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PCSI · Maths · semaine 12

Limites et continuité

Limite d'une fonction en un point fini ou infini, limite à droite et à gauche, caractérisation séquentielle et opérations sur les limites. Continuité en un point, prolongement par continuité, continuité sur un intervalle, théorème des valeurs intermédiaires et théorème des bornes atteintes sur un segment. Théorème de la bijection pour une fonction continue strictement monotone, avec une brève extension aux fonctions à valeurs complexes.

Sommaire

Le cours

Résumé en cinq points

  1. Toutes les définitions de limite ont la même forme : pour tout seuil sur l'image, il existe un seuil sur la variable. Il faut savoir les écrire et les nier.
  2. La caractérisation séquentielle transforme une question sur une fonction en question sur des suites, et sert surtout à prouver la non-existence d'une limite.
  3. Le théorème des valeurs intermédiaires donne l'existence d'une solution, la stricte monotonie donne l'unicité.
  4. Sur un segment, une fonction continue est bornée et atteint ses bornes, et l'image d'un segment est un segment. Chacune des deux hypothèses, continuité et segment, est indispensable.
  5. Pour les fonctions à valeurs complexes, on travaille partie réelle et partie imaginaire, et tous les résultats liés à l'ordre disparaissent.
Pourquoi ce chapitre

C'est la mise en place rigoureuse de ce qui avait été utilisé de façon pratique au début du semestre. Le programme note que le paragraphe sur les limites consiste largement en des adaptations au cas continu de notions déjà vues pour les suites, et laisse au professeur la liberté d'admettre certains résultats. Il s'agit de savoir manier les définitions et surtout les trois théorèmes globaux.

Ces trois théorèmes sont :

  • le théorème des valeurs intermédiaires ;
  • le théorème des bornes atteintes ;
  • le théorème de la bijection.

Ils portent sur des fonctions continues sur un intervalle ou sur un segment. Ils donnent l'existence de solutions d'équations que l'on ne sait pas résoudre, outil de démonstration constant en concours.

DéfinitionCadre et voisinage

Les fonctions sont définies sur un intervalle II de R\R non vide et non réduit à un point, et à valeurs réelles sauf au dernier paragraphe. Une propriété est vraie au voisinage de aa si elle l'est sur l'intersection de II avec :

  • un intervalle ouvert centré en aa quand aa est réel ;
  • un intervalle ]A,+∞[]A, +\infty[ quand a=+∞a = +\infty ;
  • un intervalle ]−∞,A[]-\infty, A[ quand a=−∞a = -\infty.

1Limite d'une fonction en un point

1.1Définitions

Soit aa fini ou infini, appartenant à II ou extrémité de II. Les définitions sont énoncées avec des inégalités larges.

Définition 1.1Limite finie en un point fini

ff tend vers ll en aa si, pour tout ε>0\varepsilon > 0, il existe δ>0\delta > 0 tel que, pour tout x∈Ix \in I vérifiant ∣x−a∣⩽δ\abs{x - a} \leqslant \delta, on a ∣f(x)−l∣⩽ε\abs{f(x) - l} \leqslant \varepsilon.

Définition 1.2Limite infinie en un point fini

ff tend vers +∞+\infty en aa si, pour tout réel AA, il existe δ>0\delta > 0 tel que ∣x−a∣⩽δ\abs{x - a} \leqslant \delta entraîne f(x)⩾Af(x) \geqslant A.

Définition 1.3Limite finie en +∞+\infty

ff tend vers ll en +∞+\infty si, pour tout ε>0\varepsilon > 0, il existe un réel BB tel que x⩾Bx \geqslant B entraîne ∣f(x)−l∣⩽ε\abs{f(x) - l} \leqslant \varepsilon.

Définition 1.4Limite infinie en +∞+\infty

ff tend vers +∞+\infty en +∞+\infty si, pour tout AA, il existe BB tel que x⩾Bx \geqslant B entraîne f(x)⩾Af(x) \geqslant A.

Les autres cas s'écrivent sur le même modèle. Il faut savoir produire n'importe laquelle de ces définitions et sa négation.

1.2Premiers résultats

Propriété 1.5Unicité de la limite

Une fonction admet au plus une limite en aa, finie ou infinie. On note f(x)→lf(x) \to l quand x→ax \to a.

Propriété 1.6Limite en un point du domaine

Si ff est définie en aa et possède une limite en aa, alors cette limite vaut f(a)f(a).

Quand aa appartient au domaine, la seule limite possible est donc la valeur de la fonction.

Propriété 1.7Caractère borné

Si ff possède une limite finie en aa, alors ff est bornée au voisinage de aa.

Démonstration

On prend ε=1\varepsilon = 1 dans la définition, ce qui donne ∣f(x)∣⩽∣l∣+1\abs{f(x)} \leqslant \abs{l} + 1 sur un voisinage.

