La fonction cosinus hyperbolique La fonction tangente hyperbolique position limite : c'est la tangente à Cf en A La tangente a pour pente f (a) et passe
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Chapitre 13 : Fonctions hyperboliques Analyse réelle et complexe Page 3 sur 8 F) Fonction th (tangente hyperbolique) 1 1 ch sh th 2 2 + − = + − = = • −
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Outil Mathématiques 1
L1 SPM - 2014-2015
Max Bauer
Université de Rennes 1, UFR Mathématiques
Table des matières
1 Fonctions numériques d"une variable réelle 5
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51.2 Notations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51.3 Symétrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61.4 Notion d"asymptote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71.5 Continuité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9Définition de la continuité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9Propriétés des fonctions continues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
91.6 Dérivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10Définition de la notion de dérivabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10Opérations sur les dérivées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12Dérivées des fonctions usuelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13Continuité et dérivabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
131.7 Extremum local . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
131.8 Quelques propriétés des fonctions dérivables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14Théorème des accroissements finis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14 Fonctions monotones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15Limites de la dérivée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15Règle de l"Hospital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
151.9 Convexité, concavité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16Definition de la convexité, concavité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16Convexité et différentiabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
161.10 Plan d"étude d"une fonction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
171.11 Fonctions réciproques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18Définition et existence d"une fonction réciproque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18Premières propriétés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19Continuité et variations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19Dérivabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19Interprétation graphique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
202 Quelques fonctions classiques 21
2.1 Logarithme népérien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21Définition et premières propriétés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21Relations importantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Limites importantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Représentation graphique de la fonctionln. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22 Logarithme de basea. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23 Représentation graphique de la fonctionloga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
2.2 La fonction exponentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24Définition et premières propriétés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24Relations importantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Limites importantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Représentation graphique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3 Exponentielle de base a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25Définition et premières propriétés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25Propriétés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26Représentation graphique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4 Fonction puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27Etude de fonction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Représentation graphique de la fonction puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.5 Croissance comparée des fonctions logarithme, exponentielle et puissance . . . . . . . . .
292.6 Fonctions circulaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30Définition des fonctions circulaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30Formules de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Tableau de valeurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
La fonction tangente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.7 Formules trigonométriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33Symétries du sinus et cosinus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Formules d"addition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Formules de duplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Transformation de produit en somme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Limites classiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.8 Fonctions circulaires réciproques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34La fonction arcsinus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
La fonction arccosinus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
La fonction arctangente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Quelques formules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.9 Fonctions hyperboliques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39Définition des fonctions hyperboliques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
La fonction sinus hyperbolique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
La fonction cosinus hyperbolique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
La fonction tangente hyperbolique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Limites classiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.10 Formules trigonométriques hyperboliques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42Formules de Base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Symétrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42Transformation de produit en sommes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3 Les nombres complexes 44
23.1 Nombres complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44
Définition et notations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44Représentation géométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
443.2 Conjugué, module et argument . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45Conjugué . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Argument et forme trigonométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Forme exponentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3 Linéarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48Formule du binôme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Formules de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Un exemple de linéarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4 Racines carrées d"un nombre complexe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48Racines carrées sous forme algébrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49Racines carrées sous forme exponentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.5 Equation du second degré à coefficients dansC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
3.6 Racines n-ièmes d"un nombre complexe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51Racines n-ièmes de l"unité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51Racines n-ièmes d"un complexe non nul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4 Polynômes et fractions rationnelles 55
4.1 Polynômes surRouC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55
Vocabulaire sur les polynômes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55Division euclidienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Racines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Factorisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Décomposition en facteurs irréductibles dansC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58 Décomposition en facteurs irréductibles dansR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
4.2 Fractions rationnelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59Définition d"une fraction rationnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Partie entière d"une fraction rationnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Décomposition en éléments simples dansR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60
Etapes à suivre pour la décomposition en éléments simples . . . . . . . . . . . . . . . . . .
62Exemples de décomposition en éléments simples dansR. . . . . . . . . . . . . . . . . . .62
Décomposition en éléments simples dansC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
Exemples de décomposition en éléments simples dansC. . . . . . . . . . . . . . . . . . .65Récapitulatif des méthodes utilisées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
665 Calcul de primitives 67
5.1 Notion de primitive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67Primitives des fonctions usuelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.2 Linéarité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
685.3 Intégration par parties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
685.4 Changement de variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
695.5 Primitives de fractions rationnelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
715.6 Primitives se ramenant à des primitives de fractions rationnelles . . . . . . . . . . . . . .
733 Fonctions polynômiales encosxetsinx. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73 Fractions rationnelles encosxetsinx. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 4 Fractions rationnelles enex,coshx,sinhx. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
6 Équations différentielles 76
6.1 Équations différentielles linéaires du premier ordre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
76La loi de refroidissement de Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Définition d"une equation différentielle linéaire du premier ordre . . . . . . . . . . . . . . .
76La solution générale de l"équation sans second membre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
77Solution de l"équation non-homogène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
78Solution vérifiant une condition initiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
80Interprétation graphique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
816.2 Equations du premier ordre à variables séparées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
836.3 Equations différentielles linéaires du second ordre à coefficients constants . . . . . . . . . .
84Ressort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Définition d"une equation différentielle linéaire du second ordre à coefficients constants . .
