Ce document accompagne la présentation réalisée dans le cadre du Congrès SBPMef Gembloux 2016.
Il peut être reproduit, en tout ou en partie,
uniquement à des fins pédagogiques et ce, pour autant que la source soit citée.
Merci, L’équipe
Vers l’infiniment grand et l’infiniment petit
… avec une calculatrice graphique
Bienvenue !
Equipe
Congrès SBPMef 2016
Vers l’infini & calculatrice graphique
Suites et séries
09:10
Fonctions et asymptotes
09:40
09:00 Introduction (calculatrice)
Fonctions et tangentes
10:00
et les conseils avisés de P. Bolly
Allumer la calculatrice
Appuyer sur
I
NTRODUCTIONSélection du menu
I
NTRODUCTIONappuyer sur le numéro
correspondant
OU
•
se déplacer
avec
B$N!•
valider avec l
appuyer sur p
Monter et descendre dans les sous- menus
I
NTRODUCTIONDescendre dans les sous- menus
Remonter dans les sous-menus
S UITES
ET S ÉRIES
Comment affiner le concept
d’infini et de limite de suite
avec la calculatrice ?
S UITES ET SÉRIES & CALCULATRICE
•
encoder une suite?
•
étudier le comportement d’une suite?
•
trouver un rang à partir duquel …
•
calculer les limites de série?
n
lim
→+∞2
n= +∞
n
lim
→+∞0,999999999
n= 0
n→+∞
lim 1.000000001
n= +∞
n→+∞
lim 0.5
ii=1
∑
n= 1
si ε = 10
−3 n > 249⇒ an − 0.5 <
ε
Comment affiner le concept d’infini et de limite de suite?
Comment …
1+1 2+1
4
On plie une feuille de 0,1 mm d’épaisseur en deux, en quatre, en huit et ainsi de suite…
Serait-il possible d’atteindre ainsi une épaisseur qui dépasse la distance Terre-Lune ?
Et Terre-Soleil ? Et au-delà?
384 403 km 149 597 910 km
E XERCICE N °1
E
NCODAGE D’
UNE SUITEE XERCICE N °1
1
1+12 1+12+14E
NCODAGE D’
UNE SUITEn an
0 0.1 1 0.1*2 2 0.1*4 3 0.1*8
4 …
5 6
• explicite: a n = 0.1* 2 n
• implicite: a n+ 1 = a n * 2 a 0 = 0.1
⎧ ⎨
⎩
En notant la suite des termes représentant l’épaisseur de la feuille après pliages, on définit le terme
général de la suite de manière
a
n( )
n∈!n
E
NCODAGE D’
UNE SUITEE XERCICE N °1
E
NCODAGE D’
UNE SUITEE XERCICE N °1
On atteint la Lune (3,84x10
11mm)
après 42 pliages.
On atteint le Soleil (1,5x10
14mm)
après 51 pliages.
… peu importe la valeur
recherchée, il y a toujours un indice à partir duquel on est sûr
que les termes de la suite lui seront supérieurs.
E XERCICE N °1
Et après ?
V
ERS UNE DÉFINITION FORMELLE D’
UNE LIMITE INFINIEV
ERS UNE DÉFINITION FORMELLE D’
UNE LIMITE INFINIEE XERCICE N °1
A = 3,84.10
11: n ≥ 42 ⇒ a
n> 3,84.10
11A = 1, 49.10
14: n ≥ 51 ⇒ a
n> 1, 49.10
14A
(aussi grand soit-il)∃ N : n ≥ N ⇒ a
n> A
∀ A > 0 ∃ N ∈ ! : n ≥ N ⇒ a
n> A
A = 3,84.10
11: n ≥ 42 ⇒ a
n> 3,84.10
11A = 1, 49.10
14: n ≥ 51 ⇒ a
n> 1, 49.10
14A
(aussi grand soit-il)∃ N : n ≥ N ⇒ a
n> A
∀ A > 0 ∃ N ∈ ! : n ≥ N ⇒ a
n> A
A = 3,84.10
11: n ≥ 42 ⇒ a
n> 3,84.10
11A = 1, 49.10
14: n ≥ 51 ⇒ a
n> 1, 49.10
14A
(aussi grand soit-il)∃ N : n ≥ N ⇒ a
n> A
∀ A > 0 ∃ N ∈ ! : n ≥ N ⇒ a
n> A
A = 3,84.10
11: n ≥ 42 ⇒ a
n> 3,84.10
11A = 1, 49.10
14: n ≥ 51 ⇒ a
n> 1, 49.10
14A
(aussi grand soit-il)∃ N : n ≥ N ⇒ a
n> A
∀ A > 0 ∃ N ∈ ! : n ≥ N ⇒ a
n> A
Pour n’importe quelle valeur aussi grande que l’on veut, on peut toujours trouver un indice à partir duquel
on est sûr que tous les termes de la suite la dépasse.
On écrit alors n lim → +∞ a
( )
n= +∞
E XERCICE N °2
1
1+12 1+12+14C
OMPORTEMENT D’
UNE SUITEa
n= 0,999999999
nb
n= 1,000000001
nSoient deux suites géométriques dont le premier terme vaut 1, l’une est de raison 0.999999999 et l’autre de raison 1.000000001. Pour chacune
d’entre elles,
•
calculer les termes d’indice 1, 2, 3, 100 et
regarder l’allure de la suite. Que conjecturer?
•
calculer les termes d’indice 1, 100, 1000, 10000,
… 10
20. Que conjecturer?
• explicite
• implicite a
n+1= a
n⋅ (1 − 10
−9)
a
0= 1
⎧ ⎨
⎩
b
n+1= b
n⋅ (1 + 10
−9) b = 1
⎧ ⎨
⎩
n ∈ !
( )
1
1+12+14C
OMPORTEMENT D’
UNE SUITEE XERCICE N °2
Question n°1: Calculer les termes d’indice 1, 2, 3, 100. Au vu du graphe, que
conjecturer? an+1 = an ⋅(1−10−9) et a0 =1; bn+1 = bn ⋅(1+10−9) et b0 =1
$
1
1+12+14C
OMPORTEMENT D’
UNE SUITEE XERCICE N °2
Les termes des deux suites semblent rester très proches de 1.
1
1+12+14E XERCICE N °2
Question n°2:
V
ERS L’
INFINIMENT GRAND ET L’
INFINIMENT PETITcalculer les termes d’indice 1, 100, 1000, 10000, … 1020.
Que conjecturer?
B B
1
1+12+14E XERCICE N °2
V
ERS L’
INFINIMENT GRAND ET L’
INFINIMENT PETITp
i q 1 L + f L - l
Les termes de (1,000000001
n) peuvent dépasser n’importe quel
nombre, aussi grand soit-il… au point que la calculatrice n’arrive
plus à les afficher.
1
lim ( 1.000000001
n) = +∞
E XERCICE N °2
Les termes de (0.99999999
n) deviennent de plus en plus
petits…au point que la calculatrice ne fait plus la
différence avec 0.
0 est donc une valeur plancher en deçà de laquelle la suite ne
peut descendre.
V
ERS L’
INFINIMENT GRAND ET L’
INFINIMENT PETITn
2n + 1
⎛ ⎝⎜ ⎞
⎠⎟
n∈!0
V
ERS UNE DÉFINITION FORMELLE D’
UNE LIMITE FINIEE XERCICE N °3
Soit la suite
Calculez les termes d’indice 1, 2, 3, 100 et 10 000.
Que peut-on conjecturer?
Pouvons-nous déterminer le plus petit rang à partir duquel …
•
chacun des termes est supérieur à 0,49 et inférieur à 0,51?
•
tous les termes de la suite sont compris dans une bande de demi-largeur 0.001 (ou 1/1000)?
•
l’écart entre chaque terme et 0.5 est inférieur à un millionième?
•
… et pour une valeur aussi petite que l’on veut?
Les termes de la suite
semblent se rapprocher de plus en plus de 0.5 lorsque
l’indice devient grand.
E XERCICE N °3
Question n°1: Calculez les termes d’indice 1, 2, 3, 100 et 10 000.
Quelle conjecture peut-on effectuer?
V
ERS UNE DÉFINITION FORMELLE D’
UNE LIMITE FINIEE XERCICE N °3
Question n°2: Existe-t-il un rang à partir duquel chacun des termes est supérieur à 0,49 et inférieur à 0,51?
V
ERS UNE DÉFINITION FORMELLE D’
UNE LIMITE FINIEE XERCICE N °3
V
ERS UNE DÉFINITION FORMELLE D’
UNE LIMITE FINIE$$$$$$
•
les termes de la suite ne dépassent jamais 0.51.
•
à partir de cet indice, tous les termes de suite restent supérieurs à cette
valeur;
E XERCICE N °3
•
le 25
ièmeterme est strictement supérieur à 0.49;
a
25> 0, 49
n ≥ 25 ⇒ a
n> 0, 49
∀ n ∈ !
0: n ≥ 25 ⇒ 0.49 < a
n< 0.51
∀ n ∈ !
0: a
n< 0,51
V
ERS UNE DÉFINITION FORMELLE D’
UNE LIMITE FINIE$$$$$
$$$$$
E XERCICE N °3
Question n°2: Existe-t-il un rang à partir duquel tous les termes sont compris dans une bande de demi-largeur 0.001 (ou 1/1000) autour de 0.5?
n ≥ 250 ⇒ a ∈ ] 0.499 ; 0.501 [
V
ERS UNE DÉFINITION FORMELLE D’
UNE LIMITE FINIEE XERCICE N °3
Question n°3: Existe-t-il un rang à partir duquel l’écart entre chaque terme et 0.5 est inférieur à un millionième?
n ≥ 250 000 ⇒ a
n− 0.5 < 10
−6V
ERS UNE DÉFINITION FORMELLE D’
UNE LIMITE FINIE1
E XERCICE N °3
2n+1n
-
12< e
-1
2(2n+1)
< e
4n+21
< e
4n + 2
>
1en >
41e-
12Question n°4: Et pour n’importe quelle valeur, aussi petite que l’on veut, existe-t-il un rang à partir duquel l’écart entre chaque terme et 0.5 est
inférieur à cette valeur?
Pour n’importe quel intervalle centré en 0.5, de longueur aussi petite que l’on veut, on peut trouver un rang au delà duquel
nous sommes sûrs que tous les termes sont dans cet intervalle.
ε = 10
−2: n ≥ 25 ⇒ 0.49 < a
n< 0.51
ε = 10
−3: n ≥ 250 ⇒ a
n∈ ]
0.499 ; 0.501[
ε = 10
−6: n ≥ 250 000 ⇒
an − 0.5< 10
−6ε ∃ ? n
ε: n ≥ n
ε⇒
an − 0.5< ε
n ≥ n
ε>
41ε−
12V
ERS UNE DÉFINITION FORMELLE D’
UNE LIMITE FINIEε = 10
−2: n ≥ 25 ⇒ 0.49 < a
n< 0.51
ε = 10
−3: n ≥ 250 ⇒ a
n∈ ]
0.499 ; 0.501[
ε = 10
−6: n ≥ 250 000 ⇒
an − 0.5< 10
−6ε ∃ ? n
ε: n ≥ n
ε⇒
an − 0.5< ε
ε = 10
−2: n ≥ 25 ⇒ 0.49 < a
n< 0.51
ε = 10
−3: n ≥ 250 ⇒ a
n∈ ]
0.499 ; 0.501[
ε = 10
−6: n ≥ 250 000 ⇒
an − 0.5< 10
−6ε ∃ ? n
ε: n ≥ n
ε⇒
an − 0.5< ε
ε = 10
−2: n ≥ 25 ⇒ 0.49 < a
n< 0.51
ε = 10
−3: n ≥ 250 ⇒ a
n∈ ]
0.499 ; 0.501[
ε = 10
−6: n ≥ 250 000 ⇒
an − 0.5< 10
−6ε > 0 ∃? n
ε: n ≥ n
ε⇒
an − 0.5< ε
D
ÉFINITION FORMELLE D’
UNE LIMITE FINIEE XERCICE N °3
A est limite d’une suite (a
n) si
n→+∞
lim ( ) a
n= A ⇔
déf∀ ε > 0, ∃ n
ε∈ ! tel que ∀ n ∈ ! :
n ≥ n
ε⇒ a
n− A < ε
A − ε < a
n< A + ε
a
n∈ ⎤⎦ A − ε ; A + ε ⎡⎣
pour n’importe quel intervalle ouvert centré en A ,
de (demi-)longueur aussi petite que l’on veut, on peut trouver un rang au delà duquel tous les
termes de la suite appartiennent à cet intervalle.
ou
ou
E
TUDE D’
UNE SÉRIE1
1 2+1
4+1
8+...=? 1
2
1 4
1 8
1+1
2 1+1
2+1 4
E XERCICE N °4
en terme de longueur
n→+∞
lim 2
−ni=1
∑
n= 1
E
TUDE D’
UNE SÉRIE Méthode n°1E XERCICE N °4
p N l
1 2+ 1
4+ 1
8 +...=?
E
TUDE D’
UNE SÉRIELa somme des termes de la suite est tellement proche de
1 que la calculatrice ne voit plus la différence.
1
2 + 1
4 + 1
8 + ... = lim
n→+∞
2
−ii=1
∑
n= 1
E XERCICE N °4
Méthode n°1
E
TUDE D’
UNE SÉRIEen terme d’aire
2 1
1 1+ 2 1
E XERCICE N °4 BIS
1+ 1
2 + 1 4
n→+∞
lim 2
−ni=0
∑
n= 2
E
TUDE D’
UNE SÉRIEE XERCICE N °4
1
La somme des termes de la suite est tellement proche de 2 que la calculatrice ne voit plus la différence.
Méthode n°2
1+ 1
2 + 1
4 + ... =?
B B B
F ONCTIONS
ET A SYMPTOTES
Comment affiner le concept d’asymptote avec la
calculatrice ?
F ONCTIONS , ASYMPTOTES & CALCULATRICE
•
voyager sur le graphe de la fonction?
•
étudier le comportement d’une fonction ?
•
conjecturer l’existence d’asymptotes ?
•
approcher une valeur par la gauche ou par la droite?
•
étudier une fonction rationnelle à paramètres ?
•
zoomer et dézoomer quelques graphes bien choisis ?
Comment affiner le concept d’asymptote?
Comment …
1+1 2+1
4
E XERCICE N °1
F
ONCTIONS,
ASYMPTOTES&
CALCULATRICERelation de conjugaison: d1
f
=
d1o
+
d1i
On avance et recule une bougie devant un « 50 mm » (appareil photo muni d’une lentille de 50 mm de focale).
1. Construisez une formule qui exprime où positionner la lentille pour que l’image soit nette.
2. Quand l’objet se situe à 30 cm de la lentille, à quelle distance se trouve la lentille par rapport au capteur? Et quand il s’éloigne de plus en plus?
3. Et quand l’objet se rapproche de plus en plus près de l’objectif?
La conception d’un appareil photo est basée sur les propriétés des lentilles:
• les rayons qui passent par le centre de la lentille ne sont pas déviés;
• les rayons qui viennent de l’infini (parallèles à l’axe de la lentille) se coupent au foyer.
La mise au point se fait en approchant ou en éloignant la lentille de la pellicule (ou du capteur).
