Christophe Bertault — Mathématiques en MPSI
LIMITES DUNE FONCTION
Les fonctions qu’on étudie en analyse sont souvent définies sur des intervalles, mais souvent aussi sur des réunions
d’intervalles comme Rou [0, 1[[2, 3]. Dans ce chapitre, pour simplifier, les lettres D,E. . . désigneront toujours des réunions
finies d’intervalles — mais on pourrait généraliser à certaines réunions infinies d’intervalles comme iπ
2,π
2h+πZ.
Définition (Adhérence d’une partie dans R)On appelle adhérence de D dans Ret on note Dl’ensemble des xRqui
sont la limite d’une suite d’éléments de D.
Explication Dn’est jamais que l’ensemble Dauquel on a ajouté ses « bornes », sa « frontière ».
Exemple [0, 1[ = [0, 1],]0, +[ = [0, +],R=Ret ]0, 1]]2, 3[ = [0, 1][2, 3].
Définition (Propriété vraie au voisinage d’un point) Soient f:DRune fonction et aD. On dit que fvérife
une certaine propriété Pau voisinage de a si fvérifie la propriété Psur DV pour un certain voisinage Vde a.
Exemple La fonction sinus est croissante au voisinage de 0 et la fonction cosinus minorée par 1
2au voisinage de 0.
1DÉFINITIONS DE LA LIMITE DUNE FONCTION
1.1 LIMITE DUNE FONCTION EN UN POINT
Définition (Limite d’une fonction en un point) Soient f:DRune fonction, aDet R. On dit que f admet
pour limite en a si : pour tout voisinage Vde , il existe un voisinage Vade asur lequel : f(x)∈ V.
a
∃Va
∀V
lim
af=avec Ret aR∃V+
∀V+
lim
+f= +
∃V+
∀V
lim
+f=avec R
a∃Va
∀V+
lim
af= +avec aR
a
∃Va
∀V
lim
af=avec Ret aR
a∃Va
∀V+
lim
af= +
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Christophe Bertault — Mathématiques en MPSI
Théorème (Unicité de la limite) Soient f:DRune fonction et aD.
(i) Si fpossède une limite en a, elle est unique et notée : lim
afou lim
xaf(x).
Pour tout R, la relation : lim
af=est souvent notée : f
aou f(x)
xa.
(ii) SIaDet si fpossède une limite en a, alors : lim
af=f(a).
Explication Pour l’assertion (ii) :
a
f(a)
fest définie en a
et : lim
af=f(a).
a
f(a)
fest définie en a
mais lim
afn’existe pas.
Nous verrons cela dit
que : lim
af=lim
a+f.
Démonstration
(i) Par l’absurde, faisons l’hypothèse que fpossède deux limites et DISTINCTES. Il existe alors un
voisinage Vde et un voisinage Vde DISJOINTS. Or par hypothèse sur f, il existe deux voisinages
Vaet V
ade apour lesquels : xDVa,f(x)∈ Vet xDV
a,f(x)∈ V.
Or : DVaV
a6=, et pour tout xDVaV
a:f(x)∈ VValors que nous avons choisi
Vet Vdisjoints contradiction !
(ii) Faisons l’hypothèse que fest définie en a, i.e. que : aD, et possède une limite en a.
Peut-on avoir : = +? Il existerait alors un voisinage Vade asur lequel : f(x)f(a),+.
Pour x=a, on aurait en particulier : f(a)f(a),+— contradiction. On pourrait montrer de
même que : 6=−∞. Conclusion : R.
Pour tout ǫ > 0, il existe ainsi par hypothèse un voisinage V
ade asur lequel : f(x)]ǫ,+ǫ[.
En particulier, pour x=a:ǫ > 0,
f(a)
< ǫ. Sous l’hypothèse que : 6=f(a), ce
résultat est contradictoire pour : ǫ=
f(a)
2, donc forcément : =f(a).
Définition (Les 9 limites) Soient f:DRune fonction, aDet R.
Cas où Ret aR:
lim
af=⇒ ∀ǫ > 0, α > 0/xD,|xa|< α =
f(x)
< ǫ.
Cas où = +et a= +:
lim
+f= + ⇒ ∀A>0, B>0/xD,x>B=f(x)>A.
Cas où =−∞ et a= +:
lim
+f=−∞ ⇒ ∀A<0, B>0/xD,x>B=f(x)<A.
