Alg`ebre et analyse ´el´ementaires II Analyse
Propri´et´es des fonctions num´eriques d’une variable r´eelle.
Il s’agit dans ce paragraphe de g´en´eraliser les notions de limite vues pour les suites aux fonctions num´eriques d’une variable r´eelle. Ensuite on introduira les notions de continuit´e et de d´erivabilit´e. Nous allons nous inspirer des d´efinitions utilis´ees au premier semestre lors de l’´etude des suites num´eriques.
Rappelons que l’on dit que la suite un tend versl (resp. +∞ou−∞) sintend vers +∞lorsque
∀ >0∃n0∈N;n > n0⇒ |un−l|<
(respectivement
∀A >0 ∃n0∈N;n > n0⇒un > A ou
∀A >0 ∃n0∈N;n > n0⇒un <−A )
L’objectif est de d´efinir la notion d’ordre de grandeur d’une fonction au voisinage d’un point ou au voisinage de±∞.
1 Limites des fonctions num´ eriques de la variable r´ eelle.
On d´esignera parf une fonction num´erique deRdansRc’est-`a-dire une application d´efinie sur une partie D deR(que l’on appellera domaine de d´efinition). La plupart du temps ce domaine de d´efinition sera un intervalle ou une r´eunion finie d’intervalles.
Exemple 1.1. La fonction x7→exp (x)est d´efinie sur R mais la fonction x7→ln (x) n’est d´efinie que sur ]0,+∞[. La fonctionx7→ln|x| est d´efinie surR∗=]− ∞,0[∪]0,+∞[ .
D´efinition 1.2. On dit que f est born´ee si la partie f(D) (appel´ee image de f) est une partie born´ee deRc’est `a dire que
∃M >0 ∀x∈D |f(x)| ≤M .
Exemple 1.3. Les fonctions polynomiales (de degr´e au moins1) ne sont pas born´ees surR. La fonction x7→exp (x) est d´efinie sur Ret n’y est pas born´ee. La fonction 1+x12 est d´efinie sur Ret y est born´ee (par1).
Dans ce qui suit, on supposera toujours que le domaine de d´efinition des fonctions contient un intervalle de la forme ]x0−η, x0+η[ (sauf ´eventuellementx0).
D´efinition 1.4. On dit que f(x)tend versl sixtend versx0 si
∀ >0 , ∃η >0 ; (x6=x0 et |x−x0|< η)⇒ |f(x)−l|< .
On dit que l’on peut rendre f(x)aussi proche del que l’on veut si l’on choisitxsuffisamment proche de x0 .
Remarque 1.5. On remarquera quef n’est pas n´ecessairement d´efinie enx0dans la d´efinition pr´ec´edente.
Exemple 1.6. Ainsi la fonctionf(x) =xsinx1 (pour x6= 0) admet 0pour limite si xtend vers 0 .
V´erifions le. Soit >0 . On cherche donc η tel que |x| =|x−0| ≤ η ⇒ |f(x)| =|f(x)−0| ≤ . Prenonsη≤ . Alors, comme∀y∈R|sin (y)≤1 , on a
|f(x)|=
xsin1 x
=|x|
sin1 x
≤ |x| ≤η≤ .
D´efinition 1.7. On dit que f(x)tend vers+∞(respectivement −∞) sixtend vers x0 si
∀A >0 , ∃η >0 ;x6=x0 et |x−x0|< η⇒f(x) > A (respectivement
∀A >0, ∃η >0 ;x6=x0 et |x−x0|< η⇒f(x) < −A)
Bref on peut rendref(x)arbitrairement grand (resp. petit) pourvu quexsoit suffisamment proche dex0 .
Exemple 1.8. Ainsix7→ 1x tend-elle vers+∞sixtend vers 0+ . Il s’agit de v´erifier la propri´et´e suivante :
∀A >0 ∃η >0 ; 0< x < η⇒ 1 x> A .
Prenonsη <A1 . Alors
0< x≤η⇒0< x < 1
A ⇒0< Ax <1⇒0< A < 1 x .
Remarque. On d´efinit de fa¸con analogue une limite finie ou infinie lorsque la variable r´eelle x tend vers +∞ou−∞.
