[PDF] Continuité et dérivabilité d’une fonction

Distributions - Université Paris-Saclay

Remarque 4 Pour ceux qui veulent en savoir plus , il faut dire qu’il est possible de d´efinir une notion de proximit´e entre deux fonctions de D C’est ce qu’on d´esigne sous le nom de topologie sur D [2] Exemple 5 Soient f une fonction int´egrable sur R, nulle en dehors d’un intervalle born´e et φ une fonction de D Alors leur

Continuité et dérivabilité d’une fonction

1 Continuité d’une fonction 1 1 Limite finie en un point Définition 1 : Dire qu’une fonction f a pour limite ℓen a, signifie que tout intervalle ouvert contenant ℓ contient toutes les valeurs de f(x)pour x assez proche de a - c’est à direpour les x d’un intervalle ]a −η;a +η[ On note alors : lim x→a f(x)=ℓ ℓ a-η a a

Fonctions injectives, surjectives et bijectives

Une fonction f est dite surjective si et seulement si tout réel de l’image correspond à au moins un réel du domaine de définition En notation mathématique, on a ∀ ∈ ???? ( ∃ = ) Remarque(s) En termes d’ensembles, le cardinal de X est supérieur ou égal au Cardinal de Y En notation mathématique, on a

Limitesetcontinuitépourune fonctiondeplusieursvariables

Les propositions2 13et2 15sont très utiles pour montrer qu’une fonction est ou n’est pascontinueenunpoint: Exemple 2 20

Dérivabilité des fonctions Définition de la dérivabilité

Si dans un énoncé, on demande de montrer qu’une fonction est dérivable sur un intervalle, il y a juste une phrase à faire Exemple Montrer que f(x) = (x² + 3x) x +8 est dérivable sur ]−8;+∞[ La fonction f est le produit d’un polynôme (x² + 3x) dérivable sur R et d’une racine continue

Injection, surjection, bijection - Exo7

En fait on pourrait montrer directement que h est bijective en exhibant sa bijection réciproque (X;Y)7 (X+Y 2; XY 2) Mais vous devriez vous convaincre qu’il s’agit là d’une différence de rédaction, mais pas vraiment d’un raisonnement différent 4 Montrons d’abord que k est injective : soient x;x02Rnf1gtels que k(x)=k(x0) alors

4 Fonctions analytiques

Il y a une diff´erence fondamentale entre les cas d’une variable r´eelle et d’une variable complexe Prenons par exemple une fonction a valeurs r´eelles d’une vari-able complexe dont la d´eriv´ee existe en z = a D’une part, f0(a) doit ˆetre r´eelle, car c’est la limite du rapport f(a + h) − f(a) h (5 2)

5 Fonctions différentiables

43 5 Fonctions différentiables Soient E et F des espaces normés, Ω un ouvert de E, f et g deux applications de Ω dans F Définition − On dit que f et g sont tangentes en a si pour tout ε > 0 il existe un r > 0 tel que

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DERNIÈRE IMPRESSION LE7 novembre 2014 à 10:23

Continuité et dérivabilité d"unefonction

Table des matières

1 Continuité d"une fonction2

1.1 Limite finie en un point. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Continuité en un point. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3 Continuité des fonctions usuelles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.4 Théorème du point fixe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.5 Continuité et dérivabilité. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.6 Continuité et équation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 Dérivabilité6

2.1 Définition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2 Interprétations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2.1 Interprétation graphique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2.2 Interprétation numérique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2.3 Interprétation cinématique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.3 Signe de la dérivée, sens de variation. . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.4 Dérivée et extremum local. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.5 Dérivées des fonctions usuelles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.5.1 Dérivée des fonctions élémentaires. . . . . . . . . . . . . . . 11

2.5.2 Règles de dérivation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.5.3 Exemples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

PAULMILAN1 TERMINALES

TABLE DES MATIÈRES

1 Continuité d"une fonction

1.1 Limite finie en un point

Définition 1 :Dire qu"une fonction

fa pour limite?ena, signifie que tout intervalle ouvert contenant?contient toutes les valeurs def(x)pourxassez proche dea- c"est à dire pour lesxd"un intervalle]a-η;a+η[. On note alors : lim x→af(x) =? a a+ηa-ηC f O?? Remarque :Parfois la fonctionfn"admet pas une limite ena, mais admet une limite à droite et une limite à gauche. C"est le cas de la fonction partie entièreE (voir plus loin). On a par exemple : limx→2-E(x) =1 et limx→2+E(x) =2

1.2 Continuité en un point

Définition 2 :Soit une fonctionfdéfinie sur un intervalle ouvert I. Soitaun élément de I. On dit que la fonctionfestcontinueenasi et seulement si : lim x→af(x) =f(a) La fonctionfestcontinue sur un intervalle Isi, et seulement si,fest continue en tout point de I. Remarque :Graphiquement, la continuité d"une fonctionfsur un intervalle I se traduit par une courbe en un seul morceau. 123

1 2 3 4 5-1

]Cf O

Fonctionfdiscontinue en 2

limx→2+f(x) =3?=f(2) 123

1 2 3 4 5-1

Cf O

Fonctionfcontinue sur[-1,5; 5,5]

La fonction de gauche représente une discontinuité par "saut". C"est le cas par exemple de la fonction partie entière ou plus pratiquement de la fonction qui représente les tarifs postaux en fonction du poids (brusque changement de tarif entre les lettres en dessous de 20 g et de celles entre 20 g et 50 g).

PAULMILAN2 TERMINALES

1. CONTINUITÉ D"UNE FONCTION

D"autres discontinuités existent. C"est par exemple le cas en 0 de lafonctionf définie parf(x) =sin1 xpourx?=0 etf(0) =0. ?x?R,?n?Z,n?xLafonction partie entièreEest alors définie par :E(x) =n

E(2,4) =2 ;E(5) =5 ;E(-1,3) =-2

On observe alors un "saut" de la fonction pour

chaque entier. La fonction partie entière n"est donc pas continue pourxentier. 123
-1 -21 2 3 4-1-2 O

Soit la fonctionfdéfinie par :???f(x) =sin1

xpourx?=0 f(0) =0

La fonctionfn"est pas continue en 0 bien qu"on

n"observe ici aucun "saut". La fonction oscille de plus en plus autour de 0 si bien qu"au voisi- nage de 0, la fonction tend vers une oscillation infinie qui explique la non continuité. 1 -11-1O

1.3 Continuité des fonctions usuelles

Propriété 1 :Admis

•Les fonctions polynômes sont continues surR. •La fonction inversex?→1xest continue sur]-∞;0[et sur]0;+∞[ •La fonction valeur absoluex?→ |x|est continue surR. •La fonction racine carréex?→⎷xest continue sur[0;+∞[ •Les fonctionsx?→sinxetx?→cosxsont continues surR •D"une façon générale, toutes fonctions construites par opération ou par com- position à partir des fonctions ci-dessus sont continues sur leur ensemble de définition, en particulier les fonctions rationnelles.

1.4 Théorème du point fixe

Théorème 1 :Théorème du point fixe

Soit une suite(un)définie paru0etun+1=f(un)convergente vers?. Si la fonction associéefest continue en?, alors la limite de la suite?est solution de l"équationf(x) =x.

PAULMILAN3 TERMINALES

TABLE DES MATIÈRES

Démonstration :

On sait que la suite(un)est convergente vers?donc : limn→+∞un=? De plus, la fonctionfest continue en?donc : limx→?f(x) =f(?)

Par composition, on en déduit que : lim

n→+∞f(un) =f(?)?limn→+∞un+1=f(?) or lim Exemple :Reprénons l"exemple du chapitre 2, soit la suite(un) ?u0=0 u n+1=? 3un+4 On a montré que la suite(un)était positive, croissante et majorée par 4, elle est donc convergente vers?. La fonctionx?→⎷

3x+4 est continue sur[0;4], donc?

est solution de l"équationf(x) =x.

3x+4=xon élève au carré

3x+4=x2

x

2-3x-4=0

Cette équation a-1 et 4 comme solution. Or on sait queun?0. On en déduit que la seule solution acceptable est 4. La suite(un)converge vers 4.

1.5 Continuité et dérivabilité

Théorème 2 :Admis

•Sifest dérivable enaalors la fonctionfest continue ena. •Sifest dérivable sur un intervalle I alors la fonctionfest continue sur I. ?La réciproque de ce théorème est fausse Remarque :Laréciproquedecethéorèmeestfausse.Pours"enrendrecompte,on peut s"appuyer surunereprésentation graphique.Siunefonction est continuesur un intervalle, sa représentation graphique est en un seul morceau. Sila fonction est dérivable, sa représentation graphique admet une tangente en chacun de ses points. Un petit exemple :

La fonction dont la représentation est

ci-contre, est bien continue ena, car la courbe est en un seul morceau.

Par contre, la fonction n"est pas déri-

vable ena, car la représentation admet au point A deux demi-tangentes.

Onditquelacourbeadmetunpointan-

guleux A O a?

PAULMILAN4 TERMINALES

1. CONTINUITÉ D"UNE FONCTION

La fonction valeur absoluex?→ |x|est continue mais pas dérivable en 0.

1.6 Continuité et équation

Théorème 3 :Théorème des valeurs intermédiaires Soit une fonctioncontinuesur un intervalle I= [a,b]. Pour tout réelkcompris entref(a)etf(b), il existe un réelc?I tel quef(c) =k.

Remarque :Ce théorème est admis.

Ce théorème résulte du fait que l"image

d"un intervalle deRpar une fonction continue est un intervalle deR

Voici une illustration graphique. Icik

est bien compris entref(a)etf(b).

L"équationf(x) =kadmet donc des so-

lutions.

Le fait quecexiste ne veut pas dire

qu"il soit unique. Dans notre exemple, il existe ainsi trois valeurs pourc. abf(a) f(b)k c

1c2c3O

Théorème 4 :Théorème des valeurs intermédiaires bis Soit une fonctionfcontinue et strictement monotonesurI= [a,b]. Pour tout réelkcompris entref(a)etf(b), l"équationf(x) =ka une unique solution dans I= [a,b] Démonstration :L"existence découle du théorème précédent, et l"unicité de la monotonie de la fonction.

Remarque :

•On généralise ce théorème à l"intervalle ouvertI=]a,b[.kdoit alors être com- pris entre limx→af(x)et limx→bf(x) •Lorsquek=0, on pourra montrer quef(a)×f(b)<0.

•Ce théorème est parfois appelé le théorème de la bijection car lafonction réalise

une bijection de I surf(I). •Un tableau de variation pourra être suffisant pour montrer la continuitéet la monotonie de la fonction. Exemple :Soit la fonctionfdéfinie surRpar :f(x) =x3+x-1. Montrer que l"équationf(x) =0 n"admet qu"une solution surR. On donnera un enca- drement à l"unité de cette solution. Trouver ensuite, à l"aide d"un algorithme un encadrement à 10 -6de cette solution.

PAULMILAN5 TERMINALES

TABLE DES MATIÈRES

123
-1 -20.5 1.0 1.5 Oα

La fonctionfest une fonctioncontinuesurRcarf

est un polynôme.

La fonctionfest la somme de deux fonctions crois-

santesx?→x3etx?→x-1, doncfeststrictement croissantesurR.

On af(0)=-1 etf(1)=1?f(0)×f(1)<0

donc d"après le théorème des valeurs intermé- diaires, la fonctionfadmet un uniqueα?[0,1] tel quef(α) =0.

Algorithme :Un algorithme utilisant le

principe dedichotomie(on divise l"intervalle en deux et on réitère l"opération) permet de trouver une approximation deαà la précision demandée. On pose :

•AetBles bornes de l"intervalle.

•Pla précision (entier positif).

•Nle nombre d"itérations.

On rentre alors :A=0,B=1,P=6 et

f(x) =x3+x-1

On obtient alors :A=0,682 327,B=0,682 328

etN=20. Il faut donc 20 itérations pour obtenir la préci- sion demandée

Variables:A,B,Créels

P,Nentiersffonction

Entrées et initialisation

LireA,B,P

0→N

Traitement

tant queB-A>10-Pfaire A+B

2→C

sif(A)×f(C)>0(*)alors

C→A

sinon

C→B

fin

N+1→N

fin

Sorties: Afficher :A,B,N

?Cette algorithme ne fonctionne que sik=0, si l"on veut généraliser cet algorithme à un réel

kquelconque, on peut : •demander à lireKet changer la ligne étoilée par : f(A)-K)×(f(C)-K)>0 •au lieu de rentrer la fonctionf, on rentre la fonctiongtelle que : g(x) =f(x)-k

