LEÇON N˚ 58 :
Limite finie d’une fonction à valeurs réelles
en un point ade R. Opérations algébriques
sur les limites. Continuité d’une fonction
en un point. Exemples.
Pré-requis :
Limites d’une suite réelle;
Fonctions à valeurs réelles : opérations algébriques, restriction à une partie de son ensemble de défini-
tion.
On note K=Rou C. Soient f:RKune fonction et Dfson ensemble de définition. Si DDf, on
note D={xR| ∀ ε > 0,]xε, x+ε[D6=}le plus petit fermé de Rcontenant D(i.e. l’adhérence
de D). On se donne dans toute cette leçon un sous-ensemble Dde Dfet un réel aD.
Remarque 1 :En particulier, si Dest borné, les bornes supérieure et inférieure de Dappartiennent à D(théorème
de la borne supérieure - inférieure).
58.1 Limite finie en un point de R
Définition 1 : On dit que fadmet pour limite Ken asi
ε > 0,η > 0| xD, |xa|< η ⇒ |f(x)|6ε.
f(a+η)
f(aη)
+ε
ε
a
f
a+ηa η
Théorème 1 : Si fadmet une limite en a, alors elle est unique.
démonstration :Supposons que fadmette deux limites 16=2au point a. Soit ε > 0. Alors
η > 0| xD, |xa|< η ⇒ |f(x)1|< ε,
η>0| xD, |xa|< η⇒ |f(x)2|< ε,
donc il existe η′′ = inf(η, η)>0tel que pour tout xD, on a
|xa|< η′′ ⇒ |21|=|2f(x) + f(x)1|
6|2f(x)|+|f(x)1|<2ε.
2Limite finie d’une fonction, opérations algébriques, continuité en un point
Prenons alors ε=1
3|21|, de sorte que ε > 0. L’inégalité précédente devient alors
|21|<2
3|21|,
ce qui est absurde, donc 1=2.
Grâce à l’unicité de la limite, on peut introduire la notation suivante :
Notation : Sous réserve d’existence, l’unique limite Kde la fonction fau point asera désormais notée
lim
xaf(x) = ou f(x)
xa.
Remarque 2 :Si aDfet si ftend vers au point a, alors =f(a). En effet, soit ε > 0. Alors a
]aε, a +ε[Df⇒ ∀ ε>0,|f(a)|< ε f(a) = .
Proposition 1 : Soient BDet bB. Si fadmet une limite en b, alors sa restriction à B, notée
f|B, admet la même limite en b.
démonstration :Triviale, en utilisant la définition et le fait que xDpour tout xB.
Remarques 3 :
1. Avec B=VD, où Vdésigne un voisinage de b(donc contenant b), on a que fadmet une limite finie en b
est équivalent à f|VDadmet une limite en b: cette proposition est donc un résultat local.
2. La réciproque est fausse. Par exemple, la fonction f:RRdéfinie par f(x) = 1 si xQet f(x) = 0 si
xR\Qn’admet aucune limite en aucun point de R. Cependant, sa restriction à Q(resp. R\Q) est la fonction
constante égale à 1(resp. 0).
Proposition 2 : Si fadmet une limite finie en a, alors il existe un voisinage Vde atel que fsoit
bornée sur VD.
démonstration :Soit MR+. Montrons que |f(x)|6Mpour tout xVD, où Vdésigne
un voisinage de a, c’est-à-dire un intervalle ouvert contenant a.fadmet par hypothèse une limite finie
notée en a, donc par définition,
ε > 0,η > 0| xD, |xa|< η ⇒ |f(x)|< ε.
Prenons ε= 1. Il existe alors un tel voisinage Vcontenant atel que xVD⇒ |f(x)|< ε = 1,
d’où f(x)<1 + ||. Le nombre M= 1 + || ∈ R+vérifie la propriété.
Limite finie d’une fonction, opérations algébriques, continuité en un point 3
58.2 Limites à gauche et à droite en a
Définition 2 : Si l’on ajoute à xDl’hypothèse x < a (resp. x > a) dans la définition de la limite
de fen a(définition 1), alors on parle de limite à gauche (resp. limite à droite)de fen a, et on note
(sous réserve d’existence)
lim
xa
x < a
f(x) = et lim
xa
x > a
f(x) = ℓ.
Exemple : Soit fla fonction définie par
f:RR
x7−1si x6= 0
0si x= 0.
Alors fn’admet pas de limite en 0, mais
lim
x0
x < 0
f(x) = lim
x0
x > 0
f(x) = 1.
Théorème 2 : fadmet une limite en asi et seulement si fadmet la même limite à gauche et à droite en
a. Pour que cela soit possible, on suppose de plus que pour tout ε > 0, on a ]aε, a +ε[\{a} ⊂ D
et a6∈ D.
démonstration :Le sens direct est immédiat. Montrons alors le sens indirect : on a
lim
xa
x < a
f(x) = (ε > 0,η > 0| ∀xD, x < a et |xa|< η ⇒ |f(x)|< ε),
lim
xa
x > a
f(x) = ε > 0,η>0| ∀xD, x > a et |xa|< η⇒ |f(x)|< ε.
Par conséquent,
ε > 0,η′′ = min(η, η)| xD, x 6=aet |xa|< η′′ ⇒ |f(x)|< ε,
et donc lim
xaf(x) = (car a6∈ D).
