LEÇON 14 THÉORÈME DES ACCROISSEMENTS FINIS - APPLICATIONS Le plan affine euclidien P est rapporté au repère orthonormé (O,~ı, ~ ). I. Théorème des accroissements finis Théorème 1.1. Soit f : [a, b] −→ R, continue sur [a, b], dérivable sur ]a, b[. Alors il existe un réel c ∈ ]a, b[ tel que : f (b) − f (a) = f 0 (c)(b − a) Lemme 0.1 (Théorème de Rolle). Soit f : [a, b] −→ R, continue sur [a, b], dérivable sur ]a, b[ et vérifiant f (a) = f (b). Alors il existe un réel c ∈ ]a, b[ tel que f 0 (c) = 0. Interprétation géométrique : Il existe au moins un point de ]a, b[ où la tangente à la courbe Cf est parallèle à la droite (AB), avec A = a, f (a) et B f (b) f (a) A Cf O a b B = b, f (b) . 14. Théorème des accroissements finis - Applications Fabien PUCCI Théorème des accroissements finis - Applications 2 Remarques: Le théorème des accroissement finis se généralise pour une fonction de classe C n sous la forme du théorème de Taylor-Lagrange : ∃c ∈]a, b[, n f (b) − f (a) = (b − a)f 0 (a) + . . . + n+1 (b − a) (n) (b − a) f (a) + f (n+1) (c). n! (n + 1)! Corollaire 2.2. Soit f : [a, b] 7−→ R continue sur f (b) [a, b] et dérivable sur ]a, b[. S’il existe deux réels m, M tels que : ∀x ∈ ]a, b[, II. Inégalité des accroissements finis II.1 Fonctions à valeurs dans R Théorème 2.1. Soient f et g deux fonctions à valeurs dans R, définies et continues sur [a, b], dérivables sur ]a, b[. Si, pour tout t ∈]a, b[, f 0 (t) 6 g 0 (t) alors, pour tout couple (x, y) ∈ [a, b]2 tel que x < y : (D 0 ) Cf * 0 m 6 f (x) 6 M. Alors on a : m6 (∆0 ) (∆) f (b) − f (a) 6 M. b−a (M ) (m) f (a) O (D) a b Interprétation géométrique : Notons Cf la courbe représentative de f sur [a, b]. Soit x ∈ [a, b]. x > a ⇒ m(x − a) + f (a) 6 f (x) 6 M(x − a) + f (a), x 6 b ⇒ M(x − b) + f (b) 6 f (x) 6 m(x − b) + f (b). On note (D) : y = m(x − a) + f (a), (D 0 ) : y = m(x − b) + f (b), (∆) : y = M(x − a) + f (a) et (∆0 ) : y = M(x − b) + f (b). Dans ce cas, Cf est comprise dans le parallélogramme délimité par ces quatre droites. f (y) − f (x) 6 g(y) − g(x). Corollaire 2.3. Soit f : [a, b] − 7 → R continue sur [a, b] et dérivable sur ]a, b[. S’il existe un réel k > 0 tel que : ∀x ∈ ]a, b[, |f 0(x)| 6 k alors on a : 1 Applications : ∀x ∈ − , +∞ , ln(1 + x) − x 6 x2 . 2 Fabien PUCCI |f (b) − f (a)| 6 k|b − a|. (14.1) 14. Théorème des accroissements finis - Applications III. Applications 3 Les fonctions vérifiant l’inégalité 14.1 sont dites k-lipschitzienne. Sans être nécessairement dérivables, elles sont continues. III. Applications III.1 Etude de fonctions Théorème 3.1. II.2 n Fonctions à valeurs dans R Lorsque les applications sont à valeurs dans un R-evn, le théorème des accroissements finis 1.1 n’est plus vrai comme le montre l’application f : [0, 2π] −→ C qui vérifie f (0) = f (2π) sans que f 0 (t) = ieit t 7−→ eit ne soit jamais nul sur [0, 2π]. Par contre, les inégalités du type de 14.1 subsistent : Soit f : [a, b] −→ R une fonction continue sur [a, b] et dérivable sur ]a, b[. On suppose que f 0 (x) > 0 sur ]a, b[. Alors, pour tout x ∈ [a, b], on a : f (x) > f (a). Corollaire 3.2. Soit f : [a, b] −→ R une fonction continue sur [a, b] et dérivable sur ]a, b[. Si f 0 > 0 sur ]a, b[ si et seulement si f est croissante sur [a, b]. Théorème 2.4. Soit F : [a, b] 7−→ E une application à valeurs dans un R-evn continue sur [a, b], dérivable sur ]a, b[. S’il existe k > 0, tel que kF 0 (t)k 6 k pour tout t ∈]a, b[ alors : kF (b) − F (a)k 6 k|b − a|. Théorème 3.3 (Darboux). Soit I un intervalle de R (non vide et non réduit à un point). Soit f une application dérivable sur I. Alors f 0 vérifie la propriété des valeurs intermédiaires : ∀(a, b) ∈ I 2 , f 0 prend toute valeur intermédiaire comprise entre f 0 (a) et f 0 (b). Corollaire 2.5. Soit F : [a, b] 7−→ E une application continue, dérivable sur ]a, b[ telle que lim f 0 (t) = `. Alors F est dérivable en a et F 0 (a) = `. x→a x>a 14. Théorème des accroissements finis - Applications Remarque: f 0 n’est pas, a priori, supposée continue et c’est très loin d’être le cas ! Fabien PUCCI Théorème des accroissements finis - Applications 4 III.2 Encadrements En sommant, on trouve alors • Soit f : R −→ R définie par f (x) = cos(x), continue et dérivable sur R. Pour tout réel x, f 0 (x) = − sin(x) ⇒ |f 0 (x)| 6 1. Donc, par le corollaire 2.3, on a : n X 1 1 6 ln(n + 1) 6 k=1 k k=1 k + 1 1 un − 1 + 6 ln(n + 1) 6 un n+1 n X ∀x, y ∈ R, cos(x) − cos(y) 6 |x − y| De même, pour tous x, y ∈ R, sin(x) − sin(y) 6 |x − y|. √ √ • On cherche à encadrer 105. On considère f (x) = x sur [100, 105]. Alors 1 f 0 (x) = √ 2 x ⇒ 1 1 1 1 6 √ 6 f 0 (x) 6 √ = . 22 20 2 105 2 100 D’après le théorème 2.2, on obtient donc √ √ 1 1 (105 − 100) 6 105 − 100 6 (105 − 100) 22 20 √ 5 5 + 10 6 105 6 + 10 22 20 √ 10, 227 6 105 6 10, 25. III.3 • n X Nature de certaines suites 1 k=1 k ∼ n→+∞ ln n. ln(n + 1) III.4 6 un 6 ln(n + 1) + 1 − 1 . n+1 Point fixe Théorème 3.4. Soient f : [a, b] −→ R continue sur [a, b] et dérivable sur ]a, b[, et k ∈ ]0, 1[. On suppose que f [a, b]) ⊂ [a, b]. Si l’on a |f 0(x)| 6 k pour tout x ∈ ]a, b[, alors l’équation f (x) = x admet une unique solution x∗ dans [a, b]. x∗ est appelé point fixe de f . Corollaire 3.5. Si f est une fonction vérifiant les hypothèses du théorème 3.4, alors la suite définie par u0 ∈ [a, b] et pour tout n ∈ N, un+1 = f (un ) converge vers x∗ et l’on a la majoration de l’erreur pour tout n : n X 1 |un − x∗ | 6 k n |b − a|. et vn = ln(n) pour tout n ∈ N∗ . Posons f (x) = ln(x), k=1 k 1 de sorte que f 0 (x) = . Alors, si x ∈ [k, k + 1], x Applications : Déterminer une valeur approchée au millième, puis à 1 1 Co 2.2 1 1 1 6 6 6 ln(k + 1) − ln(k) 6 . ⇒ 10−4 près, de la solution de l’équation x3 + 4x − 1 = 0. k+1 x k k+1 k Soient un = Fabien PUCCI 14. Théorème des accroissements finis - Applications