Pour pr´eparer l’examen de janvier
1) Apprendre par coeur les ´enonc´es de:
(1) Th´eor`eme des valeurs interm´ediaires
(2) Th´eor`eme de la bijection
(3) Th´eor`eme des accroissements finis
(4) Th´eor`eme de Taylor
(5) D´efinition de “untend vers `quand ntend vers +”.
(6) D´efinition de “f(x) tend vers `quand xtend vers x0”.
(7) D´efinition de la continuit´e en un point pour une fonction.
(8) D´efinition de la d´erivabilit´e en un point d’une fonction.
Probl`eme `a r´esoudre.
i) Pr´eliminaires. Soit la fonction gdonn´ee par
g:]π
2,π
2[R
x7→ sin x
cos x= tan x
Montrer que gest d´efinie, continue et d´erivable sur ] π
2,π
2[ (on pourra utiliser sans le d´emontrer
que les fonctions sinus et cosinus sont d´efinies, continues et d´erivables sur R).
Calculer g0(x) et montrer que gest strictement croissante sur ] π
2,π
2[.
En d´eduire que la fonction gadmet une fonction r´eciproque, que l’on notera g1(x) := arctan x
(justifier l’existence de cette fonction r´eciproque et pr´eciser son domaine de d´efinition).
Montrer que arctan0(x) = 1
1+x2. Calculer arctan(0), arctan(1) et arctan(1).
ii) Soit la fonction fd´efinie par
f(x) =
exsin(x) si x < 0
4
πarctan(x) si x[0,1]
3x2 si x > 1
Donner le domaine de d´efinition de f.
iii) Continuit´e. Montrer que fest continue en 0 et en 1. Montrer ensuite que fest continue sur R.
iv) D´erivabilit´e. Montrer que fest d´erivable sur R\ {0,1}.
a) Montrer que le d´eveloppement limit´e en 0 `a l’ordre 1 de sin(x) est
sin(x) = x+x (x),lim
x0(x) = 0 .
En d´eduire la limite quand xtend vers 0 de exsin(x)/x.
b) Montrer que le d´eveloppement limit´e en 0 `a l’ordre 1 de arctan(x) est
arctan(x) = x+x (x),lim
x0(x) = 0 .
En d´eduire la limite quand xtend vers 0 de arctan(x)/x. Pourquoi cette valeur vaut-elle arctan0(0)?
c) De ce qui pr´ec`ede, en d´eduire que fest d´erivable en 0. Quelle est la valeur de f0(0)?
d) Sans passer par des d´eveloppements limit´es, montrer que
lim
x1, x<1
f(x)f(1)
x1=2
π.
Etudier la d´erivabilit´e de fen 1.
1
2
e) Donner l’expression de f0(x) selon les valeurs de x.
v) Etude de suite r´ecurrente. On consid`ere la suite r´eelle (un)nNd´efinie par u0= 4 et pour n0,
un+1 =f(un).
Montrer que pour tout ndans N, la propri´et´e P(n) suivante est vraie:
P(n): un2etun+1 =3un2 ”
Montrer que
(un+1 un)(un+1 +un)0.
En d´eduire que la suite unest d´ecroissante.
Montrer que la suite (un) est convergente et calculer sa limite.
SOLUTION
i) La fonction g´etant une fraction de deux fonctions g1= sin et g2= cos, son domaine de d´efinition
est l’intersection de son ensemble de d´epart avec les domaines de d´efinition de g1et g2, priv´e de
l’ensemble des points o`u le d´enominateur s’annule. La fonction cosinus s’annule en tous les points
de la forme π/2 + kπ (kZ). Donc
Dg=] π
2,π
2[RR∩ {π/2 + kπ, k Z}=] π
2,π
2[.
On montre de fa¸con similaire que le domaine de continuit´e et de d´erivabilit´e de gest ]π/2, π/2[.
Pour tout x]π
2,π
2[, on a
g0(x) = cos(x) sin0(x)cos0(x) sin(x)
cos2(x)=cos2(x) + sin2(x)
cos2(x)= 1 + sin2(x)
cos2(x)= 1 + tan2(x).
