Chapitre 2 : Limites et fonctions continues
1 Généralités sur les fonctions
Définitions Soient fURet gURdeux fonctions définies sur une même partie Ude R.
.fgsi xUf(x)g(x).
.f0si xUf(x)0.
.f>0si xUf(x)>0.
.fest dite constante sur Usi R∶∀xU, f (x)=.
.fest nulle sur Usi xU, f(x)=0.
.fest majorée si MR∶∀xU, f (x)M.
.fest minorée si mR∶∀xU, f (x)m.
.fest bornée si m, M R∶∀xU, m f(x)M.
(ou de façon équivalente : AR+∶∀xU, f(x)A).
.fest paire si xU, f(x)=f(x).
.fest impaire si xU, f(x)=f(x).
.fest croissante sur Usi x, y U, x yf(x)f(y).
.fest strictement croissante sur Usi x, y U, x <yf(x)<f(y).
.fest décroissante sur Usi x, y U, x yf(x)f(y).
.fest strictement décroissante sur Usi x, y U, x <yf(x)>f(y).
.fest monotone sur Usi fest croissante ou décroissante sur U.
.fest strictement monotone sur Usi fest strictement croissante ou strictement décroissante sur U.
2 Limites
Définitions Soient fIRune fonction définie sur un intervalle Ide R,x0Iet `R.
lim
xx0
f(x)=`>0,>0∶∀xI,xx0<f(x)`<.
lim
xx0
f(x)=+A>0,>0∶∀xI,xx0<f(x)>A.
lim
xx0
f(x)=−∞ A>0,>0∶∀xI,xx0<f(x)<A.
lim
x+f(x)=`>0,B>0∶∀xI,x >Bf(x)`<.
lim
x−∞ f(x)=`>0,B>0∶∀xI,x <Bf(x)`<.
lim
x+f(x)=+A>0,B>0∶∀xI,x >Bf(x)>A.
lim
x+f(x)=−∞ A>0,B>0∶∀xI,x >Bf(x)<A.
lim
x−∞ f(x)=−∞ A>0,B>0∶∀xI,x <Bf(x)<A.
lim
x−∞ f(x)=+A>0,B>0∶∀xI,x <Bf(x)>A.
lim
xx+
0
f(x)=`>0,>0∶∀xI, x0<x<x0+f(x)`<.
lim
xx
0
f(x)=`>0,>0∶∀xI, x0<x<x0f(x)`<.
1
Proposition Si fadmet pour limite `en x0, alors ses limites à droite et à gauche coincident
lim
xx+
0
f(x)=lim
xx
0
f(x)=`.
Contraposée : Si fadmet des limites à droite et à gauche de x0différentes, alors elle n’admet
pas de limite en x0.
Proposition Si une fonction a
une limite, alors cette limite est
unique.
Proposition
. Si fg, si lim
xx0
f(x)=`Ret si lim
xx0
g(x)=`Ralors ``.
. Si fget si lim
xx0
f(x)=+alors lim
xx0
g(x)=+.
.Théorème des gendarmes :
Si fghet si lim
xx0
f(x)=lim
xx0
h(x)=`Ralors lim
xx0
g(x)=`.
3 Continuité
Définitions Soient Iun intervalle de Ret fIRune fonction.
On dit que fest continue en un point x0Isi x0Iet
>0,>0∶∀xI,xx0<f(x)f(x0)<.
On dit que fest continue sur Isi fest continue en tout point de I.
On dit que fest prolongeable par continuité en x0si fadmet une limite finie en x0.
Notons `=lim
xx0
f(x). On définit alors la fonction ˜
fIRen posant pour tout xI
˜
f(x)=f(x)si xx0
`si x=x0
Alors ˜
fest continue en x0et s’appelle le prolongement par continuité de fen x0.
Proposition Soient fIRune fonction définie sur un intervalle Ide Ret x0un point de I.
Si fest continue en x0et si f(x0)0alors il existe >0tel que
x]x0,x
0+[,f(x)0.
4 Suites et continuité
Proposition Soient fIRune fonction définie sur un intervalle Ide Ret x0un point de I.
Alors
f est continue en x0pour toute suite (un)nNqui converge vers x0
la suite (f(un))nNconverge vers f(x0).
2
Définition (Suite récurrente)
Soit Iun intervalle de Ret fIIune application. Toute suite définie par
u0donné dans I
un+1=f(un),nN,
est appelée suite récurrente.
Théorème Soient Iun intervalle de Ret fIIune application continue sur I. Si la suite
récurrente (un)nNdéfinie par
u0donné dans I
un+1=f(un),nN,
converge vers `I, alors `est solution dans Ide l’équation f(`)=`.
Remarque Si l’équation f(x)=xn’a pas de solution dans I, alors (un)nNne converge pas.
Définition (Point fixe)
Soient Iun intervalle de Ret fIIune application. Toute solution dans Ide l’équation f(x)=x
est appelée point fixe de f.
Définitions (Applications lipschitziennes et contractantes)
Soient Iun intervalle de Ret fIR. On dit que fest k-lipschitzienne sur Is’il existe k]0,+[
tel que x, y I, f(x)f(y)kxy.
L’application est dite contractante lorsque l’on peut choisir k]0,1[.
Proposition Soient −∞ <a<b<+et f[a, b]Rune application de classe C1sur [a, b]
(c’est à dire fet fsont continues sur [a, b]). Alors fest k-lipschitzienne pour
k=sup
x[a,b]f(x).
Théorème Soient a, b R,Iun intervalle de la forme [a, b],[a, +[,]−∞,b]ou ]−∞,+[et
fIIune application contractante. Alors
1. fadmet un unique point fixe `I.
2. Pour tout u0I, la suite (un)nNdéfinie par récurrence
u0I
un+1=f(un),nN,
converge vers `.
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5 Le théorème des valeurs intermédiaires
Théorème (Théorème des valeurs intermédiaires)
Soit f[a, b]Rune fonction continue sur un segment. Alors pour tout ycompris entre f(a)et
f(b), il existe c[a, b]tel que f(c)=y.
Corollaire Soit f[a, b]Rune fonction continue sur un segment.
Si f(a)×f(b)<0alors il existe c]a, b[tel que f(c)=0.
Corollaire Soit fIRune fonction continue sur un intervalle I. Alors f(I)est un inter-
valle.
Théorème Soit f[a, b]Rune fonction continue sur un segment. Alors
m, M Rf([a, b])=[m, M].
Autrement dit, l’image d’un segment par une fonction continue est un segment.
6 Fonctions monotones et bijections
Définitions Soit fEFune fonction où Eet Fsont des parties de R.
fest injective si x, xE, f(x)=f(x)x=x.
fest surjective si yF, xEy=f(x).
fest bijective si elle est injective et surjective c’est à dire si yF, !xEy=f(x).
Proposition Si fEFest une fonction bijective alors il existe une unique application gFE
telle que gf=IdEet fg=IdF. La fonction gest appelée bijection réciproque de fet se note f1.
Théorème (Théorème de la bijection)
Soit fIRune fonction définie sur un intervalle Ide R. Si fest continue et strictement
monotone sur Ialors
1. fétablit une bijection de l’intervalle Idans l’intervalle image J=f(I)={f(x),xI}.
2. La fonction réciproque f1JIest continue et strictement monotone sur Jet elle a le
même sens de variation que f.
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