Exemple 1.9. La fonctionx7→exp (x)tend vers +∞sixtend vers +∞ .
Proposition 1.10. Sif admet une limite l en x0 ou en +∞(resp.−∞) alorsl est unique.
(Indication de la) D´emonstration. Si l’on suppose que l1 etl2sont deux limites (par exemple enx0) alors
∀ >0∃η1>0 ; |x−x0| ≤η1⇒ |f(x)−l1| ≤ mais aussi
∀ >0∃η2>0 ; |x−x0| ≤η2⇒ |f(x)−l2| ≤ .
Comme on raisonne par l’absurde et que l2 6= l1 , on peut prendre <|l2−l1|/2 . Or, si l’on prend η < η1 etη < η2(associ´es `a un tel choix de) on a
|x−x0|< η⇒ |f(x)−l1|< et|f(x)−l2|< . Ainsi
|l2−l1| ≤ |l2−f(x)|+|f(x)−l1|<2 <|l2−l1|. Et ceci est bien sˆur impossible.
Th´eor`eme 1. Op´erations sur les limites. Soient f et g des fonctions num´eriques. Soit λ un scalaire r´eel. Soit x0 un r´eel.
— Si f etg admettent des limites respectives l etl0 lorsque xtend vers x0 alors la fonction f +g admet une limite enx0´egale `al+l0;
— Sif admet l comme limite lorsquex tend versx0 , alors la fonctionλf admet une limite enx0
´egale `aλl;
— Sif etg admettent des limites respectivesl etl0 lorsquextend versx0 alors la fonctionf gadmet une limite enx0 ´egale `all0; Sif etg admettent des limites respectivesl etl0 lorsquextend vers x0 et si, de plus, la limite l0 est non nulle alors la fonction fg admet une limite enx0´egale `a ll0;
— Sif tend vers l alors|f| tend vers|l| .
Ces r´esultats se d´emontrent de fa¸con tout `a fait analogue aux r´esultats concernant les limites des suites num´eriques.
Quelques indications.
— Soit λun nombre r´eel. Siλ= 0 alors la fonction λf est nulle quelque soit f . Alors la fonction 0 admet 0 comme limite en tout pointx0 . Nous pouvons donc supposer que λ6= 0 . Soit >0 quelconque. On sait qu’il existe alorsη tel que
|x−x0|< η⇒ |f(x)−f(x0)|<
|λ| . Alors
|x−x0| ≤η⇒ |λf(x)−λl|=|λ| |f(x)−l|<|λ|
|λ| = .
— Supposons quef tende verslenx0 et quegtende versl0 sixtend versx0 . Alors
∀ >0 ∃η1 |x−x0|< η1⇒ |f(x)−l|< /2 et
∀ >0 ∃η2|x−x0|< η2⇒ |g(x)−l0|< /2. Prenons alorsη tel que η < η1 etη < η2 . On aura
|x−x0|< η⇒ |f(x)−l|< /2 et |g(x)−l0|< /2 soit
|(f+g)(x)−l−l0| ≤ |f(x)−l|+|g(x)−l0|< /2 +/2 = . C’est ce que nous cherchions.
— Supposons quef tende verslenx0et quegtende versl0sixtend versx0. Soit >0 quelconque.
PrenonsM tel que|l−|< M ,|l+|< M ,|l0−|< M et|l0+|< M . On v´erifie que|l|< M et|l0|< M . Prenons alors
∃η1 ; |x−x0|< η1⇒ |f(x)−l|< /M et
∃η2 ; |x−x0|< η2⇒ |g(x)−l0|< /M . Alors
Th´eor`eme 2. Soit f et g des fonctions num´eriques. On suppose que f(x) tend vers l lorsquex tend vers x0 . On suppose que g(y) tend versl0 lorsquey tend versl et que g(l) =l0 . Alors (g◦f)(x)tend vers l0 .