84L"équation sans second membre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
L"équation avec second membre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Solution vérifiant des conditions initiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
884
1 Fonctions numériques d"une variable réelle
1.1 Introduction
Dans ce chapitre comme dans la suite du polycopié, nous utiliserons les symboles suivants : 1.Sym bolesense mblistes
-2: appartenance; siEest un ensemble,x2Ese lit : "xappartient àE». -: inclusion; siEetFsont deux ensembles,FEse lit : "Fest inclus dansE»; il ne fautpas confondre ce symbole et le précédent, le symbole d"inclusion sert uniquement à comparer des
ensembles; ainsi la propriétéx2Es"écrit égalementfxg E, oùfxgdésigne le sous-ensemble
deEne contenant que l"élémentx. -;: ensemble vide. -\: intersection. -[: réunion. 2.Connecteurs binaires
-=): implication; siPetQsont deux assertions,P=)Qest une nouvelle assertion, qui se lit : "PimpliqueQ». -(): équivalence; siPetQsont deux assertions,P()Qest une nouvelle assertion, qui selit : "Péquivalente àQ». La distinction entre cette notion et celle citée ci-dessus étant une des
bases du raisonnement mathématique, il faudra être extrêmement attentif à l"emploi de l"un ou
l"autre symbole. 3.Quan tificateurs
-8: pour tout;8x2E :::se lit : " Pour toutxappartenant àE... ». -9: il existe;9x2E :::se lit : " Il existexappartenant àE... ».Nous nous bornerons ici à employer les symboles ci-dessus comme de simples notations. Il faut cependant
se rappeler qu"il ne s"agit en aucun cas d"abréviations; ces symboles ne doivent jamais apparaître dans
une phrase en langage courant. Pour caractériser les éléments d"un ensemble, on utilisera aussi la notation
(non canonique!) :jqui se lit "tel que" : par exemple,fx2Rjx0gestR+.L"étude générale d"une fonction numérique de la variable réelle a été abordée en Terminale.
Nous nous contenterons ici de brefs rappels et d"éléments nouveaux concernant les limites, les branches
infinies et les fonctions réciproques.Nous vous invitons cependant à revoir soigneusement dans votre cours de Terminale ce qui concerne les
axes de symétrie du graphe d"une fonction, le calcul de limites, la continuité, la dérivabilité, le calcul de
dérivées et l"étude des variations d"une fonction.1.2 Notations
Définition 1.1.Unefonction numériqued"une variable réelle dedomaine de définitionDfR, à
valeurs dans unensemble d"arrivéeIR, est un procédé qui à tout nombre réelx2Df, associe un
nombref(x)2I. On note f:Df!I; x7!f(x)En pratique, on se donne souvent une fonction par une formule, et l"ensemble de définitionDfest laissé
à déterminer, comme étant le plus grand ensemble sur lequel la formule donnée a un sens.Exemple 1.2.
f(x) =1p4x2:De façon générale, il faut faire le liste des contraintes sur les éléments de formule, à partir de la connais-
sance des domaines de définition des fonctions usuelles.Exemple 1.3.f(x) = ln(ex1) +px
22:5 Définition 1.4.1.La courbe représentativedef(ougraphedef), est l"ensemble des points de coordonnées(x;f(x))pour tous lesx2Df. 2. Si x2Df,y=f(x), on dit queyest l"imagedexparf, etxun antécédentdey.
3.l"image def, notéeIm(f), est par définition
f(Df) =ff(x) :x2Dfg;Exemple 1.5.Dans la figure 1 :
1.yest l"image dex1mais aussi dex2.
2. Les an técédentsde ysontx1etx2.x2x1yFigure1 - Visualisation des antécédents d"uny.Exemple 1.6.1.Image de x7!x2,x2R.
2.Image de x7!x3,x2R.
3.Image de x7!sin(x),x2R.
1.3 Symétrie
Soitf:Df!Rune fonction.
Définition 1.7.1.On dit que festpairesi
8x2Df;x2Dfetf(x) =f(x):
2.On dit que festimpairesi
8x2Df;x2Dfetf(x) =f(x):
Proposition 1.8.1.fest paire si son graphe est symétrique=Oy.2.fest impaire si son graphe est symétrique=O.
Exemple 1.9.1.f(x) =jxj.
2.gn(x) =xn,n= 1;1;2;3;:::.
3.h(x) = ln(x2) +ex+ex:
Exemple 1.10.Montrer que la fonction
f(x) = ln(x+p1 +x2) vérifief(x) +f(x) = 0. Conclure. 6 Définition 1.11.1.P ourun T >0donné, on dit quefestpériodique de périodeTsi8x2Df;x+T2 D fetf(x+T) =f(x). 2. On dit que T0estlapériode def, siT0est le petit nombreT >0pour lequelfest périodique de périodeT. Exemple 1.12.La période de la fonctionx7!tan(x) =sin(x)cos(x)est.La fonctionfest périodique si son graphe est préservé par une translation de vecteur horizontal(T;0).
La symétrie d"une fonction permet de limiter l"étude de la fonction à un intervalle d"étude qui est plus
petit que le domaine de définition. Exemple 1.13.Un domaine d"étude de la fonctionx7!cos(x)peut être l"intervalle[0;].1.4 Notion d"asymptote
Pour ce chapitre,IRest un intervalle,f:I!Rest une fonction, etCfsa courbe représentative dans un repère orthogonal. Notation 1.14.On dit queCfadmet unebranche infinie si l"une au moins des coordonnées de l"un de ses points peut devenir, en valeur absolue, arbitrairement grande.Ce chapitre est consacré à l"étude de quelques notions de branche infini. Pour simplifier l"écriture,1
désigne+1ou1. Définition 1.15.1.Deux courb esreprés entativesCfetCgsont ditesasymptotes en l"infini si : lim x!1[f(x)g(x)] = 0: 2. On dit que Cfadmet unedroite oblique d"équationy=ax+ben l"infini si lim x!1[f(x)(ax+b)] = 0: