Documents pour l`étudiant : Chapitre III : continuité 1 Définitions

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UNIVERSITÉ DE CERGY Année 2012-2013
U.F.R. Économie & Gestion
Licence d’Économie et Gestion
MATH101 : Pratique des Fonctions numériques
Documents pour l’étudiant : Chapitre III : continuité
Notations : On reprend dans ce chapitre les notations du chapitre précédent : si x0est un nombre
réel, on notera Ix0un voisinage de x0(i.e. un intervalle ouvert contenant x0), et I
x0=Ix0r{x0}.
Si x0= +, alors Ix0désigne un intervalle ouvert du type ]γ; +[et si x0=−∞,Ix0=] ;γ[.
1 Définitions
Soit fune fonction définie sur un intervalle ouvert Iet x0un réel appartenant à I.
Théorème 1. Si x0est un réel de Iet si fadmet une limite en x0, alors cette limite est néces-
sairement f(x0).
Preuve : Soit lim
xx0
f(x) = `.
ε > 0,α > 0,xI(|xx0| ≤ α⇒ |f(x)`| ≤ ε). Donc en particulier pour x=x0:
ε > 0,|f(x0)`| ≤ ε, ce qui implique f(x0) = `
Définition 1. Soit fune fonction définie sur un intervalle ouvert Iet x0un réel appartenant à
I.fest dite continue en x0si elle admet une limite en x0.
Ce qui signifie que si xest proche de x0alors f(x)reste proche de f(x0).
Figure 1 – Fonction continue / discontinue en x0
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Cas de discontinuité :
1. La fonction « partie entière » est discontinue en 0. En effet, elle n’a pas de limite en 0.
2. La fonction f:x7→ sin 1
xsi x6= 0 et f(0) = 0.fn’a pas de limite en 0
Figure 2 – Courbe de f:x7→ sin 1
x
3. La fonction δdéfinie sur Rpar δ(x)=0si x6= 0 et δ(0) = 1.
Définition 2. Si Iest un intervalle ouvert, on dit que fest continue sur Isi elle est continue
en tout réel de I.
On peut introduire les notions de continuité à gauche et à droite d’un réel :
Définition 3. Soient x0Ret fune fonction définie sur un intervalle Ix0.fest dite continue à
droite (respectivement continue à gauche) en x0si lim
xx0
x>x0
f(x) = f(x0)(respect. lim
xx0
x<x0
f(x) = f(x0)).
Avec ces définitions on a le
Théorème 2. fest continue en x0si et seulement si fest continue à droite et à gauche en x0.
Définition 4. Si fest définie sur I= [a, b], dire que fest continue sur Isignifie qu’elle est
continue en tout réel de ]a, b[et que fest continue à droite en aet à gauche en b.
Exercice 1. Les fonctions suivantes sont-elles continues en x0?
1. Soit fdéfinie sur Rpar f(x) = x1si x < 0et f(x) = x2si x0. (x0= 0)
2. fest définie sur Rpar f(x) = x2+ 2x+ 3 si x1et f(x) = 5ex1si x > 0. (x0= 0).
Théorème 3. On admet que les fonctions suivantes sont continues
1. Les fonctions polynômes sont continues sur R.
2. La fonction « valeur absolue » est continue sur R.
3. La fonction « racine carrée » est continue sur R+.
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4. Les fonctions rationnelles sont continues sur leur ensemble de définition.
5. La fonction « logarithme népérien » est continue sur R
+.
6. Les fonctions exponentielles de base a > 0sont continues sur R.
7. Les fonctions puissances sont continues sur R
+.
Contre-exemple : La fonction « partie entière » est discontinue en tout entier de Z, et continue
en tout réel non entier.
2 Prolongement par continuité
Définition 5. Soit fune fonction continue sur un intervalle I
x0, non définie en x0et admettant
une limite réelle `en x0. On définit alors la fonction ˜
fsur Ix0par ˜
f(x) = f(x)si x6=x0et
˜
f(x0) = `.
˜
fest alors définie et continue sur Ix0. On dit que ˜
fest le prolongement par continuité de f
en x0.
Exercices 2.
1. Soit fla fonction définie sur Rpar f(x) = e1
x2. Montrez que l’on peut prolonger fen 0.
2. Soit gla fonction définie sur R{1}par g(x) = ln(x2)
x1.gest-elle prolongeable par continuité
en 1? en 0?
3 Opérations sur les fonctions continues
Les théorèmes suivants sont admis :
Théorème 4. Soient fet gdeux fonctions définies sur un intervalle Iet λun réel.
Si fet gsont continues en x0I, alors f+g,λf ,f.g et |f|sont continues en x0.
Si fet gsont continues sur I, alors f+g,λf ,f.g et |f|sont continues sur I
Théorème 5. Soit fune fonction définie sur un intervalle Iet x0I.
Si fest continue en x0et f(x0)6= 0, alors 1
fest continue en x0.
Si fest continue sur Iet pour tout xI, f (x)6= 0 alors 1
fest continue sur I.
Théorème 6. Si fest continue en x0Iet strictement positive en x0, alors pour tout αR,
fαest continue en x0
Si fest continue sur Iet strictement positive sur I, alors pour tout αR,fαest continue
sur I
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Théorème 7. Soit fune fonction définie sur un intervalle Iet gune fonction définie sur un
intervalle Jtels que pour tout xI, f (x)J(f(I)J).
Si fest continue en x0Iet gest continue en y0=f(x0)alors, la fonction composée gf
est continue en x0.
Si fest continue sur Iet gest continue sur J, alors gfest continue sur I.
Exercice 3.
Justifiez que la fonction f:f(x) = x2+ 2x+ 3 est continue sur [1; 3].
4 Propriétés des fonctions continues sur un intervalle
4.1 Théorème des valeurs intermédiaires et applications
On admet le
Théorème 8. Soit fune fonction continue sur un intervalle I= [a, b]. Soit βun réel compris
entre f(a)et f(b). Il existe au moins un réel α[a, b]tel que f(α) = β.
Une autre formulation du théorème précédent est : L’image d’un intervalle par une fonction
continue est un intervalle
Figure 3 – Théorème des valeurs intermédiaires
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4.2 Extrema d’une fonction 5
Cas particulier : β= 0
Théorème 9. Soit fune fonction continue sur un intervalle I= [a, b]telle que f(a).f(b)<0,
alors Il existe au moins un réel α[a, b]tel que f(α)=0.
Cas Particulier : Cas d’une fonction strictement monotone :
Théorème 10. Soit fune fonction continue sur un intervalle I= [a, b]et strictement monotone
sur [a, b]. Soit βun réel compris entre f(a)et f(b). Il existe exactement un réel α[a, b]tel que
f(α) = β.
Rappels :
Théorème 11. Soit fune fonction dérivable sur un intervalle I.
1. Si xI, f0(x)>0(respectivement f0(x)<0) alors fest strictement croissante sur I
(respect. décroissante sur I)
2. Si xI, f0(x)0(respectivement f0(x)0) et f0s’annule en des réels isolés (i.e.
qui peuvent être séparés par des intervalles non vides), alors fest strictement croissante sur I
(respect. décroissante sur I)
4.2 Extrema d’une fonction
Les théorèmes suivants sont des conséquences du théorème des valeurs intermédiaires, et seront
admis :
Théorème 12. Soit fune fonction continue sur un intervalle I= [a, b], alors fest bornée et
atteint ses bornes.
Théorème 13. L’image d’un intervalle fermé borné [a, b]par une fonction continue fest un
intervalle fermé borné [m, M], où m(respectivement M) est le minimum (respect. maximum) de
fsur [a, b]
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