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Programme de Prépa, 1re année › Limites et continuité
Prépa · MPSI / MP2I

Limites et continuité

Ce chapitre fait partie du programme de Prépa, 1re année.

Ce chapitre donne un sens précis à la phrase « $f(x)$ se rapproche de $\ell$ quand $x$ se rapproche de $a$ » et en tire les grands théorèmes sur les fonctions continues : valeurs intermédiaires, bornes atteintes, continuité uniforme. Ces résultats servent ensuite partout : existence de solutions d'équations, étude des suites récurrentes, dérivation, intégration.

Prérequis

  • Suites réelles : définition de la convergence avec $\varepsilon$, opérations, passage à la limite dans les inégalités, théorème d'encadrement
  • Suites adjacentes, théorème de Bolzano-Weierstrass (toute suite réelle bornée admet une sous-suite convergente)
  • Borne supérieure, borne inférieure, caractérisation par $\varepsilon$
  • Densité de $\mathbb{Q}$ et de $\mathbb{R}\setminus\mathbb{Q}$ dans $\mathbb{R}$
  • Valeur absolue, inégalité triangulaire, partie entière
  • Fonctions usuelles et limites de référence (croissances comparées, $\frac{\sin x}{x}\to 1$ en $0$)

À la fin du chapitre, on sait

  • Écrire avec quantificateurs la définition d'une limite finie ou infinie, en un point réel ou en $\pm\infty$, et l'utiliser pour prouver une limite
  • Utiliser la caractérisation séquentielle pour prouver qu'une limite existe ou n'existe pas
  • Manipuler les opérations sur les limites, la composition, le passage à la limite dans les inégalités, l'encadrement et le théorème de la limite monotone
  • Démontrer qu'une fonction est continue, la prolonger par continuité, utiliser la continuité pour trouver la limite d'une suite récurrente
  • Énoncer et démontrer le théorème des valeurs intermédiaires et le théorème des bornes atteintes, et les appliquer
  • Utiliser le théorème de la bijection pour justifier l'existence et la continuité d'une réciproque
  • Distinguer continuité, continuité uniforme et caractère lipschitzien, et connaître le théorème de Heine

1.Limite d'une fonction en un point

Dans tout le chapitre, $I$ désigne un intervalle de $\mathbb{R}$ non vide et non réduit à un point, et $f : I \to \mathbb{R}$. Le point $a$ est un élément de $\overline{\mathbb{R}} = \mathbb{R}\cup\{-\infty,+\infty\}$ qui appartient à $I$ ou qui est une extrémité de $I$ (éventuellement infinie). Ce sont exactement les points en lesquels on peut s'approcher de $a$ en restant dans $I$.

Les résultats s'étendent sans changement à une fonction définie sur une réunion d'intervalles, par exemple $\mathbb{R}^*$.

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Définition

Voisinage, propriété vraie au voisinage d'un point

  • Si $a \in \mathbb{R}$, on appelle voisinage de $a$ toute partie de $\mathbb{R}$ contenant un intervalle $[a-\eta, a+\eta]$ avec $\eta > 0$.
  • Un voisinage de $+\infty$ est une partie contenant un intervalle $[A, +\infty[$ avec $A \in \mathbb{R}$ ; un voisinage de $-\infty$ contient un intervalle $]-\infty, A]$.

On dit qu'une propriété portant sur $f$ est vraie au voisinage de $a$ s'il existe un voisinage $V$ de $a$ tel que la propriété soit vraie pour tout $x \in V \cap I$.

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Définition

Limite finie en un point réel

Soit $a \in \mathbb{R}$ et $\ell \in \mathbb{R}$. On dit que $f$ admet $\ell$ pour limite en $a$ si $$\forall \varepsilon > 0,\ \exists \eta > 0,\ \forall x \in I,\quad |x - a| \leq \eta \implies |f(x) - \ell| \leq \varepsilon.$$ On note $\lim\limits_{x \to a} f(x) = \ell$ ou $f(x) \xrightarrow[x \to a]{} \ell$.