Cas où = +et a=−∞ :
lim
−∞ f= + ⇒ ∀A>0, B<0/xD,x<B=f(x)>A.
Cas où =−∞ et a=−∞ :
lim
−∞ f=−∞ ⇒ ∀A<0, B<0/xD,x<B=f(x)<A.
Cas où Ret a= +:
lim
+f=⇒ ∀ǫ > 0, B>0/xD,x>B=
f(x)
< ǫ.
Cas où Ret a=−∞ :
lim
−∞ f=⇒ ∀ǫ > 0, B<0/xD,x<B=
f(x)
< ǫ.
Cas où = +et aR,a/D:
lim
af= + ⇒ ∀A>0, α > 0/xD,|xa|< α =f(x)>A.
Cas où =−∞ et aR,a/D:
lim
af=−∞ ⇒ ∀A<0, α > 0/xD,|xa|< α =f(x)<A.
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En pratique Inégalités STRICTES ou inégalités LARGES, choisissez ce que vous préférez.
Exemple lim
x1
x+2
px1= +.
En effet Nous devons montrer que : A>0, α > 0/x]1, +[,|x1|< α =x+2
px1>A.
Soit A>0. Pour tout x]1, +[, minorons : x+2
px1¾3
px1¾1
px1.
On minore en SIMPLIFIANT et en vérifiant
que ce par quoi on minore TEND TOU-
JOURS VERS +quand xtend vers 1.
On arrête de minorer quand on
se sent capable de trouver α.
Or : 1
px1>Apx1<1
A⇒ |x1|<1
A2. Posons donc : α=1
A2.
D’après ce qui précède : x]1, +[,|x1|< α =1
px1>A.
Exemple lim
x+
x2
x2+1=1.
En effet Nous devons montrer que : ǫ > 0, B>0/xR,x>B=
x2
x2+11
< ǫ.
Soit ǫ > 0. Pour tout xR, majorons :
x2
x2+11
=1
x2+11
x2.
On majore en SIMPLIFIANT et en vérifiant
que ce par quoi on majore TEND TOU-
JOURS VERS 0 quand xtend vers +.
On arrête de majorer quand on
se sent capable de trouver B.
Or pour tout x>0 : 1
x2< ǫ x>1
pǫ. Posons donc : B=1
pǫ.
D’après ce qui précède : xR,x>B=
x2
x2+11
< ǫ.
Exemple lim
x+x2x= +.
En effet Nous devons montrer que : A>0, B>0/xR,x>B=x2x>A.
Soit A>0. Pour tout x¾2, comme x1¾1 : x2x=x(x1)¾x.
On minore en SIMPLIFIANT et en vérifiant
que ce par quoi on minore TEND TOU-
JOURS VERS +quand xtend vers +.
On arrête de majorer quand on
se sent capable de trouver B.
Posons donc : B=max ¦2, A©. D’après ce qui précède : xR,x>B=x2x>A.
Théorème (Limite finie et caractère localement borné) Soient f:DRet aD.
Si fpossède une limite FINIE en a, alors fest bornée au voisinage de a.
Démonstration Par hypothèse, il existe un voisinage Vade asur lequel :
f(x)
<1. En particulier :
f(x)
=
f(x)+
f(x)
+||||+1, donc fest bornée sur DVa.
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1.2 LIMITES DUNE FONCTION À GAUCHE/À DROITE EN UN POINT
Définition-théorème (Limite d’une fonction à gauche/à droite en un point) Soient f:DRune fonction, aD
et R. On suppose fdéfinie au voisinage de aà gauche et à droite.
On dit que f admet pour limite à gauche en a si f
D]−∞,a[admet pour limite en a. En tant que limite, la limite
de fen aà gauche, si elle existe, est unique et notée : lim
afou lim
xaf(x)ou lim
xa
x<a
f(x).
Plus concrètement : lim
af=si :
Cas où R:ǫ > 0, α > 0/xD,aα < x<a=
f(x)
< ǫ.
Cas où = +:A>0, α > 0/xD,aα < x<a=f(x)>A.
Cas où =−∞ :A<0, α > 0/xD,aα < x<a=f(x)<A.
On définit de même la notion de limite à droite. Par exemple, dans le cas où R: lim
a+f=si :
ǫ > 0, α > 0/xD,a<x<a+α=
f(x)
< ǫ.
Exemple lim
x0+
1
x= +.
