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Limites de fonctions

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Academic year: 2022

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Texte intégral

(1)

Limites de fonctions www.mathGM.fr Les savoir-faire Le problème du chapitre Limite d’une fonction en l’infini Limite infinie en un réel Opérations sur les limites Les formes indéterminées Théorème de comparaison et croissance comparée

Limites de fonctions

www.mathGM.fr

Lycée Louise Michel (Gisors)

(2)

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Les savoir-faire

50. Déterminer la limite d’une somme, d’un produit, d’un quotient (sans forme indéterminée).

51. Déterminer la limite d’une composée.

52. Déterminer la limite lors d’une forme indéterminée.

53. Déterminer une limite par minoration, majoration, encadrement.

54. Interpréter graphiquement les limites.

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Le problème de Nabolos

Soit f la fonction définie sur ]0 ; +∞[ par : f (x) = 5x + 3

x Soit ǫ un réel strictement positif.

Quelque soit le réel ǫ choisi, Nabolos affirme qu’il existe un réel A tel que si x > A, f (x) ∈]5 − ǫ ; 5 + ǫ[.

A-t-il raison ?

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Limite infinie

Définition

On dit que f (x) tend vers +∞ quand x tend vers +∞ et on note lim

x→+∞ f (x) = + ∞ lorsque tout intervalle ouvert de la forme ]A ; +∞[ , contient toutes les images f (x) pour x assez grand.

Autrement dit, pour tout nombre A, il existe un nombre réel m tel que si x > m alors f (x) > A.

−2 −1 2 3 4 5

2 3 4

O I

J

C f

m A

y = A

x

f (x)

(5)

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Limite infinie

Remarques

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Limite infinie

Remarques

On définit de façon analogue : lim

x →+∞ f (x) = −∞,

x →−∞ lim f (x) = +∞ et lim

x →−∞ f (x) = −∞.

(7)

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Limite infinie

Remarques

On définit de façon analogue : lim

x →+∞ f (x) = −∞,

x →−∞ lim f (x) = +∞ et lim

x →−∞ f (x) = −∞.

Il existe des fonctions qui n’admettent pas de limite en

l’infini.

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Limite infinie

Remarques

On définit de façon analogue : lim

x →+∞ f (x) = −∞,

x →−∞ lim f (x) = +∞ et lim

x →−∞ f (x) = −∞.

Il existe des fonctions qui n’admettent pas de limite en l’infini.

Une fonction qui tend vers l’infini lorsque x tend vers

l’infini n’est pas forcément croissante.

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Limite finie

Définition

On dit que f (x) tend vers un nombre réel quand x tend vers +∞ et on note lim

x →+∞ f (x) = ℓ, lorsque tout intervalle ouvert contenant contient tous les f (x) pour x assez grand.

Autrement dit, pour tout nombre réel ε > 0, il existe un nombre réel m tel que si x > m alors ε 6 f (x) 6 + ε.

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

2 3 4

O I

J

C f y = + ε

ε

m

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Asymptote horizontale

Définition Si lim

x→+∞ f (x) = ℓ, on dit alors que la droite d’équation y =

est une asymptote horizontale à la courbe C f en +∞.

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Limite infinie

Soit f une fonction définie sur un intervalle ouvert I et a une borne de l’intervalle I.

Définition

On dit que f (x) tend vers +∞

quand x tend vers a et on note

x→a lim f (x) = + ∞ , lorsque tout inter- valle de la forme ]A ; +∞[ contient f (x) pour x suffisamment proche de a dans I.

Autrement dit, pour tout nombre A, il existe un réel ǫ tel que si xI et

aǫ 6 x 6 a + ǫ alors f (x) > A.

1 2 3 4 5

2 3 4 5 6

O I J

C f A

x = a

a+ǫ aǫ

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Limite infinie

Soit f une fonction définie sur un intervalle ouvert I et a une borne de l’intervalle I.

