Licence 1Analyse

Limites de fonctions

50 min15 exercicesSéquence 2.2 — Licence 1
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Durée : 50 min

Limites de fonctions

1. Définition formelle (ε-δ)

Soit ff une fonction définie au voisinage de aa (sauf éventuellement en aa). On dit que ff admet la limite ℓ∈R\ell \in \mathbb{R} en aa si :

∀ε>0,  ∃δ>0,  ∀x∈Df,  0<∣x−a∣<δ⇒∣f(x)−ℓ∣<ε\forall \varepsilon > 0,\; \exists \delta > 0,\; \forall x \in D_f,\; 0 < |x - a| < \delta \Rightarrow |f(x) - \ell| < \varepsilon

Notation : lim⁡x→af(x)=ℓ\displaystyle\lim_{x \to a} f(x) = \ell

2. Limites infinies et à l'infini

- lim⁡x→af(x)=+∞\displaystyle\lim_{x \to a} f(x) = +\infty : pour tout M>0M > 0, il existe δ>0\delta > 0 tel que 0<∣x−a∣<δ⇒f(x)>M0 < |x-a| < \delta \Rightarrow f(x) > M
- lim⁡x→+∞f(x)=ℓ\displaystyle\lim_{x \to +\infty} f(x) = \ell : pour tout ε>0\varepsilon > 0, il existe A>0A > 0 tel que x>A⇒∣f(x)−ℓ∣<εx > A \Rightarrow |f(x) - \ell| < \varepsilon

3. Limites à gauche et à droite

lim⁡x→a−f(x)=ℓ1etlim⁡x→a+f(x)=ℓ2\lim_{x \to a^-} f(x) = \ell_1 \quad \text{et} \quad \lim_{x \to a^+} f(x) = \ell_2

ff admet une limite en aa si et seulement si ℓ1=ℓ2\ell_1 = \ell_2.

4. Opérations sur les limites

Si lim⁡x→af(x)=ℓ\displaystyle\lim_{x \to a} f(x) = \ell et lim⁡x→ag(x)=m\displaystyle\lim_{x \to a} g(x) = m, alors :


OpérationRésultat
|-----------|----------|



f+gf + gℓ+m\ell + m
f⋅gf \cdot gℓ⋅m\ell \cdot m
f/gf/g (si m≠0m \neq 0)ℓ/m\ell/m

Formes indéterminées : 00\frac{0}{0}, ∞∞\frac{\infty}{\infty}, 0×∞0 \times \infty, ∞−∞\infty - \infty, 1∞1^\infty, 000^0, ∞0\infty^0.

5. Théorèmes fondamentaux

Théorème des gendarmes (squeeze theorem) : Si g(x)≤f(x)≤h(x)g(x) \leq f(x) \leq h(x) au voisinage de aa et lim⁡x→ag(x)=lim⁡x→ah(x)=ℓ\displaystyle\lim_{x \to a} g(x) = \lim_{x \to a} h(x) = \ell, alors lim⁡x→af(x)=ℓ\displaystyle\lim_{x \to a} f(x) = \ell.

Limites usuelles importantes :

lim⁡x→0sin⁡xx=1lim⁡x→0ex−1x=1lim⁡x→0ln⁡(1+x)x=1\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1 \qquad \lim_{x \to 0} \frac{e^x - 1}{x} = 1 \qquad \lim_{x \to 0} \frac{\ln(1+x)}{x} = 1

lim⁡x→+∞exxn=+∞lim⁡x→+∞ln⁡xxα=0 pour α>0\lim_{x \to +\infty} \frac{e^x}{x^n} = +\infty \qquad \lim_{x \to +\infty} \frac{\ln x}{x^\alpha} = 0 \text{ pour } \alpha > 0

6. Exemple résolu

Calculer lim⁡x→0sin⁡(3x)x\displaystyle\lim_{x \to 0} \frac{\sin(3x)}{x}.

Solution : On pose u=3xu = 3x, donc u→0u \to 0 quand x→0x \to 0.

sin⁡(3x)x=3⋅sin⁡(3x)3x=3⋅sin⁡uu→u→03×1=3\frac{\sin(3x)}{x} = 3 \cdot \frac{\sin(3x)}{3x} = 3 \cdot \frac{\sin u}{u} \xrightarrow[u \to 0]{} 3 \times 1 = 3

Calculer lim⁡x→+∞3x2−2x+15x2+x−4\displaystyle\lim_{x \to +\infty} \frac{3x^2 - 2x + 1}{5x^2 + x - 4}.

Solution : On divise numérateur et dénominateur par x2x^2 :

3x2−2x+15x2+x−4=3−2/x+1/x25+1/x−4/x2→x→+∞35\frac{3x^2 - 2x + 1}{5x^2 + x - 4} = \frac{3 - 2/x + 1/x^2}{5 + 1/x - 4/x^2} \xrightarrow[x \to +\infty]{} \frac{3}{5}

7. Comparaison des infinis

On a les croissances comparées : ln⁡x≪xα≪ex\ln x \ll x^\alpha \ll e^x quand x→+∞x \to +\infty (pour tout α>0\alpha > 0).

Exercices

Quelle est la limite lim⁡x→2(3x2−5x+1)\lim_{x \to 2} (3x^2 - 5x + 1) ?

lim⁡x→+∞2x+1x−3\lim_{x \to +\infty} \frac{2x+1}{x-3} vaut :

La limite lim⁡x→0sin⁡(5x)x\lim_{x \to 0} \frac{\sin(5x)}{x} vaut :

Vrai ou faux : Si lim⁡x→af(x)=ℓ\lim_{x\to a} f(x) = \ell et lim⁡x→ag(x)=0\lim_{x\to a} g(x) = 0, alors lim⁡x→af(x)/g(x)\lim_{x\to a} f(x)/g(x) n'existe pas.

lim⁡x→+∞exx100\lim_{x \to +\infty} \frac{e^x}{x^{100}} vaut :

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