28
Chapitre 5
Fonction d’un variable r´eelle : limite,
continuit´e
5.1 Notations
f: fonction num´erique RR
Df: son ensemble de d´efinition
(a, b) : intervalle ouvert, semi-ouvert ou ferm´e (a < b). Sauf cas contraire signal´e, on consid´erera que apeut ˆetre
et que bpeut ˆetre +.
5.2 Limite
D´efinition : Soit cRtel que ]a, c[]c, b[⊂ Df, ou ]a, c[⊂ Dfou ]c, b[⊂ Df.
On dit que f(x) tend vers lRlorsque xtend vers csi
ε > 0,η > 0,|xc|< η et x∈ Df=⇒ |f(x)l|< ε.
On dit aussi que la fonction fadmet lpour limite en cet on note :
lim
xcf(x) = l.
Remarques :
1. Cette d´efinition est valable que csoit ou non dans Df.
2. Si fadmet lpour limite en cet que c∈ Df,f(c) est d´efini et doit donc appartenir `a tout voisinage de lce qui
n’est possible que si f(c) = l. On reviendra sur la continuit´e plus tard.
3. Une limite n’existe pas forc´ement.
Voici un exemple qui permet d’illustrer cette d´efinition : cliquer sur le bouton ”commencer” puis modifiez au besoin
le choix de c, de εou de η.
Exemples : A partir simplement de la visualisation graphique ci dessus :
1. Pour c= 0.5 et ǫ= 0.1, η= 0.09 convient ?
2. Pour c= 0.5 et ǫ= 0.1, η= 0.04 convient ?
3. Pour c= 0.8 et ǫ= 0.1, η= 0.09 convient ?
4. Pour c= 0.8 et ǫ= 0.1, η= 0.04 convient ?
5. Pour c= 0.8 et ǫ= 0.05, η= 0.09 convient ?
Exemple : Etudier les ensembles de d´efinition et les limites en 0 de f(x) = x,g(x) = p|x|et h(x) = x− ⌊x.
5.3 Limite `a gauche ou `a droite
D´efinition : Soit c∈ Dftel qu’il existe α > 0 tel que ]c, c +α[⊂ Df. On dit que fadmet lpour limite `a droite en
cet on note :
lim
xc,x>c f(x) = lsi ε > 0,η > 0, x ∈ Df]c, c +η[=⇒ |f(x)l|< ε
Soit c∈ Dftel qu’il existe α > 0 tel que ]cα, c[⊂ Df. On dit que fadmet lpour limite `a gauche en cet on
note :
lim
xc,x<c f(x) = lsi ε > 0,η > 0, x ∈ Df]cη, c[=⇒ |f(x)l|< ε
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30 CHAPITRE 5. FONCTION D’UN VARIABLE R ´
EELLE : LIMITE, CONTINUIT ´
E
Remarque : On trouvera aussi les notations f(c+) et f(c).
Proposition :
Si c∈ Df,fadmet lpour limite en csi et seulement si fadmet lpour limite `a droite et `a gauche en cet
f(c) = l.
Si c /∈ Df,fadmet lpour limite en csi et seulement si fadmet lpour limite `a droite et `a gauche en c.
Exemples :
Etudier la limite, la limite `a gauche, la limite `a droite en 0 et 1 de f(x) = x− ⌊x.
Etudier la limite (`a gauche, `a droite) en 0 de f(x) = x/|x|. (Df=R,f(x) = 1 si x > 0 et f(x) = 1 si x < 0.)
5.4 Limite infinie ou en l’infini
D´efinition : Dans ce qui suit, cet lsont deux r´eels.
lim
xc,x<c f(x) = −∞ ssi MR,η > 0, x ∈ Df]− ∞, c[ et |xc|< η =f(x)< M
lim
xc,x>c f(x) = −∞ ssi MR,η > 0, x ∈ Df]c, +[ et |xc|< η =f(x)< M
lim
xc,x<c f(x) = +ssi MR,η > 0, x ∈ Df]− ∞, c[ et |xc|< η =f(x)> M
lim
xc,x>c f(x) = +ssi MR,η > 0, x ∈ Df]c, +[ et |xc|< η =f(x)> M
lim
x→−∞ f(x) = lssi ε > 0,P < 0, x ∈ Dfet x < P =⇒ |f(x)l|< ε
lim
x+f(x) = lssi ε > 0,P > 0, x ∈ Dfet x > P =⇒ |f(x)l|< ε
lim
x+f(x) = +ssi MR,P > 0, x ∈ Dfet x > P =f(x)> M
lim
x+f(x) = −∞ ssi MR,P > 0, x ∈ Dfet x > P =f(x)< M
5.5 Unicit´e de la limite
Proposition : Il existe au plus un ´el´ement lRtel que f(x) tende vers llorsque xtend vers c.
D´emonstration
5.6 Lien avec les suites
Proposition : Soit cR,fadmet lpour limite en csi et seulement si pour toute suite (xn, n N) d’´el´ements de
Dfconvergeant vers c, la suite (f(xn), n N) converge vers l.