En effet Soit A>0. Nous cherchons α > 0 tel que : x]0, α[,1
x>A.
Or pout tout x>0 : 1
x>Ax<1
A. Nous pouvons donc choisir : α=1
A.
Théorème (Caractérisation de la limite à l’aide des limites à gauche/à droite) Soient f:DRune fonction,
aDet R. On suppose fdéfinie au voisinage de aà gauche et à droite.
(i) Si aD: lim
af=lim
af=lim
a+f=et =f(a).
(ii) Si a/D: lim
af=lim
af=lim
a+f=.
Explication Pour bien comprendre la condition « et =f(a)», jetez un œil aux deux figures de la page 2.
Démonstration Montrons seulement (i).
Si : lim
af=, nous savons déjà que : =f(a). On obtient le résultat : lim
af=lim
a+f=par
simple restriction du domaine à D]−∞,a[et D]a,+[dans la définition de la limite : lim
af=.
Réciproquement, supposons qu’on ait : lim
af=lim
a+f==f(a)— en particulier : R. Nous
voulons montrer que : lim
af=. Soit ǫ > 0. Il existe α>0 et α+>0 tels que pour tout xD:
aα<x<a=
f(x)
< ǫet a<x<a+α+=
f(x)
< ǫ.
Posons : α=min ¦α,α+©et donnons-nous xDtel que |xa|< α, i.e. aα < x<a+α. Alors :
si aα < x<a, on a en fait : aα<x<a, donc :
f(x)
< ǫ,
si x=a:
f(x)
=
f(a)
=0< ǫ,
si a<x<a+α, on a en fait : a<x<a+α+, donc :
f(x)
< ǫ.
Dans tous les cas :
f(x)
< ǫ, c’est terminé.
Exemple On note fla fonction x7−§exsi x¾0
1xsi x<0de Rdans R. Alors : lim
0f=1.
En effet Puisque : lim
x0(1x) = 1 et lim
x0+ex=1, ET PUISQUE :f(0) = 1, alors : lim
x0f(x) = 1.
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2MANIPULATION DES LIMITES
2.1 OPÉRATIONS SUR LES LIMITES
Il se passe avec les fonctions la même chose qu’avec les suites pour les opérations de somme, produit, multiplication par
un scalaire et inverse — en particulier, mêmes formes indéterminées. Pour ne pas perdre de temps inutilement, nous ne nous
arrêterons pas davantage sur ces résultats, refaites un tour du côté des suites.
Théorème (Composition de limites) Soient f:DEet g:ERdeux fonctions, aD,bEet cR.
Si : lim
af=bet si : lim
bg=c, alors : lim
agf=c.
Démonstration Soit Vcun voisinage de c.
Comme lim
bg=c, il existe un voisinage Vbde bpour lequel : xEVb,g(x)∈ Vc, et comme lim
af=b,
il existe un voisinage Vade apour lequel : xD Va,f(x)∈ Vb.
Par composition : xDVa,gf(x)∈ Vc. Comme voulu : lim
agf=c.
Va
D
3
. . . et donc aussi un voisinage Vade a
que fenvoie dans Vb.
VbE
2. . . il existe un voisinage Vbde b
que genvoie dans Vc...
Vc
1Pour tout voisinage Vcde c...
4Finalement gfenvoie Vadans Vcd’un coup d’un seul.
fg
gf
a
b
c
Exemple lim
x+ln e2x+1
(ex+1)2=0.
En effet AU BROUILLON :x7−ex=y7−y2+1
(y+1)2=z7−ln z. Une fois qu’on a fait ça, c’est facile,
on n’a plus qu’à remarquer que : lim
x+ex=0, lim
y0
y2+1
(y+1)2=1 et lim
z1ln z=0.
2.2 PASSAGE À LA LIMITE DANS LES INÉGALITÉS
Théorème (Limites et inégalités strictes) Soient f:DRune fonction, aDet m,MR.
(i) Si lim
af<M, alors : f(x)<Mau voisinage de a.
(ii) Si lim
af>m, alors : f(x)>mau voisinage de a.
Démonstration Nous prouverons seulement (ii). Posons : =lim
af. Si : = +, il existe un
voisinage Vade asur lequel : f(x)]m,+[. Si au contraire R, sachant que : m>0 par
hypothèse, il existe un voisinage Vade asur lequel : f(x)](m),+ (m)[ ]m,+[. Dans
les deux cas : f(x)>mau voisinage de a.
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