58.3 Opérations algébriques
Soient f, g deux fonctions telles que l’ensemble Adéfini par DfDgsoit non vide, et admettant respecti-
vement 1et 2pour limites en un point aA.
4Limite finie d’une fonction, opérations algébriques, continuité en un point
Théorème 3 :
(i) Les fonctions f+g,λf (λR) et fg sont définies sur Aet admettent pour limites respectives
1+2,λℓ1et 12en a;
(ii) Si 26= 0, alors il existe un voisinage Vde atel que f/g soit définie sur VAet admette
1/ℓ2pour limite en a.
démonstration :
(i) Rappelons que (proposition 2) il existe MR+tel que pour tout xVDf(Vvoisinage de
a), |f(x)|< M. Soit un tel M. Par définition,
ε > 0,η > 0| xA, |xa|< η ⇒ |f(x)1|<ε
k,
ε > 0,η>0| xA, |xa|< η⇒ |g(x)2|<ε
k,
où les nombres ket kvont être définis pour chacun des cas suivants.
fg :En choisissant k= 2|2|et k= 2M, on a l’existence d’un réel η′′ = min(η, η)>0tel
que pour tout xA, l’inégalité |xa|< η′′ implique
|f(x)g(x)12|=|f(x)g(x)f(x)2+f(x)212|
6|f(x)||g(x)2|+|2||f(x)1|
< M ε
2M+|2|ε
2|2|=ε.
f+g:En choisissant k=k= 2, on prouve l’existence d’un réel η′′ = min(η, η)>0tel que
pour tout xA, l’inégalité |xa|< η′′ implique
|f(x) + g(x)12|=|f(x)1+g(x)2|
6|f(x)1|+|g(x)2|
< ε/2 + ε/2 = ε.
λf :Enfin, en choisissant k=|λ|, on conclut en montrant que pour tout xA, l’inégalité
|xa|< η implique
|λf(x)λℓ1|=|λ||f(x)1|<|λ|ε
|λ|=ε.
(ii) 26= 0 implique qu’il existe η > 0tel que xA, |xa|< η ⇒ |g(x)2|<|2|/2(choix
particulier de ε > 0). Il vient que sur A]aη, a +η[, on a |g(x)|>|2|/2et 1/g est définie sur
ce voisinage de a. Sur ce voisinage, on a
1
g(x)1
2=|g(x)2|
|g(x)2|62|g(x)2|
2
2
.
Or gadmet une limite finie 2en a, donc en appliquant la définition, on trouve que
ε > 0,η>0| xA, |xa|< η ⇒ |g(x)2|< ε 2
2
2.
On conclut alors que pour tout xA,
|xa|< η′′ = min(η, η)
1
g(x)1
2< ε.
Ceci achève notre démonstration.
Limite finie d’une fonction, opérations algébriques, continuité en un point 5
Proposition 3 : Si l’on suppose de plus que f(x)6g(x), alors 162.
démonstration :D’après ce qui précède, on peut écrire que
lim
xag(x)f(x)=21.
Supposons alors que 21<0. Il existe alors un intervalle Iouvert contenant atel que pour tout
xIA, on a g(x)f(x)<0. On aboutit ainsi à une contradiction, prouvant que 21>0.
Remarque 4 :La réciproque est fausse. En effet, les fonctions f(x) = 0 et g(x) = xsin 1
xvérifient toutes les
deux lim
x0= 0 6lim
x0g(x) = 0 sans que f6gau voisinage de 0!
Théorème 4 (d’encadrement) : Soit hune fonction telle que ADh6=et admettant 3pour limite en
aADh. Si pour tout xADh, on a f(x)6h(x)6g(x), alors
(1=2=)3=ℓ.
démonstration : Soit ε > 0. Il existe deux voisinages ouverts V1et V2contenant atels que
xV1(ADh), ε6f(x)6+ε
et xV2(ADh), ε6g(x)6+ε.
Sur V1V2(ADh), on a donc ε6f(x)6h(x)6g(x)6+ε, ce qui se traduit par
lim
xah(x) = .
Exemple : Par développement limité, on a au voisinage de 0 :
1x3
3!
|{z }
x0
x > 0
1
<sin x
x<1
|{z}
x0
x > 0
1
,d’où lim
x0
x > 0
sin x
x= 1.
Théorème 5 (de composition) : Soient D1et D2deux parties de R,f:D1D2,g:D2Ret aD1.
(i) Si lim
xaf(x) = b, alors bD2,
(ii) Si lim
xaf(x) = bet lim
xbg(x) = , alors lim
xa(gf)(x) = .
démonstration :
(i) Soit V2un voisinage de b. Comme lim
xaf(x) = b, il existe un voisinage V1de atel que f(V1
D1)V2. Or V1D16=(car il contient a), donc f(V1D1)6=et puisque f(V1D1)
V2D2,V2D26=. D’où bD2.
(ii) Soit Wun voisinage de . Il existe un voisinage Vde btel que g(VD2)Wpuis un voisinage
Ude atel que f(UD1)V. D’où f(UD1)VD2, d’où finalement gf(UD1)
g(VD2)W, et il vient que (gf)(x)
xa.
1 / 7 100%
La catégorie de ce document est-elle correcte?
Merci pour votre participation!

Faire une suggestion

Avez-vous trouvé des erreurs dans linterface ou les textes ? Ou savez-vous comment améliorer linterface utilisateur de StudyLib ? Nhésitez pas à envoyer vos suggestions. Cest très important pour nous !