L’image devient nette quand la « relation de conjugaison » de
Descartes est vérifiée.
1+1 2+1
4
E XERCICE N °1
Question n°1: Exprimez la distance de mise au point (plan focal) en fonction de la distance objet-lentille.
d 1
f= d 1
o+ d 1
i50 1 = 1 x + 1 y
1 y = 50 1 - 1 x 1 y = x-50 50x
y = x-50 50x
Dans cet énoncé, la distance focale et le plan image sont fixes, seule la position de la lentille est variable. Notons y la distance de mise au point et x la distance de l’objet à la lentille.
F
ONCTIONS,
ASYMPTOTES&
CALCULATRICEp N l
1+1 2+1
4
C
OMMENT VOYAGER SUR LE GRAPHE DE LA FONCTION? E XERCICE N °1
Question n°2: Quand un objet se situe à 30 cm (300 mm) de la lentille, à quelle distance de la pellicule se trouve la lentille? Et quand il s’éloigne de plus en plus?
1+1 2+1
4
C
OMMENT VOYAGER SUR LE GRAPHE DE LA FONCTION?
Le graphe de la fonction tend à se comporter comme une droite à partir
E XERCICE N °1
1+1 2+1
4
Quelle que soit la fenêtre, la droite y=50 et le graphe de la fonction tendent à se confondre à partir d’une certaine borne, et pour toutes les abscisses qui suivent.
Quand l’objet est à l’infini, l’image se forme à la
distance focale (50 mm).
C
OMMENT CONJECTURER L’
ÉQUATION D’
UNE ASYMPTOTE? E XERCICE N °1
1+1 2+1
4
C
OMMENT CONJECTURER L’
ÉQUATION D’
UNE ASYMPTOTE? E XERCICE N °1
1+1 2+1
4
C
OMMENT APPROCHER UNE VALEUR PAR LA DROITE?
Question n°3: Et quand l’objet se rapproche de plus en plus près de l’objectif?
E XERCICE N °1
1+1 2+1
4
C
OMMENT APPROCHER UNE VALEUR PAR LA DROITE?
Lp
d
E XERCICE N °1
p N l
Quand l’objet est à une distance de la lentille < 50 mm, l’image ne se forme pas du côté du capteur.
L’image virtuelle est située de l’autre côté.
Quand on rapproche l’objet de la lentille, l’image se forme de plus en plus loin.
C
OMMENT APPROCHER UNE VALEUR PAR LA DROITE/
GAUCHE?
Lpd d
E XERCICE N °1
C
OMMENT ÉTUDIER DES FAMILLES DE FONCTIONSLp
E XERCICE N °2
p N l
une droite verticale
correspondant aux racines du dénominateur
Blabla … Blabla …
Une ligne droite qui
s'approche indéfiniment d'une courbe, sans pouvoir jamais la
toucher
une asymptote ne peut pas traverser le graphe une droite qui ne
traverse jamais le graphe de la fonction
Qu’est-ce qu’une asymptote?
C
OMMENT AFFINER LE CONCEPT D’
ASYMPTOTE?
Qu’est-ce qu’une asymptote?
E XERCICE N °3
1+1 2+1
4
C
OMMENT AFFINER LE CONCEPT D’
ASYMPTOTE?
f ( x ) = 1 x f ( x ) = 2
f ( x ) = sin x
f ( x ) = sin x
x f ( x ) = sin 1 x
⎛ ⎝⎜ ⎞
⎠⎟
f ( x ) = tan 1 x
⎛ ⎝⎜ ⎞
⎠⎟
f ( x ) = tan ( ) x
f ( x ) = x
2− 1 x − 2
f ( x ) = 2 x + 1
f ( x ) = 2 x + 1 + 1 x − 1 f ( x ) = x − 2
x
2− 4 f ( x ) = x − 2
x + 1
f ( x ) = x
2− 5 x + 1 f ( x ) =
3x
3− x + 1
E XERCICE N °3
f ( x ) = x + sin x f ( x ) = x + sin x
x
C
OMMENT AFFINER LE CONCEPT D’
ASYMPTOTE?