En mots : on peut rendre $f(x)$ aussi proche de $\ell$ que l'on veut, à condition de prendre $x$ assez proche de $a$. Le réel $\eta$ dépend de $\varepsilon$.

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Définition

Les autres cas de limite

  • $a \in \mathbb{R}$, limite $+\infty$ : $\forall A \in \mathbb{R},\ \exists \eta > 0,\ \forall x \in I,\ |x-a| \leq \eta \implies f(x) \geq A$.
  • $a = +\infty$, limite $\ell \in \mathbb{R}$ : $\forall \varepsilon > 0,\ \exists B \in \mathbb{R},\ \forall x \in I,\ x \geq B \implies |f(x)-\ell| \leq \varepsilon$.
  • $a = +\infty$, limite $+\infty$ : $\forall A \in \mathbb{R},\ \exists B \in \mathbb{R},\ \forall x \in I,\ x \geq B \implies f(x) \geq A$.

Les cas avec $-\infty$ s'écrivent de même (remplacer $f(x) \geq A$ par $f(x) \leq A$, ou $x \geq B$ par $x \leq B$).

Toutes ces définitions se résument en une seule : $f$ tend vers $\ell \in \overline{\mathbb{R}}$ en $a$ si, pour tout voisinage $V$ de $\ell$, il existe un voisinage $W$ de $a$ tel que $f(W \cap I) \subset V$.

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Remarque

Si $f$ est définie en $a$

Si $a \in I$ et si $f$ admet une limite finie $\ell$ en $a$, alors $\ell = f(a)$. En effet, en prenant $x = a$ dans la définition, on obtient $|f(a) - \ell| \leq \varepsilon$ pour tout $\varepsilon > 0$, donc $f(a) = \ell$.

Ainsi la fonction $g$ définie par $g(0) = 1$ et $g(x) = 0$ pour $x \neq 0$ n'a pas de limite en $0$. En revanche, sa restriction à $\mathbb{R}^*$ tend vers $0$ en $0$. Pour parler de cette limite, on écrit $\lim\limits_{\substack{x \to a \\ x \neq a}} g(x)$ : c'est la limite en $a$ de la restriction de $g$ à $I \setminus \{a\}$.

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Définition

Limite à gauche, limite à droite

Soit $a \in \mathbb{R}$. On dit que $f$ admet une limite à gauche en $a$ si la restriction de $f$ à $I \cap\, ]-\infty, a[$ admet une limite en $a$. On la note $\lim\limits_{x \to a^-} f(x)$. On définit de même la limite à droite $\lim\limits_{x \to a^+} f(x)$ avec $I \cap\, ]a, +\infty[$.

Pour $\ell$ réel, la limite à droite s'écrit : $\forall \varepsilon>0,\ \exists \eta>0,\ \forall x \in I,\ a < x \leq a+\eta \implies |f(x)-\ell| \leq \varepsilon$.

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Propriété

Lien entre limite et limites latérales

Soit $a$ un point intérieur à $I$.

  • Si $a \in I$ : $f$ admet une limite en $a$ si et seulement si $\lim\limits_{x \to a^-} f(x)$ et $\lim\limits_{x \to a^+} f(x)$ existent et valent toutes deux $f(a)$.
  • Si $f$ est définie sur $I \setminus \{a\}$ : $f$ admet une limite en $a$ si et seulement si les limites à gauche et à droite existent et sont égales.
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Théorème

Unicité de la limite

Si $f$ admet une limite en $a$, cette limite est unique.

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Démonstration

Unicité (cas de limites finies, $a$ réel)

Supposons que $f$ tende vers $\ell$ et vers $\ell'$ en $a$, avec $\ell \neq \ell'$. Posons $\varepsilon = \frac{|\ell - \ell'|}{3} > 0$.

Il existe $\eta_1 > 0$ tel que pour $x \in I$, $|x-a| \leq \eta_1 \implies |f(x)-\ell| \leq \varepsilon$, et $\eta_2 > 0$ tel que $|x-a| \leq \eta_2 \implies |f(x)-\ell'| \leq \varepsilon$.