Cet ´enonc´e reste vrai lorsque cou lprennent les valeurs +ou −∞ pourvu que l’ensemble de d´efinition de f
le permette.
De mˆeme, fadmet lpour limite `a gauche en csi et seulement si pour toute suite (xn, n N) d’´el´ements de Df
telle que pour tout nN,xn< c et qui converge vers c, la suite (f(xn), n N) converge vers l.
Et fadmet lpour limite `a droite en csi et seulement si pour toute suite (xn, n N) d’´el´ements de Dftelle que
pour tout nN,xn> c et qui converge vers c, la suite (f(xn), n N) converge vers l.
D´emonstration
Exemples :
Etudier la limite quand xtend vers +de f(x) = cos(x).
Soit f(x) = sin(1/x). Sur quel ensemble peut-on d´efinir f? Etudier l’existence de limites en 0.
5.7 Op´erations sur les limites
Proposition : Soient fet gdeux fonctions num´eriques. Dans les tableaux qui suivent les limites sont prises en c,
qui est un eel appartenant `a DfDg, en +ou en −∞ si les ensembles Dfet Dgle permettent.
Si fa pour limite l l l +∞ −∞ +
et si ga pour limite l+∞ −∞ +∞ −∞ −∞
alors f+ga pour limite l+l+∞ −∞ +∞ −∞ ind´et.
5.8. IN ´
EGALIT ´
ES SUR LES LIMITES 31
f l l > 0l > 0l < 0l < 0 ++∞ −∞ 0
g l+∞ −∞ + −∞ + −∞ −∞ −∞ ou +
fg ll+∞ −∞ −++∞ −∞ +ind´et.
f l l ++ −∞ −∞ −∞ ou +
g l6= 0 −∞ ou +l>0l<0l>0l<0−∞ ou +
f/g l/l0 +∞ −∞ +ind´et.
f l > 0 ou +l > 0 ou +l < 0 ou −∞ l < 0 ou 0
g0 0 0 0 0
>0<0>0<0
f/g +∞ −∞ −+ind´et.
Il y a donc 4 formes ind´etermin´ees.
Proposition : Si f(x) tend vers bquand xtend vers aet si g(y) tend vers cquand ytend vers b, alors gf(x)
tend vers cquand xtend vers a.
Cet ´enonc´e reste vrai lorsque a,bou cprennent les valeurs +ou −∞.
D´emonstration
Exemples : Etudier l’ensemble de efinition puis, en utilisant les th´eor`emes ´enonc´es pr´ec´edemment, les limites des
fonctions suivantes :
1. limite en et en +de f(x) = sin(1/x) : limx→−∞ 1/x = 0 et limy0sin(y) = 0.
2. limite `a droite en 1/3 de f(x) = 1
3x1:
limx(1/3)+ 3x1 = 0+, limy0+ y= 0+ et limz0+ 1/z = +.
3. limite en +de f(x) = 2x2+x
5.8 In´egalit´es sur les limites
Proposition : Soient fet gdeux fonctions num´eriques. On suppose que c∈ Df∩ Dg,f(x) tend vers lquand x
tend vers cet g(x) tend vers lquand xtend vers c.
1. Si f=gsur un intervalle I⊂ Df Dgde type ]a, b) ou (b, a[, alors l=l.
2. Si fgsur un intervalle I⊂ Df Dgde type ]a, b) ou (b, a[, alors ll.
3. Si f < g sur un intervalle I⊂ Df Dgde type ]a, b) ou (b, a[, alors ll.
D´emonstration
Remarque : Cet ´enonc´e reste valable si aest ´egal `a +ou −∞ mais dans ce cas l’intervalle Idoit ˆetre de la forme
(b, +[ ou ] − ∞, b) : cf proposition d´etaill´ee suivante.
Remarque : Pour 3., on v´erifie qu’on ne peut pas esp´erer avoir une in´egalit´e stricte `a droite : consid´erer f(x) = x2et
g(x) = x4sur ]0,1[. On a bien f > g sur ]0,1[ mais limx0f(x) = limx0g(x) = 0 et limx1f(x) = limx1g(x) = 1
Corollaire : Soient a,b,u,vdes r´eels et soit f: [a, b](u, v). Si fadmet lpour limite en c[a, b] alors l[u, v].
Proposition : On suppose que f(x) tend vers lquand xtend vers aet h(x) tend vers lquand xtend vers a. Si
fghsur un intervalle ouvert Icontenant a, alors gadmet lpour limite en a.
D´emonstration
Exemple : Etudier la limite de (sin(2x) + cos(3x)).x en 0 : |sin(2x) + cos(3x)| ≤ 2 sur I=R. On en eduit que
0≤ |(sin(2x) + cos(3x)).x| ≤ 2|x|
et donc que limx0|(sin(2x) + cos(3x)).x|= 0.
Proposition : Soient fet gdeux fonctions num´eriques.
Supposons que I=]a, +[⊂ Df∩ Dg.
Si fgsur Iet lim
x+f(x) = +, alors lim
x+g(x) = +.