VI. Exercices IV. 5 Idées de développement Exercice 6.2: • Contrôle de l’erreur dans les méthodes approchées de calcul d’intégrales. (Simpson Go p 28) • Théorème de Darboux (dur !) V. Références Montrer que pour tous x, y ∈ R \ π 2 + πZ , tan(x) − tan(y) > |x − y|. Correction: On a : x2 > 0 ⇒ 0 < 1 6 1. x2 + 1 – Alain Pommellet, Agrégation de mathématiques - Cours d’analyse, Ellipses Or arctan0 (x) = 1/(x2 + 1), donc pour tous X, Y ∈ R, on a – Xavier Gourdon, Les maths en tête, Mathématiques pour M ∗ - ANA| arctan X − arctan Y | 6 |X − Y |. En prenant x et y de sorte que X = tan(x) et LYSE, Ellipses Y = tan(y), on arrive au résultat demandé : |x − y| 6 | tan x − tan y|. VI. Exercices Exercice 6.1: Exercice 6.3: 1 Montrer que ∀x ∈ − , +∞ , ln(1 + x) − x 6 x2 . 2 Dans l’application du théorème des accroissements finis à la fonction f (x) = αx2 + βx + γ sur l’intervalle [a, b] préciser le nombre « c » de ]a, b[. Donner une interprétation géométrique. 1 2 Correction: Pour x > − , posons f (x) = x − ln(1 + x). f vérifie les hypothèses x 6 2x. En posant g(x) = x2 , sur l’intervalle [0, x] : Correction: La fonction f est continue et dérivable sur R donc en particulier sur 1+x [a, b]. Le théorème des accroissement finis assure l’existence d’un nombre c ∈]a, b[ tel que f (b) − f (a) = f 0 (c)(b − a). 2 ln(1 + x) − x 6 x . Mais pour la fonction particulière de cet exercice nous pouvons expliciter ce c. En effet f (b) − f (a) = f 0 (c)(b − a) implique α(b2 − a2 ) + β(b − a) = (2αc + β)(b − a). Donc a+b Remarque: sur [0, +∞[, le même raisonnement conduit à 0 6 f 0 (t) 6 t puis à l’in- c = 2 . Géométriquement, le graphe P de f est une parabole. Si l’on prend deux points égalité : 2 x A = (a, f (a)) et B = (b, f (b)) appartenant à cette parabole, alors la droite (AB) est . 0 6 ln(1 + x) − x 6 a+b 2 parallèle à la tangente en P qui passe en M = ( a+b 2 , f ( 2 )). L’abscisse de M étant le milieu des abscisses de A et B. du théorème 2.3 avec f 0 (x) = 14. Théorème des accroissements finis - Applications Fabien PUCCI Théorème des accroissements finis - Applications 6 Exercice 6.4: Déterminer une valeur approchée au millième, puis à 10 la solution de l’équation x3 + 4x − 1 = 0. −4 16527169 ≈ 0, 246274 et |u3 − x∗ | 6 0, 000026 = 2, 6 · 10−5 . 67108864 Finalement, une valeur approchée à 10−4 près de x∗ est x∗ ≈ 0, 2462. Pour information, un logiciel de calcul formel donne x∗ ≈ 0, 246266 . . . On a aussi u3 = près, de Soient f et g deux fonctions continues sur [a, b] et dérivables sur ]a, b[. Soit ∆ : [a, b] → R . f (a) f (b) f (x) x 7→ g(a) g(b) g(x) 1 1 1 Correction: Pour tout entier naturel n, on définit la suite (un ) de la manière Exercice 6.5: suivante : ( u0 = 0 1 un+1 = (1 − un 3 ) ∀ n ∈ N. 4 1 1 On se place dans [a, b] = 0, et on y définit la fonction f (x) = (1 − x3 ). On 4 4 1 1 et vérifie que f (0) = ∈ 0, 4 4 1 1 1 1 63 1 f = 1− 3 = . ≈ 0, 246 ∈ 0, 4 4 4 4 64 4 