D´emonstration. Il s’agit donc d’´etudier |g(f(x))−l0| lorsque x tend vers x0 . Soit donc > 0 quelconque. Alors il existeη >0 tel que
|y−l|< η⇒ |g(y)−l0|<
(puisqueg(y) tend versl0 siy tend versl et queg(l) =l0). Prenonsy=f(x) . Commef(x) tend versl lorsquextend versx0 , il existeη0 tel que
|x−x0|< η0 ⇒ |f(x)−l|< η
six6=x0 . Bref
|x−x0|< η0⇒ |f(x)−l|< η⇒ |g(f(x))−l0|< . C’est ce que nous devions montrer.
Th´eor`eme 3. Op´erations sur les limites (suite). Soient f et g des fonctions num´eriques. Soit λ un scalaire r´eel. Soitx0 un r´eel.
— Si f admet une limite finie l et que g admet une limite infinie +∞ ou −∞lorsque xtend vers x0 alors la fonction f+g admet une limite enx0´egale `a celle de g;
— Sif et g admettent+∞(resp. −∞) lorsque xtend vers x0 , alors la fonctionf+g admet une limite enx0 ´egale `a+∞ (resp.−∞) ;
— Sif admet une limite finie non nulle l etg admet une limite ´egale `a+∞ ou−∞lorsquextend versx0alors la fonctionf g admet une limite infinie dont le signe est le produit des signes del et de la limite deg;
— Si f admet une limite finie non nulle l et g admet une limite ´egale `a 0 lorsque xtend vers x0
alors la fonction fg admet une limite infinie enx0 (on suppose queg(x) ne s’annule pas sur un intervalle centr´e en x0 et y garde un signe constant ou garde un signe constant sur chacun des intervalles born´es parx0) ;
— Si f admet une limite finie l et g admet une limite ´egale `a +∞ ou−∞ lorsquex tend vers x0
alors la fonction fg admet une limite nulle enx0 .
— Sif admet une limite ´egale `a+∞ou−∞ etg admet une limite ´egale `a+∞ ou−∞lorsque x tend versx0 alors la fonction f g admet une limite infinie dont le signe est le produit des signes de la limite def et de celle de g;
Remarque. On appelle ”forme ind´etermin´ee” les expressions conduisant `a l’´etude de+∞ − ∞,0× ∞ ou encore 00 et ∞∞ . Nous verrons ult´erieurement comment lever ces ind´eterminations sous certaines hypoth`eses.
Exemple 1.11. — Les exemples f(x) = 1/x et g(x) = 1/x2 ou g(x) = 2 + 1/x oug(x) = 1/x+ sin (1/x) lorsque xtend vers 0+ donnent ainsi diff´erentes limites lorsque l’on ´etudie (f −g)(x) puisque 1/x−1/x2= (x−1)/x2 tend vers −∞alors que 1/x−1/x−2 =−2 tend vers−2 ou encore −sin (1/x)n’a pas de limite lorsque xtend vers0 .
— De mˆeme, les exemples f(x) = x et g(x) = 1/x ou g(x) = 1/x2 ou g(x) = 1/√
x donnent diff´erentes limites lorsque xtend vers0 .
Quelques indications.
— Supposons par exemple que la fonctionf admette une limite finie let que la fonctiong admette une limite infinie ´egale `a +∞lorsquextend versx0. On a donc
∀ >0 , ∃η >0 ; (x6=x0 et|x−x0|< η)⇒ |f(x)−l|<
et
∀A >0 , ∃η >0 ;x6=x0et |x−x0|< η⇒g(x) > A . SoitA >0 quelconque. Prenons >0 quelconque. Alors il existeη1 tel que
(x6=x0et |x−x0|< η1)⇒ |f(x)−l|< . En particulierf(x)> l−. De mˆeme il existeη2tel que
(x6=x0 et|x−x0|< η1)⇒g(x)> A−l+ . Ainsi, siη= Inf(η1, η2) , on a
f(x) +g(x)> l−+A−l+=A .
— Le cas o`uf(x) et g(x) ont des limit´es infinies (de mˆeme signe) si xtend vers x0 est enti`erement analogue. On pourra remarquer queA2> AsiA >1 .
— Supposons que la fonctionf admette une limite finie non nullelet que la fonctiongadmette une limite ´egale `a−∞(pour changer) lorsquextend versx0 . On a
∀ >0 , ∃η >0 ; (x6=x0 et|x−x0|< η)⇒ |f(x)−l|<
et
∀A >0 , ∃η >0 ;x6=x0et |x−x0|< η⇒g(x) <−A .
On va supposer quel est strictement positive (l’autre cas ´etant analogue. On a donc l−f(x)< l+
pourvu que x soit assez proche de x0 . Prenons alors = l/2 . De cette fa¸con, on sait que f(x)> l− > l/2>0 pour unη1>0 tel quex6=x0et|x−x0|< η1.De mˆeme on a unη2 pour lequel
x6=x0et |x−x0|< η2⇒g(x) <−2A l . Alors, siη= Inf(η1, η2) , on a
f(x)g(x)<−l 2
2A
l =−A .
— Le cas o`u les limites def et de gsont infinies lorsquextend versx0 est enti`erement analogue.
— Pour l’´etude du cas o`u l’on a un quotient, on remarquera qu’il suffit de v´erifier que, sig tend vers 0 lorsquextend versx0 , la fonction 1/g(x) tend vers l’infini (avec le signe deg). On a donc
∀ >0 , ∃η >0 ; (x6=x0 et |x−x0|< η)⇒ |g(x)|<
(avec 0<|g(x)|d`es que η est assez petit). SoitA >0 . Alors il existe η tel que (x6=x0et |x−x0|< η)⇒0<|g(x)|< 1
A d’o`u
A < 1
|g(x)| .
Si, par exemple,g(x) reste positive sur ]x0, x0+η[ , on en d´eduit que A < 1
g(x) .
Th´eor`eme 4. (passage `a la limite dans les in´egalit´es) Soientf etgdeux fonctions num´eriques d´efinies sur le mˆeme intervalle I . On suppose que
∀x∈I f(x)≤g(x).
On suppose que f etg admettent une limite not´ee respectivementl etl0 lorsquex tend versx0 . Alors on al≤l0 .
Quelques indications. On raisonne par l’absurde. Supposons que l0 < l . Posons alors= (l−l0)/2 . On a
l0−=l0−(l−l0)/2< l0< l0+= (l+l0)/2 =l− < l < l+ .
Donc il existe η1 tel que |x−x0| < η1 ⇒ |f(x)−l| < soit f(x) > (l+l0)/2 . De mˆeme il existe η2 tel que |x−x0| < η2 ⇒ |g(x)−l0| < soit g(x) < (l +l0)/2 . Ainsi, pour tous les x tels que
|x−x0|< η= Inf(η1, η2) , on a
f(x)> g(x) ce qui est contraire `a l’hypoth`ese.
Remarque 1.12. Attention on peut avoirf(x)< g(x)maisl=l0 . Ainsi
|sinx|<|x| six6= 0 mais les deux limites en0 sont ´egales `a0 .
D´efinition 1.13. On dira que les fonctions f etg sont ´equivalentes au voisinage dex0 si et seulement si la limite def(x)/g(x)existe et vaut 1lorsquextend vers x0 .
2 Continuit´ e des fonctions num´ eriques de la variable r´ eelle.
D´efinition 2.1. Soitf une fonction num´eriques de la variable r´eelle x. On suppose que f est d´efinie sur un voisinage dex0 . On dit que f est continue en x0 si et seulement si f admet une limite lorsque xtend ersx0 et que cette limite estf(x0) =y0 .
D´efinition 2.2. Soitf une fonction num´erique de la variable r´eelle x . On suppose que f est d´efinie sur l’intervalle I . On dit que f est continue sur I si f est continue en tout point de I . On note C(I;R) =C0(I;R)l’espace des fonctions continues surI .
Exemple 2.3. Toutes les fonctions polynomiales sont continues (d’apr`es les th´eor`emes sur les limites).
La fonction E(x)(partie enti`ere dex) est continue en tout point non entier. Elle n’est pas continue aux pointsx0∈Z . Rappelons que
E(x) =n sin≤x < n+ 1 .
Th´eor`eme 5. Soitλun r´eel. Soientf etg deux fonctions num´eriques de la variable r´eellex.
— si f est continue enx0 alorsλf est continue enx0;
— si f est continue enx0 et sig est continue enx0 alorsf+g est continue enx0;
— si f est continue enx0 et sig est continue enx0 alorsf g est continue enx0;
— si f est continue enx0 , sig est continue enx0 etg(x0)6= 0alorsf /g est continue enx0;
— si f est continue enx0 et sig est continue eny0 o`uy0=f(x0)alorsg◦f est continue enx0; D´emonstration. Ces propri´et´es r´esultent imm´ediatement des r´esultats analogues sur les limites.
Corollaire 2.4. L’espace C(I;R) =C0(I;R)est un espace vectoriel r´eel.
Propri´et´es globales des fonctions continues
Th´eor`eme 6. Soitf une fonction continue sur l’intervalle ferm´e et born´e I = [a, b] (on parlera d’in- tervalle compact). Alors f est born´ee surI et atteint son maximum et son minimum.
(Indication de la) D´emonstration. On peut raisonner par l’absurde et par dichotomie. Sif n’est pas born´ee sur [a, b] , c’est qu’elle n’est pas born´ee sur (au moins) l’un des intervalles [a,a+b2 ] ou [a+b2 , b] . On construit ainsi deux suitesai et bi aveca0=aetb0=btelles queai est croissante, bi d´ecroissante, ai< bi etbi−ai=b−a2i . Elles sont donc adjacentes et ont une limite communec (´el´ement de [a, b] . Or f est continue encet donc doit ˆetre born´ee sur tout voisinage assez petit dec. Un tel voisinage contient [ai, bi] d`es que iest assez grand. C’est absurde puisquef n’y est pas born´ee par construction.
Remarque 2.5. Toutes les hypoth`eses sont utiles. La fonctionf d´efinie par f(0) = 0 et f(x) = 1x si x 6= 0 n’est pas born´ee sur [−1,1] ou sur [0,1] (elle n’est pas continue en 0). La fonction x n’est pas born´ee sur [0,+∞[ (l’intervalle n’´etant pas born´e). La fonction 1−x n’atteint pas sa borne inf´erieure sur [0,1[mais l’intervalle n’est pas ferm´e en 1 .
Th´eor`eme 7. Soitf une fonction continue sur l’intervalle I . Soient aet b deux points de I tels que f(a)f(b)<0 . Il existe c dans ]a, b[ tel que f(c) = 0 . Ainsi une fonction continue ne peut changer de signe sans s’annuler.
(Indication de la) D´emonstration. Il est facile de proc´eder par dichotomie. En effet soitf s’annule an
a+b
2 (et on a trouv´e un z´ero def) soit le signe de f a+b2
est distinct de celui def(a) ou def(b) . On construit ainsi deux suitesai etbiadjacentes telles quef(ai)f(bi)<0 . Elles ont une limite communec et f(c) doit ˆetre du signe def(ai) puisquef(ai) tend versf(c) et du signe de f(bi) puisquef(bi) tend versf(c) . Breff(c) = 0 .
Corollaire 2.6. (Th´eor`eme des valeurs interm´ediaires) Soit f une fonction continue sur l’intervalle I de la droite r´eelle. Alors l’image deI parf est un intervalle.
(Indication de la) D´emonstration. Si f(a) < ξ < f(b) alors la fonction g(x) = f(x)−ξ (qui est continue sur [a, b] change de signe entreaetbdonc elle doit s’annuler.
Exemple 2.7. Si l’on reprend la fonction partie enti`ere, on voit qu’une fonction non continue ne satisfait pas le th´eor`eme des valeurs interm´ediaires.
Th´eor`eme 8. Soitf une fonction continue et strictement monotone sur un intervalleI . Alorsf d´efinit une bijection de I sur f(I) . Sa bijection r´eciproque g =f−1 est continue et monotone (avec le mˆeme sens de variation que f) def(I)surI .
D´emonstration. Commef est strictement monotone, elle est injective :
x6=y⇔x < yet x > y⇔f(x)< f(y) etf(x)> f(y)⇔f(x)6=f(y) ;
Comme f est continue, son image J =f(I) est un intervalle. On d´efinit ainsi une bijection de I dans f(I) = J . Consid´erons alorsg =f−1 l’application r´eciproque. Si f est croissante (resp. d´ecroissante), alorsgest croissante (resp. d´ecroissante) :
x=g(y)< x0=g(y0)⇔y=f(x)< y0 =f(x0).
Il nous reste `a v´erifier quegest continue surJ =f(I) . Pour cela, nous supposeronsf croissante et nous nous ram`enerons `a la d´efinition. Soity0un point deJ =f(I) . On supposera quey0 est int´erieur `aJ (le cas o`uy0est une borne deJ est analogue mais plus simple). Posonsx0=g(y0) soit encorey0=f(x0) . Soit >0 quelconque. Nous cherchons `a d´eterminer desy pour lesquels|g(y)−g(y0)|< . Alors on a g(y0)− < g(y0) =x0 < g(y0) +soit f(g(y0)−)< f(x0) =y0 < f(g(y0) +) (en supposant que soit assez petit pour g(y0)−et g(y0) + appartiennent `a I). Introduisons alorsη un r´eel strictement positif tel que
f(g(y0)−)< y0−η < f(x0) =y0< y0+η < f(g(y0) +). Alors, siy0−η < y < y0+η , on a (par monotonie deg)
g(y0)− < g(y0−η)< g(y)< g(y0+η)< g(y0) + . Bref
|y−y0|< η⇒ |g(y)−g(y0)|< .
Remarque 2.8. Le graphe de la fonctiong s’obtient en effectuant la sym´etrie par rapport `a la premi`ere bissectrice du graphe de la fonctionf .
Quelques fonctions classiques.
On rappelle au pr´ealable que la fonctionx7→exp (x) est continue et strictement croissante deRdans R+∗. Elle admet la fonctionx7→ln (x) comme application r´eciproque continue et strictement croissante de R+∗ dansR . Cela permet de d´efinir l’un e de ces deux fonctions d`es que l’autre est d´efinie. Ainsi l’exponentielle est la r´eciproque de la primitive dex7→1/xqui vaut 0 en 1 . Mais le logarithme est aussi la r´eciproque de la fonction qui vaut 1 en 0 et est ´egale `a sa propre d´eriv´ee.
Exemple 2.9. Soit n un entier non nul. La fonction x 7→ xn est d´efinie, continue et strictement croissante de[0,+∞[dans[0,+∞[. Elle y admet donc une fonction r´eciproque continue et strictement croissante. Elle est not´eey7→xn1 .
Exemple 2.10. La fonctionx7→sinxest continue et strictement croissante de[−π2,+π2]sur l’intervalle [−1,1]. On notex7→Arcsin(x)sa r´eciproque, d´efinie et continue sur [−1,1]`a valeurs dans[−π2,+π2]. Exemple 2.11. La fonctionx7→cosxest continue et strictement d´ecroissante de[0, π]sur l’intervalle [−1,1]. On notex7→Arccos(x)sa r´eciproque, d´efinie et continue sur [−1,1]`a valeurs dans[0, π] . Exemple 2.12. La fonctionx7→tanxest continue et strictement croissante de]−π2,+π2[sur R. On notex7→Arctan(x)sa r´eciproque, d´efinie et continue sur R`a valeurs dans]−π2,+π2[.
Exemple 2.13. On note shx la fonction sh(x) = ex−e2−x . On v´erifie que cette fonction est d´efinie et continue sur R , impaire et strictement croissante. On notera Argsh sa r´eciproque. Elle est d´efinie, continue, impaire et strictement croissante deRdansR .
Exemple 2.14. On note chx la fonction ch(x) = ex+e2−x . On v´erifie que cette fonction est d´efinie et continue `a valeurs dans[1,+∞[ , paire et strictement croissante sur l’intervalle[0,+∞[ . On notera Argchsa r´eciproque. Elle est d´efinie, continue, impaire et strictement croissante de[1,+∞[dans[0,+∞[
.
Exemple 2.15. On note thx la fonction th(x) = sh(x)ch(x) . On v´erifie que cette fonction est d´efinie et continue sur R , impaire et strictement croissante `a valeurs dans ]−1,1[ . On note x7→ Argth(x)sa r´eciproque, d´efinie et continue sur ]−1,1[`a valeurs dansR .