Définition

On dit que f (x) tend vers +∞

quand x tend vers a et on note

x→a lim f (x) = + ∞ , lorsque tout inter- valle de la forme ]A ; +∞[ contient f (x) pour x suffisamment proche de a dans I.

Autrement dit, pour tout nombre A, il existe un réel ǫ tel que si xI et

aǫ 6 x 6 a + ǫ alors f (x) > A.

1 2 3 4 5

2 3 4 5 6

O I J

C f A

x = a

a+ǫ aǫ

Asymptote

On dit alors que la droite d’équation x = a est une asymp-

tote verticale à C f .

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Limite infinie en un réel

Remarques

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Limite infinie en un réel

Remarques

Lorsque x tend vers x 0 , cela peut parfois se faire en augmentant ou en diminuant. On parle alors de limite de f à gauche (resp. droite) en x 0 qu’on note

x lim → x

0

x<x

0

f (x) (resp. x lim x

x>x

00

f (x)).

(15)

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Limite infinie en un réel

Remarques

Lorsque x tend vers x 0 , cela peut parfois se faire en augmentant ou en diminuant. On parle alors de limite de f à gauche (resp. droite) en x 0 qu’on note

x lim → x

0

x<x

0

f (x) (resp. x lim x

x>x

00

f (x)).

Une fonction admet une limite en x 0 si, et seulement

si, f admet des limites à droite et à gauche en x 0 qui

sont égales (ce qui n’est pas toujours le cas).

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Limite infinie en un réel

Remarques

Lorsque x tend vers x 0 , cela peut parfois se faire en augmentant ou en diminuant. On parle alors de limite de f à gauche (resp. droite) en x 0 qu’on note

x lim → x

0

x<x

0

f (x) (resp. x lim x

x>x

00

f (x)).

Une fonction admet une limite en x 0 si, et seulement si, f admet des limites à droite et à gauche en x 0 qui sont égales (ce qui n’est pas toujours le cas).

Une fonction peut très bien ne pas avoir de limite du

tout en un point.

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Dans ce paragraphe, a désigne soit un réel, soit +∞, soit

−∞.

Somme

x→a lim f (x) + g(x).

x lim → a f (x) →

x lim → a g(x)

∈ R + ∞ −∞

∈ R +∞

−∞

(18)

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Dans ce paragraphe, a désigne soit un réel, soit +∞, soit

−∞.

Somme

x→a lim f (x) + g(x).

x lim → a f (x) →

x lim → a g(x)

∈ R + ∞ −∞

∈ R + +∞

−∞

(19)

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Dans ce paragraphe, a désigne soit un réel, soit +∞, soit

−∞.

Somme

x→a lim f (x) + g(x).

x lim → a f (x) →

x lim → a g(x)

∈ R + ∞ −∞

∈ R + +∞

+∞

−∞

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Dans ce paragraphe, a désigne soit un réel, soit +∞, soit

−∞.

Somme

x→a lim f (x) + g(x).

x lim → a f (x) →

x lim → a g(x)

∈ R + ∞ −∞

∈ R + +∞ −∞

+∞

−∞

(21)

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Dans ce paragraphe, a désigne soit un réel, soit +∞, soit

−∞.

Somme

x→a lim f (x) + g(x).

x lim → a f (x) →

x lim → a g(x)

∈ R + ∞ −∞

∈ R + +∞ −∞

+∞ + ∞

−∞

(22)

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Dans ce paragraphe, a désigne soit un réel, soit +∞, soit

−∞.

Somme

x→a lim f (x) + g(x).

x lim → a f (x) →

x lim → a g(x)

∈ R + ∞ −∞

∈ R + +∞ −∞

+∞ + ∞ + ∞

−∞

(23)

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Dans ce paragraphe, a désigne soit un réel, soit +∞, soit

−∞.

Somme

x→a lim f (x) + g(x).

x lim → a f (x) →

x lim → a g(x)

∈ R + ∞ −∞

∈ R + +∞ −∞

+∞ + ∞ + ∞ ?

−∞

(24)

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Dans ce paragraphe, a désigne soit un réel, soit +∞, soit

−∞.

