Math´ematiques 1
Devoir maison n1
Exercice 1. Soit fd´efinie sur Rpar
f(x) =
1exsi x < 0
0 si x= 0
ex1
ex+ 1 si x > 0
Sur ] − ∞,0[ la fonction fest la somme de deux fonctions continues, elle est donc continue sur
],0[. Sur ]0,+[ la fonction fest le quotient de deux fonctions continues dont le d´enominateur
ne s’annule pas. En effet pour chaque x > 0, ex+ 1 >1. Ainsi fest continue sur ]0,+[. Comme
limx0ex= 1, on a
lim
x0
f(x) = lim
x0
1ex= 0
et
lim
x0+f(x) = 1
2lim
x0+ex1 = 0.
Ainsi les limites `a gauche et `a droite de 0 co¨ıncident avec f(0), i.e. la fonction fest continue en 0.
Sur ] − ∞,0[ la fonction fest la somme de deux fonctions d´erivables, elle est donc d´erivable
sur ] − ∞,0[ et
x]− ∞,0[, f0(x) = ex.
En particulier, pour chaque x]− ∞,0[, f0(x)<0. Ainsi la fonction fest strictement d´ecroissante
sur ] − ∞,0[. Comme
lim
x→−∞ f(x) = 1 et lim
x0
f(x) = 0
on obtient que fealise une bijection de ] − ∞,0[ sur ]0,1[.
Sur ]0,+[ la fonction fest le quotient de deux fonctions d´erivables dont le d´enominateur ne
s’annule pas, elle est donc d´erivable sur ]0,+[ et
x]0,+[, f0(x) = 2ex
(ex+ 1)2.
En particulier, pour chaque x]0,+[, f0(x)>0. Ainsi la fonction fest strictement croissante
sur ]0,+[. Comme
lim
x+f(x) = lim
x+
1ex
1 + ex= 1 et lim
x0+f(x) = 0
on obtient que fealise une bijection de ]0,+[ sur ]0,1[.
1
Fixons ydans ]0,1[. Comme fr´ealise une bijection de ] − ∞,0[ sur ]0,1[, il existe un (unique)
r´eel x1dans ] − ∞,0[ tel que f(x1) = y. Mais on sait aussi que fealise une bijection de ]0,+[
sur ]0,1[, il existe donc un r´eel x2dans ]0,+[ tel que f(x2) = y. Comme x1<0 et x2>0, alors
x1est diff´erent de x2.
On a ainsi 1 ex1=ydonc 1 y=ex1. Comme y]0,1[, on peut composer par ln pour
obtenir
x1= ln(1 y).
On a aussi ex21
ex2+ 1 =y
donc ex21 = y(ex2+ 1), i.e. ex2(1 y) = 1 + y. Comme y]0,1[, on peut diviser par 1 ypour
obtenir ex2= (1 + y)/(1 y). Comme ex2>0 on peut composer par ln pour obtenir
x2= ln 1 + y
1y.
Pour ´etudier la d´erivabilit´e de fen 0, on ´etudie la limite `a gauche et `a droite du taux d’accroissement.
A gauche de 0, on a
lim
x0
f(x)f(0)
x0=lim
x0
ex1
x=(exp)0(0) = 1.
A droite de 0, on a
lim
x0+
f(x)f(0)
x0= lim
x0+
1
ex+ 1 ×lim
x0+
ex1
x=1
2×(exp)0(0) = 1
2.
Les d´eriv´ees `a droite et `a gauche de 0 du taux d’accroissement ne co¨ıncident pas, la fonction f
n’est donc pas d´erivable en 0.
Exercice 2. On consid`ere la fonction fd´efinie sur D=] − ∞,1[]1,+[ par
f(x) = 1
1 + x.
La fonction fest le quotient de deux fonctions Cdont le d´enominateur ne s’annule pas sur D.
Ainsi la fonction fest Csur D. En calculant les d´eriv´ees successives, on obtient :
f0(x) = 1
(1 + x)2, f(2)(x) = 2
(1 + x)3et f(3)(x) = 2×3
(1 + x)4.
Pour chaque entier nN, notons P(n) la propri´et´e suivante
P(n) : x∈ D, f(n)(x) = (1)nn!
(1 + x)n+1 .
La d´emonstration par r´ecurrence se fait en trois ´etapes :
Initialisation : D’apr`es ce qui pr´ec`ede, P(1) est vrai (en fait P(2) et P(3) aussi).
2
er´edit´e : Soit nun entier non-nul. Supposons que P(n) est vrai et montrons qu’alors P(n+ 1)
est vrai. Comme P(n) est vrai, on a
x∈ D, f(n)(x) = (1)nn!
(1 + x)n+1 .
On peut d´eriver la fonction f(n)
f(n+1)(x) = [f(n)]0(x) = (1)nn!×(1)(n+ 1)
(1 + x)n+2 =(1)n+1(n+ 1)!
(1 + x)n+2 .
Ainsi la propri´et´e P(n+ 1) est vrai.
Conclusion : On a montr´e les r´esultats suivants
P(1) est vrai et nN,P(n) =⇒ P(n+ 1).
Par principe de r´ecurrence, on donc que P(n) est vrai pour tout nN.
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