1.3Limite à gauche, à droite

Définition 1.8Limite à droite, à gauche

La limite à droite en aa est la limite de la restriction de ff à l'intersection de II avec ]a,+∞[]a, +\infty[. On la note lim⁡x→a+f(x)\lim_{x \to a^+} f(x). La limite à gauche se définit de façon symétrique.

xyfloor(x)nnn-1
Partie entière : limite à droite = n, limite à gauche = n-1

Propriété 1.9Lien avec la limite

Hypothèses

  • aa est intérieur à II ;
  • ff est définie en aa.

Alors ff a une limite ll en aa si et seulement si elle admet en aa une limite à gauche et une limite à droite, toutes deux égales à f(a)f(a).

Exemple 1.10Partie entière

La partie entière a en tout entier nn une limite à droite égale à nn et une limite à gauche égale à n−1n - 1. Elle n'a donc pas de limite en nn.

1.4Caractérisation séquentielle

Théorème 1.11Caractérisation séquentielle

ff tend vers ll en aa, ll fini ou infini, si et seulement si, pour toute suite (xn)(x_n) d'éléments de II qui tend vers aa, la suite (f(xn))(f(x_n)) tend vers ll.

Premier usage : prouver qu'une limite n'existe pas. Il suffit d'exhiber deux suites tendant vers aa dont les images ont des limites différentes.

Exemple 1.12sin⁡(1/x)\sin(1/x) en 0

La fonction x↦sin⁡(1/x)x \mapsto \sin(1/x) n'a pas de limite en 00. On prend :

  • xn=12nπx_n = \dfrac{1}{2n\pi}, d'images nulles ;
  • yn=1π/2+2nπy_n = \dfrac{1}{\pi/2 + 2n\pi}, d'images égales à 11.

Second usage : la transmission aux suites récurrentes.

Propriété 1.13Suites récurrentes

Hypothèses

  • un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n) ;
  • (un)(u_n) converge vers ll ;
  • ff est continue en ll.

Alors f(l)=lf(l) = l.

1.5Opérations et inégalités

Les limites se combinent comme pour les suites :

  • combinaison linéaire ;
  • produit ;
  • quotient, avec limite du dénominateur non nulle ;
  • composition.

Propriété 1.14Composition

Hypothèses

  • ff tend vers bb en aa ;
  • gg tend vers cc en bb ;
  • les compositions ont un sens.

Alors g∘fg \circ f tend vers cc en aa.

Propriété 1.15Passage à la limite d'une inégalité large

Hypothèses

  • f⩽gf \leqslant g au voisinage de aa ;
  • ff et gg ont des limites en aa.

Alors la limite de ff est inférieure ou égale à celle de gg.

Attention

Les inégalités strictes ne se conservent pas.

Propriété 1.16Existence d'une limite par encadrement

Hypothèses

  • f⩽g⩽hf \leqslant g \leqslant h au voisinage de aa ;
  • ff et hh tendent vers la même limite finie ll.

Alors gg tend vers ll.

Par minoration, si f⩽gf \leqslant g et si ff tend vers +∞+\infty, alors gg aussi. Symétriquement pour −∞-\infty.

Exemple 1.17

xsin⁡(1/x)x \sin(1/x) tend vers 00 en 00, car sa valeur absolue est majorée par ∣x∣\abs{x}.

1.6Théorème de la limite monotone

Théorème 1.18Limite monotone

Hypothèses

  • ff est monotone sur un intervalle ouvert ]a,b[]a, b[, avec aa et bb éventuellement infinis.

Alors ff admet une limite à droite et une limite à gauche en tout point de ]a,b[]a, b[, ainsi qu'une limite en aa et en bb, finie ou infinie.

  • Si ff est croissante et majorée, sa limite en bb est finie et vaut la borne supérieure de ses valeurs.
  • Si ff est croissante et non majorée, sa limite en bb est +∞+\infty.

C'est l'analogue continu du théorème de la limite monotone pour les suites, et il repose de la même façon sur la propriété de la borne supérieure.

2Continuité en un point

2.1Définition

Définition 2.1Continuité en un point

ff est continue en aa, point de II, si f(x)f(x) tend vers f(a)f(a) quand xx tend vers aa. Autrement dit, pour tout ε>0\varepsilon > 0, il existe δ>0\delta > 0 tel que ∣x−a∣⩽δ\abs{x - a} \leqslant \delta entraîne ∣f(x)−f(a)∣⩽ε\abs{f(x) - f(a)} \leqslant \varepsilon.

La continuité à gauche, à droite, s'obtient en remplaçant la limite par la limite unilatérale. ff est continue en aa intérieur à II si et seulement si elle est continue à gauche et à droite en aa.