3 3 1 3 1 ,0 = − ,0 , De plus, pour tout x ∈ 0, , on a : f 0 (x) = − x2 ∈ − 4 4 4 16 64 3 0 ce qui implique l’existence d’une constante k = ∈ ]0, 1[ telle que |f (x)| 6 k| pour 64 1 tout x ∈ 0, . D’après le corollaire 3.5, la suite (un ) converge donc vers une valeur 4 notée x∗ , qui est donc aussi solution de l’équation f (x) = x d’après le théorème 3.4, c’est-à-dire solution de l’équation donnée. Le corollaire 3.5 nous affirme aussi que pour tout entier naturel n, n 3 1 |un − x∗ | 6 k n |b − a| ⇐⇒ |un − x∗ | 6 . 64 4 1. Montrer que ∆ est continue sur [a, b], dérivable sur ]a, b[ et calculer sa dérivée. 2. En déduire qu’il existe c dans ]a, b[ tel que (g(b) − g(a))f 0 (c) = (f (b) − f (a))g 0 (c). Correction: En pensant à l’expression développée de ∆, on voit que ∆ est continue sur [a, b], dérivable sur ]a, b[ et vérifie ∆(a) = ∆(b)(= 0) (un déterminant ayant deux colonnes identiques est nul). Donc, d’après le théorème de Rolle, ∃c ∈]a, b[/ ∆0 (c) = 0. Mais, pour x ∈]a, b[, ∆0 (x) = f 0 (x)(g(a) − g(b)) − g 0 (x)(f (a) − f (b)) (dérivée d’un déterminant). L’égalité ∆0 (c) = 0 s’écrit : f 0 (c)(g(b) − g(a)) = g 0 (c)(f (b) − f (a)) ce qu’il fallait démontrer. Remarque: Ce résultat généralise le théorème des accroissements finis (g = Id « est » le théorème des accroissements finis.) On créé alors un programme sur la calculatrice prenant comme argument le premier 1 3 terme de la suite (ici, 0), l’expression de la fonction (ici, (1 − x ) et l’entier n, et la 4 fonction renverra les valeurs exacte et approchée de un , ainsi que sa distance théorique à la limite x∗ : 63 Les calculs donnent en fait : u2 = ≈ 0, 246094 et 256 2 2 1 1 1 3 3 6 = = 6, 25 · 10−4 . Par conséquent, on |u2 − x∗ | 6 64 2 60 4 1600 en déduit qu’une valeur approchée de x∗ au millième est x∗ ≈ 0, 246. Fabien PUCCI 14. Théorème des accroissements finis - Applications VI. Exercices 7 Preuves : 2. A partir d’une intégration : Preuve de 0.1: si f est constante, le résulat est clair. Sinon, il existe x0 ∈]a, b[ tel ⇒ que f (x0 ) > f (a) (par exemple). Comme [a, b] est compact, f y atteints ses bornes ⇒ m Z 6 1 dx 6 a m(b − a) 6 ⇐⇒ c’est-à-dire ∃c ∈ [a, b] tel que f (c) = sup f (x). Comme f (x) > f (x0 ) > f (a) = f (b), m b m 6 x∈[a,b] Z f 0 (x) 6 M b 0 f (x) dx a f (b) − f (a) f (b) − f (a) b−a 6 M Z b 1 dx a 6 M (b − a) 6 M. f (c) est donc un extremum de f atteint en un point c intérieur à [a, b] et on a f 0 (c) = 0. Preuve de 2.3: Simple réécriture du corollaire 2.2 avec M = −m = k. Preuve de 2.4: Posons ϕ : [a, b] −→ R . ϕ est continue sur F (b) − F (a) , F (t) t 7−→ b−a [a, b], dérivable sur ]a, b[ et on a : ϕ(x) = f (x) − A(x − a). F (x) − F (y) 0 0 ϕ est continue sur [a, b], dérivable sur ]a, b[ et vérifie ϕ(b) = ϕ(a). d’après le théorème , F (t) . ϕ (t) = x−y Preuve de 1.1: Posons A = f (b) − f (a) et ϕ la fonction définie sur [a, b] par b−a de Rolle, il existe c ∈ ]a, b[ tel que ϕ0 (c) = f 0 (c) − A = 0. D’après l’inégalité de Cauchy-Schwarz : Preuve de 2.1: On applique le théorème 1.1 à la fonction h = f − g. Il existe donc c ∈]a, b[ tel que h(x) − h(y) = h0 (c) = g 0 (c) − f 0 (c > 0. y−x Comme x < y, on obtient h(y) 6 h(x) c’est-à-dire f (y) − f (x) 6 g(y) − g(x). D’après le corollaire 2.3 appliqué à ϕ : Preuve de 2.2: Il suffit d’appliquer le théorème 2.1 en prenant g(t) = mt ou g(t) = M t. Autres preuves : 1. directement à partir du théorème 1.1 : f (b) − f (a) = f 0 (c)(b − a) avec Autres preuves : m 6 f 0 (c) 6 M . 14. Théorème des accroissements finis - Applications F (b) − F (b) 0 kF (t)k |ϕ (t)| 6 x−y F (b) − F (a) 6 k b−a 0 |ϕ(b) − ϕ(a)| kF (b) − F (a)k2 |b − a| kF (b) − (F (a)k F (b) − F (a) |b − a| 6 k b−a 6 k kF (b) − F (a)k 6 k|b − a|. Fabien PUCCI Théorème des accroissements finis - Applications 8 Lemme 6.1. Soient F : [a, b] 7−→ E une application à valeurs dans un R-evn et g : [a, b] 7−→ R deux applications continues sur [a, b], dérivables sur ]a, b[. Si, pout tout t ∈ [a, b], kF 0 (t)k 6 g 0 (t) pour tout t ∈]a, b[ alors : – Conclusion : c = b et kf (b) − f (a)k 6 g(b) − g(a) + ε(b − a) + ε. En passant à la limite pour ε → 0, on obtient le résultat cherché. Il suffit d’appliquer le lemme 6.1 pour g(t) = M t. kF (b) − F (a)k 6 g(b) − g(a). Preuve de 2.5: Quitte à changer F en F (t) − `t, on peut supposer ` = 0. Soit donc ε >, il existe c ∈]a, b[ tel que kF 0 (t)k < ε. D’après l’inégalité des accroissements finis, on a : Preuve de 6.1: Considérons un réel ε strictement positif. L’idée est de prouver que : F (t) − F (a) 6 ε. ∀t ∈]a, b[, t−a kf (b) − f (a)k 6 g(b) − g(a) + ε(b − a) + ε. Posons donc Aε = x ∈ [a, b] / kf (b) − f (a)k 6 g(b) − g(a) + ε(b − a) + ε . Par F (t) − F (a) lim = 0 et le résultat. continuité de f et g, Aε est une partie fermée non vide de R (elle contient a), majorée Donc x→a t−a x>a par b. Elle contient donc c = sup Aε . Il suffit donc de montrer que c = b. – Vérifions que Aε n’est pas réduit à a c’est-à-dire c > a. Comme f Preuve de 3.1: Soit x ∈ [a, b], d’après le théorème 1.1, il existe c ∈]a, x[ tel que : et g sont continue, il existe un réel strictement positif α tel que : ∀x ∈ [a, a+ α], |f (x)− f (a)k 6 g(x)− g(a)+ ε(x− a)+ ε c’est-à-dire c > a+ α > a. f (x) − f (a) > 0. f 0 (c) = x−a – Montrons maintenant que c = b. Supposons le contraire : c ∈]a, b[. Comme f est dérivable sur ]a, b[, elle l’est en c et on a : Comme x − a > 0, on en déduit immédiatement que f (x) > f (a). ε kf (c + h) − f (c)k 6 hkf 0 (c)k + hkε(h)k 6 h g 0 (c) + , Preuve de 3.2: Soit f croissante sur [a, b] c’est-à-dire ∀x, y ∈ [a, b] tels que x > y : 2 pour un h > 0 convenable. ε La dérivabilité de g s’écrit aussi : hg 0 (c) 6 g(c + h) − g(c) + . D’où : f (x) − f (y) 2 f (x) > f (y) ⇐⇒ f (x) − f (y) > 0 =⇒ >0 x−y ε f 0 (x) > 0. kf (c + h) − f (c)k 6 hg 0 (c) + h 2 6 g(c + h) − g(h) + hε. Réciproquement, soient