Comme g0(x)>0 sur ] π/2, π/2[ (sauf en 0), la fonction gest strictement croissante sur
]π/2, π/2[.
Par le th´eor`eme de la bijection, comme gest continue et strictement croissante sur ] π/2, π/2[,
gr´ealise une bijection de ] π/2, π/2[ vers ] limx&−π
2g(x),limx%π
2g(x)[= R.
La d´eriv´ee de la fonction arctan est donn´e par la propri´et´e sur la d´eriv´ee des fonctions r´eciproques:
arctan0(x) = (g1)0(x) = 1
g0(g1(x)) =1
1 + tan2(g(x)) =1
1 + (tan(arctan(x)))2=1
1 + x2
car tan(arctan(x)) = x.
Par d´efinition, arctan(0) est le nombre (ou l’angle) entre π/2 et π/2 dont la tangente vaut 0.
Donc, arctan(0) = 0.
De mˆeme, arctan(1) est l’angle entre π/2 et π/2 dont la tangente vaut 1; comme tan(π/4) =
sin(π/4)/cos(π/4) = 2/2/(2/2) = 1, on en d´eduit arctan(1) = π/4.
On montre aussi arctan(1) = π/4.
ii) On ´etudie la fonction fsur chacun des intervalles ] − ∞,0[, [0,1], et ]1,+[.
Universit´e du Sud Toulon–Var – Licence MASS 1`ere ann´ee 3
Sur ] − ∞,0[, fest le produit de deux fonctions d´efinies sur R, donc f(x) est bien d´efini pour
x]− ∞,0[.
Sur [0,1], la fonction fest ´egale `a la fonction 4
π×arctan(x) qui est d´efinie sur R; donc f(x) est
bien d´efini pour x[0,1].
Sur ]1,+[, la fonction fest ´egale `a 3x2 qui est d´efinie sur {xR|3x20}= [2/3,+[.
Donc f(x) est bien d´efini pour x]1,+[.
De ce qui pr´ec`ede, on d´eduit que fest d´efinie sur R.
iii)
Continuit´e de fen 0: On a limx0f(x) = limx0exsin(x) = e0sin(0) = 0, et limx0+f(x) =
limx0+4
π×arctan(x) = 4
π×arctan(0) = 0, et f(0) = 4
π×arctan(0) = 0.
Comme limx0f(x) = limx0+f(x) = f(0), on en d´eduit que fest continue en 0.
Continuit´e de fen 1: On a limx1f(x) = limx1
4
π×arctan(x) = 4
π×arctan(1) = 4
π×π
4= 1,
et limx1+f(x) = limx1+3x2 = 1 et f(1) = 4
πarctan(1) = 1.
Comme limx1f(x) = limx1+f(x) = f(1), on en d´eduit que fest continue en 1.
Avec des arguments g´en´eraux similaires `a ceux utilis´es pour la question ii), on montrer que fest
continue en tout point xde R\ {0,1}.
Comme fest aussi continue en 0 et en 1, on en d´eduit donc que fest continue sur R.
iv)
a) La fonction sinus est d´erivable et de d´eriv´ee continue en 0; on peut donc ´ecrire le d´eveloppement
de Taylor `a l’ordre 1 en 0 pour sinus:
sin(x) = sin(0) + (x0) sin0(0) + x(x) = x+x(x),
car sin0(0) = cos(0) = 1.
On a alors
lim
x0
exsin(x)
x= lim
x0
ex(x+x(x))
x= lim
x0ex(1 + (x)) = e0= 1 .(1)
Remarque: Cette limite n’est rien d’autre que la d´eriv´ee de la fonction exsin(x) prise en 0 car,
par d´efinition, on a
(exsin(x))0|x=0 = lim
x0
exsin(x)e0sin(0)
x0= lim
x0
exsin(x)
x.
On pouvait donc retrouver la valeur de la limite dans (1) en calculant directement la d´eriv´ee de
exsin(x) et en prenant sa valeur en 0: (exsin(x))0=exsin(x)+excos(x) dont la valeur en
0 est e0sin(0) + e0cos(0) = 0 + 1 = 1, qui est bien la valeur obtenue dans (1).
b) La fonction arctangente est d´erivable et de d´eriv´ee continue en 0; on peut donc ´ecrire le
d´eveloppement de Taylor `a l’ordre 1 en 0 pour arctangente:
arctan(x) = arctan(0) + (x0) arctan0(0) + x(x) = x+x(x),
car arctan0(0) = 1
1+0 = 1.