2.2Prolongement par continuité

Définition 2.2Prolongement par continuité

Hypothèses

  • ff est définie sur II privé de aa ;
  • ff admet en aa une limite finie ll.

Alors la fonction qui vaut ff sur II privé de aa et ll en aa est continue en aa. On l'appelle le prolongement par continuité de ff en aa.

Exemple 2.3

x↦sin⁡xxx \mapsto \dfrac{\sin x}{x} est définie sur R\R privé de 00 et tend vers 11 en 00. Son prolongement par continuité vaut 11 en 00.

Attention

Si la limite est infinie ou n'existe pas, il n'y a pas de prolongement par continuité. La fonction x↦sin⁡(1/x)x \mapsto \sin(1/x) n'est pas prolongeable par continuité en 00.

2.3Opérations

Les combinaisons linéaires, produits, quotients à dénominateur non nul et composées de fonctions continues en un point sont continus. Toute fonction construite par opérations et compositions à partir des fonctions usuelles est continue sur tout intervalle de son domaine, ce qui permet d'invoquer la continuité sans calcul dans la quasi-totalité des exercices.

3Continuité sur un intervalle

Définition 3.1Continuité sur un intervalle

ff est continue sur II si elle est continue en chaque point de II.

3.1Théorème des valeurs intermédiaires

Théorème 3.2Valeurs intermédiaires

Hypothèses

  • ff est continue sur un intervalle II ;
  • aa et bb sont dans II ;
  • yy est compris entre f(a)f(a) et f(b)f(b).

Alors il existe cc entre aa et bb tel que f(c)=yf(c) = y.

Le principe de démonstration par dichotomie est explicitement au programme.

Démonstration

Supposons a<ba < b et f(a)⩽y⩽f(b)f(a) \leqslant y \leqslant f(b). On construit deux suites (an)(a_n) et (bn)(b_n), avec a0=aa_0 = a et b0=bb_0 = b, en posant à chaque étape mm le milieu de [an,bn][a_n, b_n], et en gardant la moitié sur laquelle ff change encore de position par rapport à yy. On maintient ainsi l'encadrement f(an)⩽y⩽f(bn)f(a_n) \leqslant y \leqslant f(b_n). Les deux suites sont adjacentes, la longueur étant divisée par 22 à chaque étape. Elles convergent vers un même cc. Par continuité de ff et passage à la limite dans les inégalités larges, f(c)⩽y⩽f(c)f(c) \leqslant y \leqslant f(c), donc f(c)=yf(c) = y.

Propriété 3.3Corollaire pratique

Si ff est continue sur [a,b][a, b] et si f(a)f(a) et f(b)f(b) sont de signes contraires, l'équation f(x)=0f(x) = 0 admet au moins une solution dans [a,b][a, b].

C'est la façon standard de prouver qu'une équation a une racine sans la calculer.

Propriété 3.4Image d'un intervalle

L'image d'un intervalle par une fonction continue est un intervalle.

C'est la traduction du théorème des valeurs intermédiaires avec la caractérisation des intervalles vue dans le chapitre sur les réels.

Attention

L'image d'un intervalle ouvert n'est pas forcément ouverte. L'image de ]−1,1[]-1, 1[ par x↦x2x \mapsto x^2 est [0,1[[0, 1[.

Cas d'une fonction continue strictement monotone : l'image de l'intervalle est décrite explicitement par les limites aux bornes. Par exemple l'image de [a,b[[a, b[ par une fonction continue strictement croissante est [f(a),L[[f(a), L[ où LL est la limite en bb. Dans ce cas la solution de f(x)=yf(x) = y est de plus unique.

3.2Théorème des bornes atteintes

Théorème 3.5Bornes atteintes

Toute fonction continue sur un segment [a,b][a, b] est bornée et atteint ses bornes. Autrement dit, il existe cc et dd dans [a,b][a, b] tels que f(c)f(c) soit le minimum et f(d)f(d) le maximum de ff sur [a,b][a, b].

La démonstration est hors programme.

Exemple 3.6Contre-exemples : toutes les hypothèses servent

  • Sur ]0,1[]0, 1[, la fonction x↦1/xx \mapsto 1/x est continue et non bornée.
  • Sur [0,1][0, 1], la fonction valant 1/x1/x pour xx non nul et 00 en 00 n'est pas continue et n'est pas bornée.
  • Sur ]0,1[]0, 1[, la fonction identité est bornée mais n'atteint pas ses bornes.

Propriété 3.7Image d'un segment

L'image d'un segment par une fonction continue est un segment, précisément [m,M][m, M] où mm et MM sont le minimum et le maximum.

Cela combine les deux théorèmes précédents : l'image est un intervalle par les valeurs intermédiaires, borné et contenant ses extrémités par les bornes atteintes.

