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Licence 1 · Analyse L1 — Limites, continuité et dérivabilité

Limites de fonctions

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 R\ell \in \mathbb{R} en aa si :

ε>0,  δ>0,  xDf,  0<xa<δf(x)<ε\forall \varepsilon > 0,\; \exists \delta > 0,\; \forall x \in D_f,\; 0 < |x - a| < \delta \Rightarrow |f(x) - \ell| < \varepsilon

Notation : limxaf(x)=\displaystyle\lim_{x \to a} f(x) = \ell

2. Limites infinies et à l'infini

- limxaf(x)=+\displaystyle\lim_{x \to a} f(x) = +\infty : pour tout M>0M > 0, il existe δ>0\delta > 0 tel que 0<xa<δf(x)>M0 < |x-a| < \delta \Rightarrow f(x) > M
- limx+f(x)=\displaystyle\lim_{x \to +\infty} f(x) = \ell : pour tout ε>0\varepsilon > 0, il existe A>0A > 0 tel que x>Af(x)<εx > A \Rightarrow |f(x) - \ell| < \varepsilon

3. Limites à gauche et à droite

limxaf(x)=1etlimxa+f(x)=2\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 1=2\ell_1 = \ell_2.

4. Opérations sur les limites

Si limxaf(x)=\displaystyle\lim_{x \to a} f(x) = \ell et limxag(x)=m\displaystyle\lim_{x \to a} g(x) = m, alors :


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



f+gf + g+m\ell + m
fgf \cdot gm\ell \cdot m
f/gf/g (si m0m \neq 0)/m\ell/m

Formes indéterminées : 00\frac{0}{0}, \frac{\infty}{\infty}, 0×0 \times \infty, \infty - \infty, 11^\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 limxag(x)=limxah(x)=\displaystyle\lim_{x \to a} g(x) = \lim_{x \to a} h(x) = \ell, alors limxaf(x)=\displaystyle\lim_{x \to a} f(x) = \ell.

Limites usuelles importantes :

limx0sinxx=1limx0ex1x=1limx0ln(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

limx+exxn=+limx+lnxxα=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 limx0sin(3x)x\displaystyle\lim_{x \to 0} \frac{\sin(3x)}{x}.

Solution : On pose u=3xu = 3x, donc u0u \to 0 quand x0x \to 0.

sin(3x)x=3sin(3x)3x=3sinuuu03×1=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 limx+3x22x+15x2+x4\displaystyle\lim_{x \to +\infty} \frac{3x^2 - 2x + 1}{5x^2 + x - 4}.

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

3x22x+15x2+x4=32/x+1/x25+1/x4/x2x+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 : lnxxαex\ln x \ll x^\alpha \ll e^x quand x+x \to +\infty (pour tout α>0\alpha > 0).

Exercices de la leçon

Exercice 1

Quelle est la limite limx2(3x25x+1)\lim_{x \to 2} (3x^2 - 5x + 1) ?

Corrigé

Par substitution directe (la fonction est un polynôme, donc continue) : 3(2)25(2)+1=1210+1=33(2)^2 - 5(2) + 1 = 12 - 10 + 1 = 3.

Exercice 2

limx+2x+1x3\lim_{x \to +\infty} \frac{2x+1}{x-3} vaut :

Corrigé

On divise par xx : 2x+1x3=2+1/x13/x21=2\frac{2x+1}{x-3} = \frac{2+1/x}{1-3/x} \to \frac{2}{1} = 2 quand x+x \to +\infty.

Exercice 3

La limite limx0sin(5x)x\lim_{x \to 0} \frac{\sin(5x)}{x} vaut :

Corrigé

sin(5x)x=5sin(5x)5x5×1=5\frac{\sin(5x)}{x} = 5 \cdot \frac{\sin(5x)}{5x} \to 5 \times 1 = 5 en utilisant limu0sinuu=1\lim_{u\to 0}\frac{\sin u}{u}=1.

Exercice 4

Vrai ou faux : Si limxaf(x)=\lim_{x\to a} f(x) = \ell et limxag(x)=0\lim_{x\to a} g(x) = 0, alors limxaf(x)/g(x)\lim_{x\to a} f(x)/g(x) n'existe pas.

Corrigé

Faux : si =0\ell = 0 également, la limite peut exister (forme indéterminée 0/00/0). Par exemple limx0x/x=1\lim_{x\to 0} x/x = 1.

Exercice 5

limx+exx100\lim_{x \to +\infty} \frac{e^x}{x^{100}} vaut :

Corrigé

Par croissances comparées, l'exponentielle l'emporte sur tout polynôme : limx+ex/xn=+\lim_{x\to+\infty} e^x/x^n = +\infty pour tout entier nn.

Exercice 6

Calculer limx0e2x1x\lim_{x \to 0} \frac{e^{2x}-1}{x}.

Corrigé

On pose u=2xu = 2x : e2x1x=2e2x12x=2eu1u2×1=2\frac{e^{2x}-1}{x} = 2\cdot\frac{e^{2x}-1}{2x} = 2\cdot\frac{e^u - 1}{u} \to 2 \times 1 = 2.

Exercice 7

Calculer limx01cosxx2\lim_{x \to 0} \frac{1 - \cos x}{x^2}.