Somme

x→a lim f (x) + g(x).

x lim → a f (x) →

x lim → a g(x)

∈ R + ∞ −∞

∈ R + +∞ −∞

+∞ + ∞ + ∞ ?

−∞ −∞

(25)

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Dans ce paragraphe, a désigne soit un réel, soit +∞, soit

−∞.

Somme

x→a lim f (x) + g(x).

x lim → a f (x) →

x lim → a g(x)

∈ R + ∞ −∞

∈ R + +∞ −∞

+∞ + ∞ + ∞ ?

−∞ −∞ ?

(26)

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Dans ce paragraphe, a désigne soit un réel, soit +∞, soit

−∞.

Somme

x→a lim f (x) + g(x).

x lim → a f (x) →

x lim → a g(x)

∈ R + ∞ −∞

∈ R + +∞ −∞

+∞ + ∞ + ∞ ?

−∞ −∞ ? −∞

(27)

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Opérations sur les limites

Produit

x→a lim f (x) × g(x).

x lim → a f (x) →

x→a lim g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 ∈ R

+ ∞

−∞

(28)

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Opérations sur les limites

Produit

x→a lim f (x) × g(x).

x lim → a f (x) →

x→a lim g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 0

∈ R + ∞

−∞

(29)

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Opérations sur les limites

Produit

x→a lim f (x) × g(x).

x lim → a f (x) →

x→a lim g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 0 0

∈ R + ∞

−∞

(30)

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Opérations sur les limites

Produit

x→a lim f (x) × g(x).

x lim → a f (x) →

x→a lim g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 0 0 ?

∈ R + ∞

−∞

(31)

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Opérations sur les limites

Produit

x→a lim f (x) × g(x).

x lim → a f (x) →

x→a lim g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 0 0 ? ?

∈ R + ∞

−∞

(32)

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Opérations sur les limites

Produit

x→a lim f (x) × g(x).

x lim → a f (x) →

x→a lim g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 0 0 ? ?

∈ R 0 + ∞

−∞

(33)

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Opérations sur les limites

Produit

x→a lim f (x) × g(x).

x lim → a f (x) →

x→a lim g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 0 0 ? ?

∈ R 0 ℓℓ + ∞

−∞

(34)

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Opérations sur les limites

Produit

x→a lim f (x) × g(x).

x lim → a f (x) →

x→a lim g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 0 0 ? ?

∈ R 0 ℓℓ ±∞

+ ∞

−∞

(35)

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Opérations sur les limites

Produit

x→a lim f (x) × g(x).

x lim → a f (x) →

x→a lim g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 0 0 ? ?

∈ R 0 ℓℓ ±∞ ±∞

+ ∞

−∞

(36)

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Opérations sur les limites

Produit

x→a lim f (x) × g(x).

x lim → a f (x) →

x→a lim g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 0 0 ? ?

∈ R 0 ℓℓ ±∞ ±∞

+ ∞ ?

−∞

(37)

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Opérations sur les limites

Produit

x→a lim f (x) × g(x).

x lim → a f (x) →

x→a lim g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 0 0 ? ?

∈ R 0 ℓℓ ±∞ ±∞

+ ∞ ? ±∞

−∞

(38)

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Opérations sur les limites

Produit

x→a lim f (x) × g(x).

x lim → a f (x) →

x→a lim g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 0 0 ? ?

∈ R 0 ℓℓ ±∞ ±∞

+ ∞ ? ±∞ +∞

−∞

(39)

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Opérations sur les limites

Produit

x→a lim f (x) × g(x).

x lim → a f (x) →

x→a lim g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 0 0 ? ?

∈ R 0 ℓℓ ±∞ ±∞

+ ∞ ? ±∞ +∞ −∞

−∞

(40)

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Opérations sur les limites

Produit

x→a lim f (x) × g(x).

x lim → a f (x) →

x→a lim g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 0 0 ? ?

∈ R 0 ℓℓ ±∞ ±∞

+ ∞ ? ±∞ +∞ −∞

−∞ ?

(41)

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Opérations sur les limites

Produit

x→a lim f (x) × g(x).

x lim → a f (x) →

x→a lim g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 0 0 ? ?

∈ R 0 ℓℓ ±∞ ±∞

+ ∞ ? ±∞ +∞ −∞

−∞ ? ±∞

(42)

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Opérations sur les limites

Produit

x→a lim f (x) × g(x).

x lim → a f (x) →

x→a lim g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 0 0 ? ?

∈ R 0 ℓℓ ±∞ ±∞

+ ∞ ? ±∞ +∞ −∞

−∞ ? ±∞ −∞

(43)

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Opérations sur les limites

Produit

x→a lim f (x) × g(x).

x lim → a f (x) →

x→a lim g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 0 0 ? ?

∈ R 0 ℓℓ ±∞ ±∞

+ ∞ ? ±∞ +∞ −∞

−∞ ? ±∞ −∞ +∞

(44)

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Opérations sur les limites

Quotient lim

x→a

f (x) g(x) .

x→a lim f (x) →

x lim → a g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 ∈ R

+∞

−∞

(45)

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Opérations sur les limites

Quotient lim

x→a

f (x) g(x) .

x→a lim f (x) →

x lim → a g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 ?

∈ R +∞

−∞

(46)

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Opérations sur les limites

Quotient lim

x→a

f (x) g(x) .

x→a lim f (x) →

x lim → a g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 ? ±∞

∈ R +∞

−∞

(47)

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Opérations sur les limites

Quotient lim

x→a

f (x) g(x) .

x→a lim f (x) →

x lim → a g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 ? ±∞ ±∞

∈ R +∞

−∞

(48)

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Opérations sur les limites

Quotient lim

x→a

f (x) g(x) .

x→a lim f (x) →

x lim → a g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 ? ±∞ ±∞ ±∞

∈ R +∞

−∞

(49)

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Opérations sur les limites

Quotient lim

x→a

f (x) g(x) .

x→a lim f (x) →

x lim → a g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 ? ±∞ ±∞ ±∞

∈ R 0 +∞

−∞

(50)

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Opérations sur les limites

Quotient lim

x→a

f (x) g(x) .

x→a lim f (x) →

x lim → a g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 ? ±∞ ±∞ ±∞

∈ R 0

+∞

−∞

(51)

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Opérations sur les limites

Quotient lim

x→a

f (x) g(x) .

x→a lim f (x) →

x lim → a g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 ? ±∞ ±∞ ±∞

∈ R 0

±∞

+∞

−∞

(52)

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Opérations sur les limites

Quotient lim

x→a

f (x) g(x) .

x→a lim f (x) →

x lim → a g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 ? ±∞ ±∞ ±∞

∈ R 0

±∞ ±∞

+∞

−∞

(53)

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Opérations sur les limites

Quotient lim

x→a

f (x) g(x) .

x→a lim f (x) →

x lim → a g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 ? ±∞ ±∞ ±∞

∈ R 0

±∞ ±∞

+∞ 0

−∞

(54)

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Opérations sur les limites

Quotient lim

x→a

f (x) g(x) .

x→a lim f (x) →

x lim → a g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 ? ±∞ ±∞ ±∞

∈ R 0

±∞ ±∞

+∞ 0 0

−∞

(55)

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Opérations sur les limites

Quotient lim

x→a

f (x) g(x) .

x→a lim f (x) →

x lim → a g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 ? ±∞ ±∞ ±∞

∈ R 0

±∞ ±∞

+∞ 0 0 ?

−∞

(56)

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Opérations sur les limites

Quotient lim

x→a

f (x) g(x) .

x→a lim f (x) →

x lim → a g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 ? ±∞ ±∞ ±∞

∈ R 0

±∞ ±∞

+∞ 0 0 ? ?