3.3Théorème de la bijection

Théorème 3.8Théorème de la bijection

Hypothèses

  • ff est réelle, strictement monotone, définie et continue sur un intervalle II.

Alors ff admet une fonction réciproque de même monotonie, définie et continue sur l'intervalle J=f(I)J = f(I).

La démonstration n'est pas exigible.

Lecture pratique :

  • la stricte monotonie donne l'injectivité ;
  • la continuité donne que JJ est un intervalle, donc la surjectivité de II sur JJ ;
  • l'intervalle JJ se détermine par un tableau de variations avec les limites aux bornes.

Exemple 3.9

La fonction x↦x+exx \mapsto x + \e^x est continue et strictement croissante sur R\R, de limites −∞-\infty et +∞+\infty. Elle réalise donc une bijection de R\R sur R\R. En particulier l'équation x+ex=0x + \e^x = 0 a une unique solution réelle, qu'on ne sait pas exprimer.

Le graphe de la réciproque est le symétrique de celui de ff par rapport à la première bissectrice.

4Fonctions complexes

Les définitions et résultats généraux s'étendent aux fonctions d'une variable réelle à valeurs complexes. Il s'agit d'une brève extension.

Propriété 4.1Caractérisation exigible

Hypothèse : f=u+ivf = u + \ii v, avec uu et vv réelles.

Alors ff tend vers ll en aa si et seulement si uu tend vers Re⁡(l)\operatorname{Re}(l) et vv tend vers Im⁡(l)\Im(l). De même ff est continue en aa si et seulement si uu et vv le sont.

Ce qui ne s'étend pas, c'est tout ce qui repose sur l'ordre :

  • pas de théorème des valeurs intermédiaires ;
  • pas de théorème de la limite monotone ;
  • pas de théorème de la bijection.

En revanche, une fonction continue sur un segment à valeurs complexes est bornée, puisque c'est le cas de ses parties réelle et imaginaire, et ∣f∣\abs{f} est continue.

Méthodes

MéthodeRéflexes du chapitre

  1. Pour prouver qu'une limite n'existe pas, utiliser la caractérisation séquentielle avec deux suites bien choisies.
  2. Pour une forme indéterminée, factoriser par le terme dominant, ou utiliser les croissances comparées. Les développements limités du second semestre régleront le reste.
  3. Pour montrer qu'une équation a une solution, poser gg égale à la différence des deux membres, vérifier la continuité, chercher un changement de signe, appliquer le théorème des valeurs intermédiaires.
  4. Pour l'unicité de cette solution, ajouter la stricte monotonie et invoquer le théorème de la bijection.
  5. Pour majorer une fonction sur un segment, penser au théorème des bornes atteintes plutôt qu'à un calcul explicite.
  6. Pour un prolongement par continuité, calculer la limite au point manquant et vérifier qu'elle est finie.

Ce qu'il faut savoir refaire en khôlle

  1. Écrire avec quantificateurs la définition de la limite dans les quatre configurations, fini ou infini de chaque côté, et la nier.
  2. Prouver par caractérisation séquentielle que sin⁡(1/x)\sin(1/x) n'a pas de limite en 00.
  3. Démontrer le théorème des valeurs intermédiaires par dichotomie, avec des suites adjacentes.
  4. Énoncer le théorème des bornes atteintes et donner trois contre-exemples montrant que chaque hypothèse est nécessaire.
  5. Justifier que l'image d'un segment par une fonction continue est un segment.
  6. Appliquer le théorème de la bijection à une fonction concrète, en déterminant l'intervalle image par un tableau de variations.
  7. Prouver l'existence et l'unicité de la solution de x+ex=0x + \e^x = 0.
  8. Prolonger par continuité une fonction du type ex−1x\dfrac{\e^x - 1}{x} en 00.

Méthodes et exercices

Les résultats à connaître

  • Unicité de la limite, finie ou infinie. Exigible. La preuve se calque sur celle des suites, et le professeur peut l'admettre.
  • Si f est définie en a et admet une limite en a, cette limite vaut f(a). Exigible. La preuve consiste à prendre x = a dans la définition.
  • Une fonction qui a une limite finie en a est bornée au voisinage de a. Exigible avec démonstration.
  • Pour a intérieur à I et f définie en a, f a une limite en a si et seulement si ses limites à gauche et à droite existent et valent f(a). Exigible.
  • Caractérisation séquentielle de la limite, finie ou infinie, pour a fini ou infini. Exigible. Le sens direct est à savoir démontrer.
  • Opérations sur les limites : combinaison linéaire, produit, quotient, composition. Exigibles et adaptées des suites, souvent admises.
  • Passage à la limite dans une inégalité large, quand les deux limites existent. Exigible.
  • Existence d'une limite par encadrement (limite finie), par minoration (limite +∞), par majoration (limite −∞). Exigible.
  • Théorème de la limite monotone sur un intervalle ouvert, bornes finies ou infinies. Exigible, la preuve repose sur la borne supérieure.
  • Continuité en a, prolongement par continuité, continuité à gauche et à droite, opérations. Exigibles.
  • Théorème des valeurs intermédiaires pour f réelle continue sur un intervalle. Exigible avec démonstration par dichotomie.
  • L'image d'un intervalle par une fonction réelle continue est un intervalle. Exigible.
  • Pour f continue strictement monotone sur un intervalle, l'image se lit sur les limites aux bornes et chaque valeur est atteinte une seule fois. Exigible.
  • Théorème des bornes atteintes sur un segment. Admis, la démonstration est hors programme.
  • L'image d'un segment par une fonction continue est un segment. Exigible, c'est une conséquence des deux théorèmes précédents.
  • Théorème de la bijection : f réelle, continue et strictement monotone sur un intervalle I a une réciproque continue, de même monotonie, sur l'intervalle f(I). La démonstration n'est pas exigible.
  • Fonctions à valeurs complexes : la limite et la continuité se lisent sur les parties réelle et imaginaire. Exigible.
  • Hors programme, à signaler si un exercice les demande : le théorème de Bolzano-Weierstrass, la continuité uniforme et le théorème de Heine. Les équivalents et les développements limités ne sont pas encore disponibles à ce stade.

Clés de démonstration

Unicité de la limite finie. On suppose deux limites l ≠ l'. On prend ε = |l − l'|/3 et on se place là où les deux définitions s'appliquent. L'inégalité triangulaire donne alors |l − l'| ≤ 2ε < |l − l'|. Astuce : un ε choisi en fonction de l'écart, strictement plus petit que la moitié de cet écart.

Limite finie implique bornée au voisinage. On prend ε = 1 et on obtient |f(x)| ≤ |f(x) − l| + |l| ≤ 1 + |l|. Astuce : l'inégalité triangulaire.

Caractérisation séquentielle. Sens direct : on fixe ε, la définition fournit δ, puis la convergence de (xn) fournit un rang à partir duquel |xn − a| ≤ δ. Réciproque par contraposée : si f ne tend pas vers l, il existe ε > 0 tel que, pour tout δ, un x vérifie |x − a| ≤ δ et |f(x) − l| > ε. On choisit δ = 1/(n + 1) pour chaque n, ce qui construit une suite xn → a dont les images restent loin de l. Astuce : nier la définition, puis faire varier δ le long d'une suite.

Limite monotone. Pour f croissante et majorée sur ]a, b[, on pose L la borne supérieure des f(x). Pour ε > 0, L − ε n'est pas un majorant, donc un x₀ vérifie f(x₀) > L − ε, et la croissance propage cette inégalité à tout x ≥ x₀. Astuce : la caractérisation de la borne supérieure par ε.

Valeurs intermédiaires. La fiche décrit la dichotomie. Le point décisif est l'invariant f(an) ≤ y ≤ f(bn), que l'on conserve en regardant le signe de f(m) − y au milieu m. Astuce : suites adjacentes, puis continuité en c et passage à la limite dans deux inégalités larges.

Image d'un intervalle. Si y₁ et y₂ sont des valeurs prises, tout y compris entre elles est pris, par le théorème des valeurs intermédiaires. Astuce : un ensemble est un intervalle dès qu'il contient tout réel compris entre deux de ses éléments.

Continuité de la réciproque, pour la culture. La réciproque g est monotone sur l'intervalle J et son image est l'intervalle I. Une fonction monotone qui aurait un saut laisserait un trou dans son image. Astuce : limite monotone et limites latérales.

Fonctions complexes. On utilise |Re z| ≤ |z|, |Im z| ≤ |z| et |z| ≤ |Re z| + |Im z|. Astuce : un encadrement dans chaque sens.

Exemples et contre-exemples à connaître

  1. x ↦ x sin(1/x) se prolonge par 0 en 0, alors que sin(1/x) ne se prolonge pas. Un facteur qui tend vers 0 écrase une oscillation bornée.
  2. cos n'a pas de limite en +∞ : les suites 2nπ et π + 2nπ donnent les valeurs 1 et −1. C'est le modèle de la non-existence à l'infini.
  3. L'indicatrice de Q est discontinue en tout point, par densité de Q et de R privé de Q. En revanche, x ↦ x fois cette indicatrice est continue en 0 seulement.
  4. La partie entière est continue à droite partout, mais pas à gauche aux entiers. C'est l'exemple type de limites latérales distinctes.
  5. arctan est continue et bornée sur R, mais n'atteint ni π/2 ni −π/2. Le segment est indispensable au théorème des bornes atteintes.
  6. L'image de ]0, 2π[ par sin est le segment [−1, 1]. L'image d'un ouvert par une fonction continue peut être fermée.
  7. Soit f définie sur [0, 2] par f(x) = x sur [0, 1[ et f(x) = x + 1 sur [1, 2]. Elle est strictement croissante et son image n'est pas un intervalle. Sans continuité, le théorème de la bijection tombe.
  8. La fonction qui vaut sin(1/x) pour x ≠ 0 et 0 en 0 vérifie la conclusion des valeurs intermédiaires sur tout intervalle, sans être continue en 0. La réciproque du théorème des valeurs intermédiaires est fausse.
  9. t ↦ eit sur [0, π] vaut 1 puis −1, mais ne s'annule jamais. Il n'y a pas de valeurs intermédiaires pour une fonction à valeurs complexes.

Techniques du chapitre

Nier une limite. Mini-exercice : écrire « f ne tend pas vers l en +∞ ». On obtient ∃ε > 0, ∀B ∈ R, ∃x ≥ B, |f(x) − l| > ε. Aussi loin que l'on aille, un point reste à distance au moins ε de l.

Deux suites pour une non-existence. Mini-exercice : x ↦ ⌊1/x⌋ x a-t-elle une limite en 0⁺ ? On a 1/x − 1 < ⌊1/x⌋ ≤ 1/x, donc 1 − x < x⌊1/x⌋ ≤ 1 pour x > 0. Par encadrement, la limite existe et vaut 1. Il faut d'abord tester l'encadrement, avant de chercher deux suites.

Encadrement. Mini-exercice : limite en +∞ de (x + sin x)/(x + 2). On a (x − 1)/(x + 2) ≤ f(x) ≤ (x + 1)/(x + 2) pour x > 0. Les deux bornes tendent vers 1, donc f tend vers 1.

Fonction auxiliaire et changement de signe. Mini-exercice : cos x = x a une solution dans [0, π/2]. On pose g(x) = cos x − x, continue, avec g(0) = 1 > 0 et g(π/2) = −π/2 < 0. Le théorème des valeurs intermédiaires conclut, et g strictement décroissante donne l'unicité.

Marge uniforme sur un segment. Mini-exercice : f continue et strictement positive sur [a, b]. Alors il existe m > 0 tel que f ≥ m. Le minimum est atteint en un point c, donc m = f(c) > 0. Sur ]0, 1], x ↦ x montre que le segment est nécessaire.

Passage à l'exponentielle. Mini-exercice : limite de x1/x en +∞. On écrit x1/x = exp(ln x / x), et ln x / x tend vers 0 par croissances comparées. Par continuité de exp en 0, la limite vaut 1.

Itérer puis passer à la limite. Mini-exercice : f continue en 0 avec f(x) = f(x/3) pour tout x. Pour x fixé, f(x) = f(x/3ⁿ) pour tout n, et x/3ⁿ tend vers 0. La caractérisation séquentielle donne f(x) = f(0).

Exercices classiques corrigés

Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.

Exercice 1. Limite à la main

Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle

Montrer avec ε et δ que x² tend vers 4 quand x tend vers 2.

Technique majorer le facteur parasite au voisinage.

Voir le corrigé
  1. On factorise : |x² − 4| = |x − 2| |x + 2|. 2. Si |x − 2| ≤ 1, alors x ∈ [1, 3] et |x + 2| ≤ 5. 3. Soit ε > 0. On pose δ = min(1, ε/5). Si |x − 2| ≤ δ, alors |x² − 4| ≤ 5δ ≤ ε.

piège : Choisir δ qui dépend de x, alors que δ ne doit dépendre que de ε et de a.

Exercice 2. Aucune limite, ni finie ni infinie

Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle

Montrer que f(x) = x cos x n'a pas de limite en +∞, ni finie ni infinie.

Technique caractérisation séquentielle avec deux suites.

Voir le corrigé
  1. Avec xn = 2nπ, qui tend vers +∞, f(xn) = 2nπ tend vers +∞. 2. Avec yn = (2n + 1)π, f(yn) = −(2n + 1)π tend vers −∞. 3. Si f avait une limite L dans R ∪ {±∞}, les deux suites images tendraient toutes deux vers L. Contradiction par unicité de la limite.

piège : Conclure seulement « pas de limite finie ». Ici deux limites infinies différentes excluent aussi ±∞.

Exercice 3. Deux prolongements

Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle

Montrer que x ↦ xx se prolonge par continuité en 0, et que x ↦ (1 + x)1/x se prolonge par continuité en 0.

Technique écriture exponentielle, puis taux d'accroissement.