2 Dérivabilité

2.1 Définition

Définition 3 :Soit une fonctionfdéfinie sur un intervalle ouvertIetaun point de I. On dit que la fonctionfest dérivable enasi et seulement si le taux d"accroissement de la fonctionfenaadmet une limite finie?ena, c"est à dire : lim h→0f(a+h)-f(a) h=? Dans ce cas, on appelle?le nombre dérivé defenaet on le notef?(a) Lorsque la fonctionfest dérivable sur un intervalle I, on notef?, la fonction dérivée qui à toutxdeIassocie son nombre dérivéef?(x).

PAULMILAN6 TERMINALES

2. DÉRIVABILITÉ

Remarque :

•Si la fonctionfest dérivable enaalors la fonctionfest continue ena •Les physiciens expriment volontiers une variation à l"aide du symboleΔ; il notent ainsiΔx=x-aetΔy=f(x)-f(a). Pour une variation très petite, on note alors dxet dy. On obtient alors la nota- tion différentielle de la dérivée : f ?=dy dxetf?(a) =dydx(a) Exemple :Soit la fonction par morceaux définie par : ?f(x) =x2-2x-2 six?1 f(x) =x-4 xsix>1 Étude de la continuité et de la dérivabilité en 1. •Continuité en 1. La continuité à gauche de 1 ne pose pas de problème, car une fonction polynôme est continue sur]-∞;1]. Il faut donc étudier la continuité

à droite.

lim x→1+x-4 x=-3 etf(1) =12-2×1-2=-3 on a donc : lim x→1+x-4 x=f(1)la fonctionfest donc continue en 1 •Dérivabilité en 1. La dérivabilité à gauche de 1 ne pose pas de problème car une fonction polynôme est dérivable sur]-∞;1]. six?1, on af?(x) =2x-2 doncf?g(1) =0 Pour la dérivabilité à droite, il faut revenir à la définition. On calcule alors : f(1+h)-f(1) h=1+h-4 1+h+3 h=4hh(1+h)=41+h

On a donc :

lim h→0-4

1+h=4 doncf?d(1) =4

Commef?g(1)?=f?d(1)la fonctionf

n"est pas dérivable en 1.

Graphiquement la fonctionfest en un

seul morceau et possède un point an- guleux en 1. -1 -2 -31 2 3 4-1-2 Cf A O

PAULMILAN7 TERMINALES

TABLE DES MATIÈRES

2.2 Interprétations

2.2.1 Interprétation graphique

Théorème 5 :

Lorsquefest dérivable ena, la courbe

représentativeCfde la fonctionfad- metaupointA(a,f(a))unetangentede coefficient directeurf?(a)dont l"équa- tion est : (T) :y=f?(a)(x-a) +f(a) AM xy a f(a) OC f(T) Remarque :Il est important de retenir que le nombre dérivé représente le coef- ficient directeur de la tangente à la courbe en un point.

2.2.2 Interprétation numérique

Théorème 6 :Lorsqu"une fonctionfest dérivable ena, une bonne approxi- mation affine, lorsquea+hest voisin deaest : f(a+h)≈f(a) +hf?(a) Exemple :Déterminer une approximation affine de⎷4,03.

On posef(x) =⎷

x,a=4 eth=0,03. On calcule alors la dérivée en 4. f ?(x) =1

2⎷xdoncf?(4) =14

et doncf(4,03)≈f(4) +0,03×1

4≈2,0075

On obtient donc :

4,03≈2,0075 à comparer à la valeur donnée par la calcu-

latrice 2,007 486. La précision est donc de 10 -4.

2.2.3 Interprétation cinématique

Si on appellex(t)la loi horaire d"un mouvement, alorsx?(t)représente la vitesse instantanée à l"instantt. De même, si on appellev(t)la vitesse instantanée à l"ins- tantt, alorsv?(t)représente l"accélération à l"instantt. Ainsi, avec les notations des physiciens, la vitesse instantanéevet l"accélération as"écrivent : v=dx dteta=dvdt=d2xdt2

PAULMILAN8 TERMINALES

2. DÉRIVABILITÉ

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