur un intervalle I de R, à valeurs dans R, et a dans I¯ ; et sont deux réels. Alors : lim x→a f (x) g(x) +∞ 0 −∞ 0 © Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. lim g(x) x→a , avec > 0 , avec 0 + +∞ , avec > 0 − 0 −∞ , avec < 0 0+ −∞ , avec < 0 − 0 +∞ +∞ +∞ Forme indéterminée 0 +∞ −∞ Forme indéterminée −∞ +∞ Forme indéterminée −∞ −∞ Forme indéterminée Limites lim f (x) x→a 15 fiche 6 Notations de Landau 1. Négligeabilité À Soient f et g deux fonctions définies sur un intervalle I de R, à valeurs dans R, et a ¯ dans I. On suppose que g ne s’annule pas dans un voisinage de a. On dit que f est négligeable devant g au voisinage de a si f (x) lim =0 x→a g(x) On note alors f (x) = o (g(x)) ou x→a f =a o (g) On dit que f est un « petit o » de g au voisinage de a. La notation « petit o » , de même que la notation « grand O » , qui sera vue plus loin, est appelée notation de Landau, en hommage au mathématicien Edmund Landau1. Leur paternité est visiblement assez controversée, et reviendrait, a priori, à Paul Bachmann2 . Exemple On considère les fonctions f et g définies, pour tout réel x, par f (x) = x2 Alors, comme lim x→+∞ , g(x) = x4 f (x) 1 = lim = 0, on en déduit : f +∞ = o(g). g(x) x→+∞ x2 Pour traduire le fait qu’une fonction f possède une limite nulle en a, a ∈ R, ou, éventuellement, a = +∞ ou a = −∞, on écrit aussi : f (x) x→a = o(1) 2. Domination À Soient f et g deux fonctions définies sur un intervalle I de R, à valeurs dans R, et a ¯ On suppose que g ne s’annule pas dans un voisinage de a, sans, pour autant, dans I. que g(a) soit non nul. 1. Edmund Georg Hermann Landau (1877-1938), mathématicien allemand, spécialiste de théorie des nombres. 2. Paul Bachmann (1837-1920), mathématicien allemand lui aussi, et également spécialiste de théorie des nombres. 16