Si fgsur Iet lim
x+g(x) = −∞, alors lim
x+f(x) = −∞.
Supposons que J=] − ∞, b[⊂ Df∩ Dg.
Si fgsur Jet lim
x→−∞ f(x) = +, alors lim
x→−∞ g(x) = +.
Si fgsur Jet lim
x→−∞ g(x) = −∞, alors lim
x→−∞ f(x) = −∞.
Exemples :
Etudier la limite en 0 de cos(x)/x : cos(x)1/2 sur I=]0, π/3] et donc cos(x)/x 1
2xsur I.
Limite en +de f(x) = x+ sin x
2x+ 1 : ´ecrire f(x) = 1 + (sin(x)/x)
2 + 1/x .
32 CHAPITRE 5. FONCTION D’UN VARIABLE R ´
EELLE : LIMITE, CONTINUIT ´
E
5.9 Limites de fonctions monotones
Proposition : Soit fune fonction num´erique croissante sur I⊂ Df, un intervalle ouvert R. Alors fadmet une
limite `a gauche et `a droite finie en tout point de I. De plus, si I=]α, +[, fadmet une limite `a gauche (finie
ou non) en +et si I=] − ∞, α[, fadmet une limite `a droite (finie ou non) en −∞.
D´emonstration
Remarque : Si fest ecroissante, alors fest croissante, et on peut appliquer la proposition pr´ec´edente.
5.10 Continuit´e
D´efinition : Soient fune fonction num´erique et I⊂ Dfun intervalle. Soit cI, on dit que fest continue en csi
fadmet f(c) pour limite en c.
fest continue sur Isi elle est continue en tout point de I.
On dira que fest continue `a gauche en csi fadmet f(c) pour limite `a gauche en cet que fest continue `a droite
en csi fadmet f(c) pour limite `a droite en c(quand les limites `a gauche et `a droite sont d´efinies).
Remarque : On ne d´efinit donc la continuit´e qu’en des points en lesquels la fonction fest d´efinie.
Exercice : Soit fune fonction d´efinie sur ]a, b[, continue en x0]a, b[ et telle que f(x0)>0. Montrer qu’il existe un
intervalle ]c, d[ inclus dans ]a, b[ et contenant x0tel que fest strictement positive sur ]c, d[.
D´emonstration
5.11 Lien avec les suites
Proposition : Soit cR,fest continue en csi et seulement si pour toute suite (xn, n N) d’´el´ements de A
convergeant vers c, la suite (f(xn), n N) converge vers f(c).
fest continue `a gauche (resp. limite `a droite) en csi et seulement si pour toute suite (xn, n N) d’´el´ements de
Atelle que pour tout nN,xnc(resp. xnc), convergeant vers c, la suite (f(xn), n N) converge vers
f(c).
5.12 Prolongement par continuit´e
D´efinition : Supposons que A= (a, c[]c, b)⊂ Df,ceel. On dit que fest prolongeable par continuit´e en csi f
admet une limite finie len c.
Supposons maintenant que Df=]c, b) (resp. Df= (a, c[), ceel. On dit que fest prolongeable par continuit´e en
csi fadmet une limite finie l`a droite (resp. `a gauche) en c.
Dans les deux cas, on dira que l’on prolonge fpar continuit´e si l’on construit une nouvelle fonction ¯
f´egale `a f
sur Aet telle que ¯
f(c) = l.
5.13 Comment d´emontrer la continuit´e d’une fonction
Th´eor`eme : Soient fet gdeux fonctions num´eriques telles que A=Df∩ Dg6=. On suppose que fet gsont
continues au point aA. Alors les fonctions f+get fg sont continues au point a. Il en est de mˆeme de f/g si
g(a)6= 0.
Corollaire : Toute fonction polynˆome `a variable r´eelle est continue sur R. Toute fonction rationnelle d’une variable
eelle est continue sur son ensemble de d´efinition.
Rappel : Une fonction rationnelle est un quotient de deux polynˆomes.
Proposition : Les foncions sin, cos, tan, cotan sont continues sur leur domaine de efinition.
Th´eor`eme : Soient Aet Bdeux intervalles de R. Soient f:ABet g:BRtelles que A⊂ Dfet B⊂ Dg. Si
fest continue en aAet si gest continue en f(a), alors gfest continue en a.
Si fest continue sur Aet gcontinue sur B, alors gfest continue sur A.
Exemple : Etudier l’ensemble de d´efinition et la continuit´e des fonctions g(x) = cos(sin(x)), h(x) = cos(3x2x).
1. sin et cos sont d´efinies sur Rdonc Dg=R. sin : R[1,1] et cos : R[1,1] et ces deux fonctions sont
continues donc gest continue sur R.
2. P(x) = 3x2xet cos sont d´efinies sur Rdonc Dh=R.
P:RRet cos : R[1,1] et ces deux fonctions sont continues donc hest continue sur R.
Th´eor`eme : Si fest bijective et continue d’un intervalle Idans un intervalle J, alors f1est continue sur J.
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