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  1. Pour x > 0, xx = exp(x ln x). Par croissances comparées, x ln x tend vers 0, et exp est continue en 0, donc xx tend vers 1. On prolonge par 1. 2. Pour x > −1 non nul, (1 + x)1/x = exp(ln(1 + x)/x). 3. ln(1 + x)/x est le taux d'accroissement de ln entre 1 et 1 + x, qui tend vers ln'(1) = 1. 4. Par composition, la fonction tend vers e. On la prolonge par e.

piège : Écrire « 1 puissance infini vaut 1 ». C'est une forme indéterminée, et la limite vaut ici e.

Exercice 4. Une équation fonctionnelle simple

Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle

Soit f de R dans R, continue en 0, telle que f(2x) = f(x) pour tout réel x. Montrer que f est constante.

Technique itérer la relation puis utiliser la caractérisation séquentielle.

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  1. En appliquant la relation à x/2, on obtient f(x) = f(x/2). Par récurrence, f(x) = f(x/2ⁿ) pour tout n. 2. La suite x/2ⁿ tend vers 0 et f est continue en 0, donc f(x/2ⁿ) tend vers f(0). 3. Cette suite est constante égale à f(x), donc f(x) = f(0).

piège : Itérer dans le mauvais sens, avec 2ⁿx qui part à l'infini, où l'on ne sait rien de f.

Exercice 5. Point fixe

Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle

Soit f continue de [0, 1] dans [0, 1]. Montrer que f admet un point fixe.

Technique fonction auxiliaire et valeurs intermédiaires.

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  1. On pose g(x) = f(x) − x, continue sur [0, 1]. 2. g(0) = f(0) ≥ 0, et g(1) = f(1) − 1 ≤ 0, car f prend ses valeurs dans [0, 1]. 3. Le théorème des valeurs intermédiaires fournit c dans [0, 1] tel que g(c) = 0, soit f(c) = c.

piège : Oublier une hypothèse. x ↦ x/2 de ]0, 1[ dans ]0, 1[ n'a pas de point fixe, pas plus que x ↦ x + 1 sur [0, +∞[.

Exercice 6. Corde horizontale

Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle

Soit f continue sur [0, 1] avec f(0) = f(1). Montrer qu'il existe c dans [0, 1/2] tel que f(c + 1/2) = f(c).

Technique fonction auxiliaire dont une somme de valeurs est nulle.

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  1. On pose g(x) = f(x + 1/2) − f(x) sur [0, 1/2], où elle est bien définie et continue. 2. g(0) + g(1/2) = f(1/2) − f(0) + f(1) − f(1/2) = f(1) − f(0) = 0. 3. Donc g(0) et g(1/2) sont opposés : l'un est positif ou nul, l'autre négatif ou nul. 4. Les valeurs intermédiaires donnent c avec g(c) = 0.

piège : Définir g sur [0, 1], où f(x + 1/2) n'a pas de sens. Autre piège, oublier le cas où les deux valeurs sont nulles, qui est couvert puisque 0 est compris entre elles.

Exercice 7. Suite définie implicitement, d'après un écrit CCINP PC

Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit CCINP

Pour n ≥ 1, montrer que l'équation xⁿ + x − 1 = 0 a une unique solution un dans [0, 1]. Étudier la monotonie de (un), puis sa limite.

Technique bijection, puis comparaison de fn+1 et fn au point un.

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  1. fn(x) = xⁿ + x − 1 est continue et strictement croissante sur [0, 1], avec fn(0) = −1 et fn(1) = 1. Par le théorème de la bijection, 0 a un unique antécédent un, et un est dans ]0, 1[. 2. On calcule fn+1(un) = u_nⁿ⁺¹ + un − 1 = u_nⁿ⁺¹ − u_nⁿ = u_nⁿ(un − 1) < 0 = fn+1(un+1). 3. Comme fn+1 est croissante, un < un+1. 4. La suite est croissante et majorée par 1, donc elle converge vers un l ≤ 1. 5. Si l < 1, alors 0 < un ≤ l, donc u_nⁿ ≤ lⁿ tend vers 0, puis un = 1 − u_nⁿ tend vers 1, ce qui contredit l < 1. Donc l = 1.

piège : Passer à la limite dans u_nⁿ en écrivant lⁿ. L'exposant et la base bougent en même temps, d'où le raisonnement par l'absurde.

Exercice 8. Minimum global sur R

Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit CCINP ou e3a

Soit f continue sur R, qui tend vers +∞ en +∞ et en −∞. Montrer que f admet un minimum sur R.

Technique se ramener à un segment, puis bornes atteintes.