On a alors
lim
x0
arctan(x)
x= lim
x0
x+x(x))
x= lim
x0(1 + (x)) = 1 .
4
Cette limite est ´egale `a la d´eriv´ee de arctangente en 0, car, par d´efinition
arctan0(0) = lim
x0
arctan(x)arctan(0)
x0= lim
x0
arctan(x)
x.
c) D’apr`es les questions a) et b), on a:
lim
x0
f(x)f(0)
x0= lim
x0
exsin(x)arctan(0)
x0= lim
x0
exsin(x)
x= 1 ,
et
lim
x0
f(x)f(0)
x0= lim
x0
arctan(x)arctan(0)
x0= 1 ,
donc fest d´erivable en 0, avec f0(0) = 1.
d) Avec les mˆemes arguments qu’aux questions a) et b), on obtient
lim
x1
f(x)f(1)
x1= ( 4
πarctan(x))0|x=1 =4
πarctan0(0) = 4
π
1
1+1 =2
π.
Pour ´etudier la d´erivabilit´e de fen 1, il reste `a calculer
lim
x1+
f(x)f(1)
x1= lim
x1+
3x21
x1= lim
x1+
(3x21)(3x2 + 1)
(x1)(3x2 + 1)
= lim
x1+
3x21
(x1)(3x2 + 1) = lim
x1
3
3x2+1 =3
2.
Comme limx1
f(x)f(1)
x16= limx1+f(x)f(1)
x1, on en d´eduit que fn’est pas d´erivable en x= 1.
e) La d´eriv´ee de fest d´efinie pour tout xR\ {1}, et
f0(x) =
exsin(x)+excos(x) si x < 0
1 si x= 0
4
π
1
1+x2si x]0,1[
pas d´efinie en x= 1
3
2
1
3x2si x > 1
v) Montrons par r´ecurrence la propri´et´e
P(n): un2etun+1 =3un2 ”
Initialisation: Pour n= 0, on a u0= 4 2etu1=f(u0) = 3u02 puisque u0>1.
H´er´edit´e: Supposons P(n) vraie pour un certain n. On a alors, par hypoth`ese de r´ecurrence un+1 =
3un2; on a donc un+1 3×22 = 2, puisque par hypoth`ese de r´ecurrence on a aussi
un2. Ceci montre que un+1 2.
Par ailleurs, un+2 =f(un+1) = 3un+1 2 puisque un+1 2>1.
On a donc montr´e un+1 2etun+2 =3un+1 2, ce qui montre que P(n+ 1) est vraie.
Montrons que pour tout n,ona(un+1 un)(un+1 +un)0. On a
(un+1 un)(un+1 +un) = (3un2un)(3un2 + un) = 3 un2un2=un2+ 3un2.
L’´etude du polynˆome Q(x) = x2+ 3x2 montre que Q(x) = (x1)(x2) est n´egatif pour
x2. Ceci implique donc, puisque un2, que pour tout nN
(un+1 un)(un+1 +un)0.(2)
Universit´e du Sud Toulon–Var – Licence MASS 1`ere ann´ee 5
Comme de plus on a un20, on obtient un+1 +un0. En reportant ceci dans l’in´egalit´e
(2), on a donc
(un+1 un)0,nN.
Ceci implique que la suite (un) est d´ecroissante.
La suite (un) ´etant d´ecroissante et minor´ee par 2, elle est convergente. Soit `sa limite. On a
alors les ´egalit´es suivantes:
`= lim
n+un= lim
n+un+1 = lim
n+3un2 = 3`2.
Ce qui donne
`=3`2.(3)
Comme pour tout nN,un2, on obtient, par passage `a la limite, `= limn+un2. Puisque
`20, l’´egalit´e (3) est ´equivalente `a `2= 3 `2 ou encore `2+ 3 `2 = 0. Les deux solutions
de cette ´equation sont 1 et 2. Comme `2, la seule limite possible est donc
`= 2 .
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