x, y ∈]a, b[ tels que x < y. Il suffit d’appliquer le théorème kf (c + h) − f (a)k 6 6 c∈Aε 6 kf (c) − f (a)k + kf (c + h) − f (c)k g(c) − g(a) + ε(c − a) + ε + g(c + h) − g(c) + hε g(c + h) − g(a) + ε(c + h − a) + ε Donc c + h ∈ Aε , ce qui contredirait la définition de c. Fabien PUCCI 3.1 sur l’intervalle ]x, y[⊂]a, b[ : on obtient f (x) 6 f (y) Preuve de 3.3: Le théorème est évident si f 0 (a) = f 0 (b). Pour la suite, on suppose f (b) − f (a) . soit λ compris entre f 0 (a) et f 0 b). Distinf 0 (a) < f 0 (b) et on pose : Λ = b−a guons deux cas : 14. Théorème des accroissements finis - Applications VI. Exercices 9 (i) λ est compris entre f 0 (a) et Λ : On considère la fonction : I ϕ: x −→ R f (x) − f (a) 7−→ x−a f 0 (a) si x 6= a • Montrons d’abord la convergence de la suite (un )n∈N . Il suffit de montrer qu’ellle est de Cauchy. La complétude de R assurera la convergence. ∀n ∈ N, |un+1 − un | = |f (un ) − f (un−1 )| 6 k|un − un−1 |. Puis, par récurrence, ∀n ∈ N, |un+1 − un | 6 k n |u1 − u0 |. Pour tout entier p non nul, on a alors . si x = a ϕ est continue sur I et prend donc toutes les valeurs intermédiaires entre ϕ(a) = f 0 (a) et ϕ(b) = Λ. Il existe donc x ∈ [a, b] tel que ϕ(x) = λ. D’après le théorème des accroissements finis 1.1 appliqué à f sur ]a; x[, on a alors : |un+p − un | 6 6 ∃c ∈]a, x[ tel que f 0 (c) = ϕ(x) = λ. φ: x −→ R f (x) − f (b) 7−→ x−b f 0 (b) |un+p − un+p−1 | + . . . + |un+1 − un | 6 k |u1 − u0 | kn × |u1 − u0 | 1−k car 0 6 k < 1 p−1 X ki . i=0 On a donc trouvé un majorant de |un+p − un | indépendamment de p. Comme 0 6 k < 1, k n −−−−−→ 0, il existe donc un rang n0 au-delà duquel |un+p − un | est (ii) λ est compris entre f 0 (b) et Λ : On considère la fonction : I n n→+∞ si x 6= b . si x = b Le raisonnement est alors identique en permutant ainsi le rôle symétrique de a et b. Preuve de 3.4: Par hypothèse, f [a, b]) ⊂ [a, b], donc f (a) > a et f (b) 6 b. Posons alors g(x) = f (x) − x, de sorte que g(a) = f (a) − a > 0 et g(b) 6 0. Grâce au théorème des valeurs intermédiaires, il existe x∗ ∈ ]a, b[ tel que g(x∗ ) = 0, soit f (x∗ ) = x∗ . Supposons alors que x e soit une autre solution de l’équation f (x) = x. D’après 2.3, |f (x∗ ) − f (e x)| 6 k|x∗ − x e| aussi petit que l’on veut. La suite (un )n∈N est donc de Cauchy dans un espace complet, elle converge vers x∗ ∈ [a, b] ([a, b] est un fermé). • La fonction f étant k-lipschitzienne, elle est également continue. On a alors : ∗ f (x ) = f lim un = lim f (un ) = lim un+1 = x∗ . n→+∞ n→+∞ n→+∞ (un )n∈N converge vers x∗ qui est un point fixe de f . • De plus, |un − x∗ | = |f (un−1 ) − f (x∗ )| 6 k|un−1 − x∗ | par le corollaire 2.3. Une récurrence immédiate entraîne alors : ∀n ∈ N, |un − x∗ | 6 k n |u0 − x∗ | |un − x∗ | 6 k n |b − a|. (1 − k)|x∗ − x e| 6 0 |x∗ − x e| 6 0 La solution est unique. x∗ = x e. Preuve de 3.5: 14. Théorème des accroissements finis - Applications Fabien PUCCI