En « dézoomant » suffisamment, la droite y=x et le graphe de la fonction tendent à se
confondre aux extrémités de la fenêtre.
En « dézoomant » suffisamment, la droite x=3 et le graphe de Y1 et Y2 tendent à
se confondre quand l’abscisse se rapproche de 3 par la gauche ou par la
droite.
L’asymptote peut traverser le graphe
x
3− 3x + 2
x
2− 9 = x + 6 x + 2 x
2− 9
E XERCICE N °3
C
OMMENT AFFINER LE CONCEPT D’
ASYMPTOTE?
En « dézoomant » suffisamment, l’axe des abscisses et le graphe de la fonction
0 est racine du
dénominateur et pourtant il n’y pas d’asymptote en 0
E XERCICE N °3
C
OMMENT AFFINER LE CONCEPT D’
ASYMPTOTE?
x
2
+ 5 x + 1
= ( x +
52)
2−
214En « dézoomant » suffisamment, les deux graphes se confondent aux extrémités de
la fenêtre.
Il
peut y avoir deux asymptotes obliques
différentes
E XERCICE N °3
C
OMMENT AFFINER LE CONCEPT D’
ASYMPTOTE?
Un graphe peut avoir une infinité
d’asymptotes verticales et pourtant admettre une
asymptote horizontale
En « dézoomant » suffisamment, l’axe des
abscisses et le graphe se confondent aux
extrémités de la fenêtre.
En « zoomant » suffisamment, le graphe de la fonction
et la droite x=2/PI
E XERCICE N °3
CE : x ≠ 0 et 1
x ≠ (2 k + 1) π
2 ( k ∈! )
F ONCTIONS
ET T ANGENTES
Comment affiner le concept de tangente avec la
calculatrice ?
•
zoomer de plus en plus jusqu’à ne plus voir qu’une droite ?
•
approcher la valeur d’une
pente de tangente en modifiant le quadrillage?
•
créer une fonction qui calcule des pentes?
•
tracer la tangente à un graphe
Affiner la notion de tangente
à partir de la fonction
F ONCTIONS , TANGENTES & CALCULATRICE
f ( x ) = x
3− x
Comment …
En « zoomant »sur l’origine suffisamment, la droite y=-x et le graphe de la fonction tendent à se confondre sur l’ensemble de
la fenêtre.
C
OMMENT AFFINER LA COMPRÉHENSION DE LA NOTION DE TANGENTE?
Approche n°1: Zoomez sur l’origine de plus en plus. Que constatez-vous?
C
OMMENT CONJECTURER LA PENTE D’
UNE TANGENTE?
Approche n°2: Conjecturez en zoomant avec un facteur 100 la pente de la
tangente au graphe en x=1
Lp
Le
C
OMMENT CONJECTURER LA PENTE D’
UNE TANGENTE?
a ! Δy
Δ x = y
1( x ) − y
1(1) x − 1
Puisque le graphe se comporte comme une droite localement, on peut calculer cette pente avec les valeurs des abscisses et ordonnées de deux points.
En « zoomant » suffisamment sur la portion du graphe où se trouve le
point, on peut approcher
raisonnablement la pente de la droite en prenant les valeurs de deux points
sur la fenêtre.
p 1
o
C
OMMENT CONJECTURER LA PENTE D’
UNE TANGENTE?
Approche n°3: Conjecturez la pente de la tangente de x= 1 pour des abscisses de plus en plus proches de 1.
p 2
p
Lp
C
OMMENT TRACER UNE TANGENTE ET AVOIR SON ÉQUATION?
Lp
d
Utile à savoir
Vers l’infiniment grand et l’infiniment petit
… avec une calculatrice graphique
Merci !
Equipe