−∞

(57)

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Opérations sur les limites

Quotient lim

x→a

f (x) g(x) .

x→a lim f (x) →

x lim → a g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 ? ±∞ ±∞ ±∞

∈ R 0

±∞ ±∞

+∞ 0 0 ? ?

−∞ 0

(58)

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Opérations sur les limites

Quotient lim

x→a

f (x) g(x) .

x→a lim f (x) →

x lim → a g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 ? ±∞ ±∞ ±∞

∈ R 0

±∞ ±∞

+∞ 0 0 ? ?

−∞ 0 0

(59)

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Opérations sur les limites

Quotient lim

x→a

f (x) g(x) .

x→a lim f (x) →

x lim → a g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 ? ±∞ ±∞ ±∞

∈ R 0

±∞ ±∞

+∞ 0 0 ? ?

−∞ 0 0 ?

(60)

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Opérations sur les limites

Quotient lim

x→a

f (x) g(x) .

x→a lim f (x) →

x lim → a g(x)

0 ∈ R +∞ −∞

0 ? ±∞ ±∞ ±∞

∈ R 0

±∞ ±∞

+∞ 0 0 ? ?

−∞ 0 0 ? ?

(61)

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Exemples

Exemples

Calculer les limites suivantes :

lim

x→−∞

3 x

2

+ 1 x

lim

x→−∞

( x

− 5)(3 + x

2

) lim

x→0 x>0

1 x

x + 3 . Vidéo

(62)

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Limites et composition

Chacune des lettres a, b et c désigne soit un nombre réel, soit + ∞ , soit −∞ .

Composition

Soient u et f deux fonctions , alors si lim

x→a u(x) = b et

x lim → b f (x) = ℓ, alors lim

x→a f (u(x)) = .

(63)

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Limites et composition

Chacune des lettres a, b et c désigne soit un nombre réel, soit + ∞ , soit −∞ .

Composition

Soient u et f deux fonctions , alors si lim

x→a u(x) = b et

x lim → b f (x) = ℓ, alors lim

x→a f (u(x)) = ℓ.

Exemple

Calculer lim

x→+∞

r 4 x

− 1

2 x + 3 . Vidéo

(64)

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Lever une indétermination

Quatre formes indéterminées : ∞ − ∞, 0 × ∞, ∞

∞ ou 0 0 . Cas des polynômes

Calculer lim

x→+∞

( − 3 x

3

+ 2 x

2

− 6 x + 1). Vidéo

(65)

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Lever une indétermination

Quatre formes indéterminées : ∞ − ∞, 0 × ∞, ∞

∞ ou 0 0 . Cas des polynômes

Calculer lim

x→+∞

( − 3 x

3

+ 2 x

2

− 6 x + 1). Vidéo

Cas des fonctions rationnelles

Calculer lim

x→−∞

3 x

2

+ 2 4 x

− 1 . Vidéo

(66)

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Lever une indétermination

Quatre formes indéterminées : ∞ − ∞, 0 × ∞, ∞

∞ ou 0 0 . Cas des polynômes

Calculer lim

x→+∞

( − 3 x

3

+ 2 x

2

− 6 x + 1). Vidéo

Cas des fonctions rationnelles

Calculer lim

x→−∞

3 x

2

+ 2 4 x

− 1 . Vidéo

Avec une expression conjuguée

Calculer lim

x→+∞

x + 2 −

x . Vidéo

(67)

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Lever une indétermination

Quatre formes indéterminées : ∞ − ∞, 0 × ∞, ∞

∞ ou 0 0 . Cas des polynômes

Calculer lim

x→+∞

( − 3 x

3

+ 2 x

2

− 6 x + 1). Vidéo

Cas des fonctions rationnelles

Calculer lim

x→−∞

3 x

2

+ 2 4 x

− 1 . Vidéo

Avec une expression conjuguée

Calculer lim

x→+∞

x + 2 −

x . Vidéo

Avec un taux de variation

Calculer lim

x→5

x

− 1 − 2

x − 5 . Vidéo

(68)

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Comparaison

Soient f , g et h des fonctions définies sur un intervalle ouvert I et a un réel tel que aI ou a est une borne de I.