Corrigé

On utilise 1cosx=2sin2(x/2)1 - \cos x = 2\sin^2(x/2), donc 1cosxx2=2sin2(x/2)x2=12(sin(x/2)x/2)212\frac{1-\cos x}{x^2} = 2\cdot\frac{\sin^2(x/2)}{x^2} = \frac{1}{2}\cdot\left(\frac{\sin(x/2)}{x/2}\right)^2 \to \frac{1}{2}.

Exercice 8

Vrai ou faux : limx+(x+1x)=0\lim_{x\to+\infty}(\sqrt{x+1}-\sqrt{x}) = 0.

Corrigé

On multiplie par le conjugué : x+1x=1x+1+x0\sqrt{x+1}-\sqrt{x} = \frac{1}{\sqrt{x+1}+\sqrt{x}} \to 0 car le dénominateur tend vers ++\infty.

Exercice 9

Calculer limx0+xlnx\lim_{x\to 0^+} x\ln x.

Corrigé

Forme 0×()0\times(-\infty). On pose t=lnx+t = -\ln x \to +\infty : xlnx=ett0x\ln x = -e^{-t}\cdot t \to 0 car t/et0t/e^t \to 0 (croissances comparées).

Exercice 10

Calculer limx+(1+1x)x\lim_{x\to+\infty}\left(1+\frac{1}{x}\right)^x.

Corrigé

C'est la définition du nombre ee : e=limx+(1+1x)xe = \lim_{x\to+\infty}\left(1+\frac{1}{x}\right)^x. On peut le montrer en passant au logarithme : xln(1+1/x)1x\ln(1+1/x) \to 1.

Exercice 11

Donner la définition ε-δ et montrer que limx3(2x1)=5\lim_{x\to 3}(2x-1) = 5.

Corrigé

Définition : limxaf(x)=\lim_{x\to a}f(x)=\ell si ε>0,δ>0,0<xa<δf(x)<ε\forall\varepsilon>0,\exists\delta>0, 0<|x-a|<\delta\Rightarrow|f(x)-\ell|<\varepsilon.

Preuve : Soit ε>0\varepsilon>0. On calcule f(x)5=2x15=2x6=2x3|f(x)-5| = |2x-1-5| = |2x-6| = 2|x-3|. Pour que ceci soit <ε<\varepsilon, il suffit que x3<ε/2|x-3| < \varepsilon/2. On choisit donc δ=ε/2\delta = \varepsilon/2. Alors 0<x3<δ2x15=2x3<2δ=ε0<|x-3|<\delta \Rightarrow |2x-1-5| = 2|x-3| < 2\delta = \varepsilon. \square

Exercice 12

Calculer limx0ln(1+x)x+x2/2x3\lim_{x\to 0}\frac{\ln(1+x) - x + x^2/2}{x^3}.

Corrigé

On utilise le développement limité : ln(1+x)=xx22+x33+o(x3)\ln(1+x) = x - \dfrac{x^2}{2} + \dfrac{x^3}{3} + o(x^3). Donc ln(1+x)x+x22=x33+o(x3)\ln(1+x) - x + \dfrac{x^2}{2} = \dfrac{x^3}{3} + o(x^3), et en divisant par x3x^3 : ln(1+x)x+x2/2x313\dfrac{\ln(1+x)-x+x^2/2}{x^3} \to \dfrac{1}{3}.

Exercice 13

Montrer par le théorème des gendarmes que limx+sinxx=0\lim_{x\to+\infty}\frac{\sin x}{x}=0.

Corrigé

Preuve par les gendarmes :

Pour tout x>0x > 0, on a 1sinx1-1 \leq \sin x \leq 1, donc en divisant par x>0x > 0 :

1xsinxx1x-\frac{1}{x} \leq \frac{\sin x}{x} \leq \frac{1}{x}

Or limx+1x=0\displaystyle\lim_{x\to+\infty}\frac{-1}{x} = 0 et limx+1x=0\displaystyle\lim_{x\to+\infty}\frac{1}{x} = 0.

Par le théorème des gendarmes : limx+sinxx=0\displaystyle\lim_{x\to+\infty}\frac{\sin x}{x} = 0. \square

Exercice 14

Calculer limx1xn1x1\lim_{x\to 1}\frac{x^n - 1}{x - 1} pour nNn\in\mathbb{N}^*.

Corrigé

On factorise : xn1=(x1)(xn1+xn2++1)x^n - 1 = (x-1)(x^{n-1}+x^{n-2}+\cdots+1). Donc xn1x1=xn1++11+1++1n=n\frac{x^n-1}{x-1} = x^{n-1}+\cdots+1 \to \underbrace{1+1+\cdots+1}_{n} = n quand x1x\to 1. Alternativement, c'est f(1)f'(1) avec f(x)=xnf(x)=x^n, soit n1n1=nn\cdot 1^{n-1}=n.

Exercice 15

Vrai ou faux : Si ff est telle que limxaf(x)=>0\lim_{x\to a}f(x) = \ell > 0, alors il existe δ>0\delta>0 tel que f(x)>0f(x) > 0 pour tout xx avec 0<xa<δ0<|x-a|<\delta.

Corrigé

Vrai. C'est le théorème de signe constant (ou de conservation du signe). Puisque >0\ell > 0, on prend ε=/2>0\varepsilon = \ell/2 > 0. Il existe δ>0\delta>0 tel que 0<xa<δf(x)</20<|x-a|<\delta \Rightarrow |f(x)-\ell|<\ell/2, ce qui donne f(x)>/2=/2>0f(x) > \ell - \ell/2 = \ell/2 > 0.

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