Posons $\eta = \min(\eta_1, \eta_2)$. Comme $a$ est un point de $I$ ou une extrémité de $I$, il existe $x \in I$ avec $|x-a| \leq \eta$. Pour ce $x$ : $$|\ell - \ell'| \leq |\ell - f(x)| + |f(x) - \ell'| \leq 2\varepsilon = \frac{2}{3}|\ell - \ell'|,$$ ce qui est impossible puisque $|\ell-\ell'| > 0$. Donc $\ell = \ell'$.

Les cas où une limite est infinie, ou $a = \pm\infty$, se traitent de la même façon : deux voisinages disjoints de $\ell$ et $\ell'$ ne peuvent pas contenir tous deux $f(x)$.

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Propriété

Limite finie implique bornée au voisinage

Si $f$ admet une limite finie $\ell$ en $a$, alors $f$ est bornée au voisinage de $a$.

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Démonstration

Preuve

Cas $a$ réel. Avec $\varepsilon = 1$, il existe $\eta > 0$ tel que pour tout $x \in I \cap [a-\eta, a+\eta]$, $|f(x) - \ell| \leq 1$, donc $|f(x)| \leq |\ell| + 1$. La fonction $f$ est bornée par $|\ell|+1$ sur le voisinage $[a-\eta, a+\eta]$. Le cas $a = \pm\infty$ est identique avec $[B, +\infty[$ ou $]-\infty, B]$.

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Exemple

Une limite prouvée avec $\varepsilon$

Montrons que $\lim\limits_{x \to 2} x^2 = 4$.

Pour tout réel $x$, $|x^2 - 4| = |x-2|\,|x+2|$. Si $|x - 2| \leq 1$, alors $x \in [1,3]$ donc $|x+2| \leq 5$, et $|x^2-4| \leq 5|x-2|$.

Soit $\varepsilon > 0$. Posons $\eta = \min\left(1, \frac{\varepsilon}{5}\right) > 0$. Si $|x - 2| \leq \eta$, alors $|x-2| \leq 1$ et $|x^2 - 4| \leq 5|x-2| \leq 5 \cdot \frac{\varepsilon}{5} = \varepsilon$. La définition est vérifiée.

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Méthode

Prouver une limite finie avec la définition

  1. Écrire $|f(x) - \ell|$ et le factoriser ou le transformer pour faire apparaître $|x - a|$.
  2. Se restreindre à un voisinage fixé de $a$ (par exemple $|x-a| \leq 1$) sur lequel les autres facteurs sont bornés : on obtient $|f(x) - \ell| \leq C\,|x-a|$ ou une majoration du même type.
  3. Choisir $\eta$ comme le minimum de la restriction initiale et de la valeur qui rend la majoration inférieure à $\varepsilon$.
  4. Rédiger dans l'ordre : « Soit $\varepsilon > 0$. Posons $\eta = \dots$ Soit $x \in I$ tel que $|x-a| \leq \eta$. Alors $\dots \leq \varepsilon$. »

En pratique, on n'utilise la définition que lorsque les opérations et les théorèmes de comparaison ne suffisent pas.

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2.Caractérisation séquentielle et opérations sur les limites

Théorème

Caractérisation séquentielle de la limite

Soit $\ell \in \overline{\mathbb{R}}$. Les assertions suivantes sont équivalentes :

  1. $f$ admet $\ell$ pour limite en $a$ ;
  2. pour toute suite $(u_n)$ d'éléments de $I$ qui tend vers $a$, la suite $(f(u_n))$ tend vers $\ell$.
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Démonstration

Preuve (cas $a$ et $\ell$ réels)

(1) implique (2). Supposons $f(x) \to \ell$ quand $x \to a$ et soit $(u_n)$ une suite d'éléments de $I$ de limite $a$. Soit $\varepsilon > 0$. Il existe $\eta > 0$ tel que pour $x \in I$, $|x - a| \leq \eta \implies |f(x) - \ell| \leq \varepsilon$. Comme $u_n \to a$, il existe $N$ tel que pour $n \geq N$, $|u_n - a| \leq \eta$. Alors pour $n \geq N$, $|f(u_n) - \ell| \leq \varepsilon$. Donc $f(u_n) \to \ell$.

(2) implique (1), par contraposée. Supposons que $f$ ne tende pas vers $\ell$ en $a$. La négation de la définition s'écrit : $$\exists \varepsilon > 0,\ \forall \eta > 0,\ \exists x \in I,\quad |x-a| \leq \eta \ \text{ et } \ |f(x)-\ell| > \varepsilon.$$ Fixons un tel $\varepsilon$. Pour tout $n \in \mathbb{N}$, en appliquant ceci avec $\eta = \frac{1}{n+1}$, on choisit $u_n \in I$ tel que $|u_n - a| \leq \frac{1}{n+1}$ et $|f(u_n) - \ell| > \varepsilon$.

La suite $(u_n)$ est à valeurs dans $I$ et tend vers $a$ par encadrement. Mais $|f(u_n) - \ell| > \varepsilon$ pour tout $n$, donc $(f(u_n))$ ne tend pas vers $\ell$. L'assertion (2) est fausse.

Pour les autres cas ($a$ ou $\ell$ infini), on adapte : par exemple pour $a = +\infty$, on prend $B = n$ et on obtient $u_n \geq n$.

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Méthode

Montrer qu'une fonction n'a pas de limite en $a$

  1. Trouver deux suites $(u_n)$ et $(v_n)$ d'éléments de $I$, toutes deux de limite $a$.
  2. Calculer les limites de $(f(u_n))$ et $(f(v_n))$ et constater qu'elles sont différentes (ou que l'une n'existe pas).
  3. Conclure : si $f$ avait une limite $\ell$ en $a$, ces deux suites tendraient toutes deux vers $\ell$ par caractérisation séquentielle, ce qui contredit l'unicité de la limite d'une suite.

Une seule suite $(u_n)$ telle que $f(u_n) \to \ell$ ne prouve jamais que $f$ tend vers $\ell$ : la caractérisation porte sur toutes les suites.

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Exemple

$x \mapsto \cos(1/x)$ en $0$

La fonction $f : x \mapsto \cos\left(\frac{1}{x}\right)$ est définie sur $\mathbb{R}^*$.

Posons $u_n = \frac{1}{2n\pi}$ et $v_n = \frac{1}{(2n+1)\pi}$ pour $n \geq 1$. Ces deux suites tendent vers $0$ et sont à valeurs dans $\mathbb{R}^*$. On a $f(u_n) = \cos(2n\pi) = 1$ et $f(v_n) = \cos((2n+1)\pi) = -1$.

Les suites $(f(u_n))$ et $(f(v_n))$ ont des limites différentes : $f$ n'a pas de limite en $0$. De même, $\sin$ n'a pas de limite en $+\infty$ : $\sin(n\pi) = 0$ et $\sin\left(\frac{\pi}{2} + 2n\pi\right) = 1$.

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Propriété

Opérations sur les limites

Soit $f$ et $g$ définies sur $I$, de limites respectives $\ell$ et $\ell'$ en $a$, et $\lambda \in \mathbb{R}$.

  • Si $\ell, \ell'$ sont réels : $f + g \to \ell + \ell'$, $\lambda f \to \lambda \ell$, $fg \to \ell\ell'$.
  • Si de plus $\ell' \neq 0$ : $g$ ne s'annule pas au voisinage de $a$ et $\frac{f}{g} \to \frac{\ell}{\ell'}$.
  • Les règles avec des limites infinies sont les mêmes que pour les suites : $+\infty + \ell' = +\infty$ si $\ell' \neq -\infty$, $\ell \times (+\infty) = +\infty$ si $\ell > 0$, $\frac{1}{g} \to 0$ si $g \to \pm\infty$, $\frac{1}{g} \to +\infty$ si $g \to 0$ avec $g > 0$ au voisinage de $a$.
  • Formes indéterminées : $+\infty - \infty$, $0 \times \infty$, $\frac{0}{0}$, $\frac{\infty}{\infty}$, $1^\infty$, $0^0$, $\infty^0$.