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  1. Comme f tend vers +∞ en +∞, il existe B > 0 tel que f(x) ≥ f(0) pour x ≥ B. De même, il existe A < 0 tel que f(x) ≥ f(0) pour x ≤ A. 2. Sur le segment [A, B], f atteint un minimum m = f(c), avec m ≤ f(0) puisque 0 est dans [A, B]. 3. Hors de [A, B], f(x) ≥ f(0) ≥ m. 4. Donc m est le minimum de f sur R.

piège : Choisir un segment arbitraire, par exemple [−1, 1], sans comparer avec l'extérieur. Tout le travail consiste à choisir le segment grâce à une valeur de référence.

Exercice 9. Fonction périodique

Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle

Soit f continue sur R et T-périodique, avec T > 0. Montrer que f est bornée et atteint ses bornes.

Technique réduction à une période.

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  1. Sur [0, T], f atteint un maximum M en d et un minimum m en c. 2. Pour x réel, on pose k = ⌊x/T⌋. Alors x − kT est dans [0, T[ et f(x) = f(x − kT). 3. Donc m ≤ f(x) ≤ M pour tout x, et ces valeurs sont atteintes en c et en d.

piège : Invoquer les bornes atteintes directement sur R, qui n'est pas un segment.

Exercice 10. Équation de Cauchy

Approfondissement · Niveau écrit Centrale

Déterminer les f continues de R dans R telles que f(x + y) = f(x) + f(y) pour tous réels x et y.

Technique on obtient la formule sur Q, puis on la prolonge par densité et caractérisation séquentielle.

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  1. Avec x = y = 0, f(0) = 0. Avec y = −x, f(−x) = −f(x). 2. Par récurrence, f(nx) = n f(x) pour n dans N, puis pour n dans Z par imparité. 3. On pose a = f(1). Pour p dans Z et q dans N*, q f(p/q) = f(p) = pa, donc f(r) = ar pour tout rationnel r. 4. Soit x réel et rn = ⌊10ⁿx⌋/10ⁿ, rationnel, qui tend vers x. Alors f(rn) = a rn tend vers ax, et f(rn) tend vers f(x) par continuité. Donc f(x) = ax. 5. Réciproquement, x ↦ ax convient pour tout réel a.

piège : Oublier la synthèse, ou affirmer f(r) = ar pour les rationnels sans passer par f(p) puis q f(p/q).

Exercice 11. Continue et injective implique strictement monotone

Approfondissement · Type oral Mines

Soit f continue et injective sur un intervalle I. Montrer que f est strictement monotone.

Technique valeurs intermédiaires appliquées à une fonction auxiliaire construite par barycentres.

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  1. Soient a < b et c < d dans I. Pour t dans [0, 1], on pose x(t) = (1 − t)a + tc et y(t) = (1 − t)b + td. Ces points sont dans I, qui est un intervalle, et y(t) − x(t) = (1 − t)(b − a) + t(d − c) > 0. 2. On pose φ(t) = f(y(t)) − f(x(t)), continue sur [0, 1]. Elle ne s'annule pas, car x(t) ≠ y(t) et f est injective. 3. Par les valeurs intermédiaires, φ garde un signe constant, donc f(b) − f(a) et f(d) − f(c) ont le même signe. 4. Tous les couples ordonnés varient dans le même sens, donc f est strictement monotone.

piège : Croire qu'il suffit de fixer un point a et de regarder le signe de f(x) − f(a). Cela ne compare pas deux couples quelconques.

Erreurs fréquentes

  1. Appliquer les valeurs intermédiaires sans continuité sur un intervalle. x ↦ 1/x change de signe entre −1 et 1 sans jamais s'annuler, car [−1, 1] privé de 0 n'est pas un intervalle.
  2. Invoquer les bornes atteintes sur ]a, b[, sur [a, +∞[ ou sur R, qui ne sont pas des segments.
  3. Croire qu'une seule suite xn → a avec f(xn) → l prouve la limite. Il faut toutes les suites, ou alors revenir à la définition.
  4. Passer à la limite dans une inégalité stricte en la gardant stricte. On a x² > 0 sur ]0, 1] et pourtant la limite en 0 vaut 0.
  5. Conclure à l'unicité d'une solution sans stricte monotonie, ou transposer aux fonctions à valeurs complexes un résultat fondé sur l'ordre, comme les valeurs intermédiaires ou la limite monotone.

Fiche de cours rédigée à partir du programme officiel de PCSI (2021), partie A de la section « Fonctions d'une variable réelle : limites et continuité, dérivabilité » du premier semestre. Elle couvre la limite d'une fonction en un point, la continuité en un point, la continuité sur un intervalle avec les trois grands théorèmes, et l'extension aux fonctions complexes.

Au concours

Les questions des sujets corrigés qui travaillent ce chapitre. La première question de chaque sujet est en accès libre.

Centrale-Supélec 2025, PC, Mathématiques 1

  • Q23 à Q25 Continuité, compacité et courbe d'incertitude

Centrale-Supélec 2025, PC, Mathématiques 2