Théorème de comparaison

Si pour tout xI on a : g(x) 6 f (x) :

(69)

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Comparaison

Soient f , g et h des fonctions définies sur un intervalle ouvert I et a un réel tel que aI ou a est une borne de I.

Théorème de comparaison

Si pour tout xI on a : g(x) 6 f (x) : si lim

x→a g(x) = + ∞ alors lim

x→a f (x) = .

(70)

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Comparaison

Soient f , g et h des fonctions définies sur un intervalle ouvert I et a un réel tel que aI ou a est une borne de I.

Théorème de comparaison

Si pour tout xI on a : g(x) 6 f (x) : si lim

x→a g(x) = + ∞ alors lim

x→a f (x) = + ∞ . si lim

x→a f (x) = −∞ alors lim

x→a g(x) = .

(71)

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Comparaison

Soient f , g et h des fonctions définies sur un intervalle ouvert I et a un réel tel que aI ou a est une borne de I.

Théorème de comparaison

Si pour tout xI on a : g(x) 6 f (x) : si lim

x→a g(x) = + ∞ alors lim

x→a f (x) = + ∞ . si lim

x→a f (x) = −∞ alors lim

x→a g(x) = − ∞.

Théorème des gendarmes

Si pour tout xI on a : g(x) 6 f (x) 6 h(x) et si

x→a lim g(x) = lim

x→a h(x) = alors lim

x→a f (x) = .

(72)

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Comparaison

Soient f , g et h des fonctions définies sur un intervalle ouvert I et a un réel tel que aI ou a est une borne de I.

Théorème de comparaison

Si pour tout xI on a : g(x) 6 f (x) : si lim

x→a g(x) = + ∞ alors lim

x→a f (x) = + ∞ . si lim

x→a f (x) = −∞ alors lim

x→a g(x) = − ∞.

Théorème des gendarmes

Si pour tout xI on a : g(x) 6 f (x) 6 h(x) et si

x→a lim g(x) = lim

x→a h(x) = alors lim

x→a f (x) = ℓ.

(73)

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Croissances comparées et exemples

Croissances comparées

(74)

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Croissances comparées et exemples

Croissances comparées

x →+∞ lim e x

x = .

(75)

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Croissances comparées et exemples

Croissances comparées

x →+∞ lim e x

x = + ∞.

x→−∞ lim xe x = .

(76)

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Croissances comparées et exemples

Croissances comparées

x →+∞ lim e x

x = + ∞.

x→−∞ lim xe x = 0.

(77)

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Croissances comparées et exemples

Croissances comparées

x →+∞ lim e x

x = + ∞.

x→−∞ lim xe x = 0.

Remarques : Pour tout n ∈ N , lim

x→+∞

e x

x n = et

x→−∞ lim x n e x = .

(78)

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Croissances comparées et exemples

Croissances comparées

x →+∞ lim e x

x = + ∞.

x→−∞ lim xe x = 0.

Remarques : Pour tout n ∈ N , lim

x→+∞

e x

x n = + ∞ et

x→−∞ lim x n e x = .

(79)

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Croissances comparées et exemples

Croissances comparées

x →+∞ lim e x

x = + ∞.

x→−∞ lim xe x = 0.

Remarques : Pour tout n ∈ N , lim

x→+∞

e x

x n = + ∞ et

x→−∞ lim x n e x = 0.

(80)

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Croissances comparées et exemples

Croissances comparées

x →+∞ lim e x

x = + ∞.

x→−∞ lim xe x = 0.

Remarques : Pour tout n ∈ N , lim

x→+∞

e x

x n = + ∞ et

x→−∞ lim x n e x = 0.

Exemples

1. Calculer lim

x→+∞

( x + sin x ). Vidéo 2. Calculer lim

x→+∞

( x cos x x

2

+ 1 ). Vidéo 3. Déterminer lim

x→+∞

e

x

+ x

e

x

x

2

Vidéo

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