Ces règles se démontrent directement à partir des résultats sur les suites grâce à la caractérisation séquentielle.

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Théorème

Composition des limites

Soit $f : I \to \mathbb{R}$ et $g : J \to \mathbb{R}$ avec $f(I) \subset J$. Si $f(x) \to b$ quand $x \to a$ et $g(y) \to \ell$ quand $y \to b$ (avec $a, b, \ell \in \overline{\mathbb{R}}$), alors $g(f(x)) \to \ell$ quand $x \to a$.

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Démonstration

Preuve

Soit $(u_n)$ une suite d'éléments de $I$ de limite $a$. Par caractérisation séquentielle appliquée à $f$, la suite $(f(u_n))$, à valeurs dans $J$, tend vers $b$. Par caractérisation séquentielle appliquée à $g$, la suite $(g(f(u_n)))$ tend vers $\ell$.

Ceci vaut pour toute suite $(u_n)$ de $I$ de limite $a$, donc $g \circ f$ tend vers $\ell$ en $a$, encore par caractérisation séquentielle.

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Exemple

Limite de $x\sin(1/x)$ en $+\infty$

Sur $[1, +\infty[$, posons $f(x) = \frac{1}{x}$, à valeurs dans $J = ]0, 1]$, et sur $J$, $g(u) = \frac{\sin u}{u}$. On a $f(x) \to 0$ quand $x \to +\infty$ et $g(u) \to 1$ quand $u \to 0$ (limite de référence). Par composition, $$x \sin\left(\frac{1}{x}\right) = g(f(x)) \xrightarrow[x \to +\infty]{} 1.$$ Le fait de travailler sur $J = ]0,1]$, qui ne contient pas $0$, évite le problème de la valeur de $g$ en $0$.

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Remarque

Fonctions à valeurs complexes

Pour $f : I \to \mathbb{C}$ et $\ell \in \mathbb{C}$, on dit que $f$ tend vers $\ell$ en $a$ si $|f(x) - \ell| \to 0$, la définition étant la même avec le module. On montre que cela équivaut à : $\mathrm{Re}(f) \to \mathrm{Re}(\ell)$ et $\mathrm{Im}(f) \to \mathrm{Im}(\ell)$. Unicité, caractérisation séquentielle, opérations et caractère borné au voisinage restent vrais. Tout ce qui utilise l'ordre (section suivante) n'a pas de sens dans $\mathbb{C}$.

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3.Limites et ordre

Propriété

Signe au voisinage d'une limite

Si $f$ tend vers $\ell \in \overline{\mathbb{R}}$ en $a$ et si $m < \ell$ ($m$ réel), alors $f(x) > m$ au voisinage de $a$. En particulier, une fonction de limite strictement positive est strictement positive au voisinage de $a$.

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Démonstration

Preuve (cas $\ell$ réel)

Posons $\varepsilon = \frac{\ell - m}{2} > 0$. Au voisinage de $a$, $|f(x) - \ell| \leq \varepsilon$, donc $f(x) \geq \ell - \varepsilon = \frac{\ell + m}{2} > m$. Si $\ell = +\infty$, on applique directement la définition avec $A = m + 1$.

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Théorème

Passage à la limite dans une inégalité large

Si $f \leq g$ au voisinage de $a$, et si $f$ et $g$ admettent des limites $\ell$ et $\ell'$ dans $\overline{\mathbb{R}}$ en $a$, alors $\ell \leq \ell'$.

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Démonstration

Preuve

Il existe une suite $(u_n)$ d'éléments de $I$ de limite $a$ (par exemple $u_n = a$ si $a \in I$, sinon une suite construite à partir de la définition d'extrémité). Comme $u_n \to a$, les $u_n$ sont dans le voisinage où $f \leq g$ à partir d'un certain rang, donc $f(u_n) \leq g(u_n)$ pour $n$ assez grand. Par caractérisation séquentielle, $f(u_n) \to \ell$ et $g(u_n) \to \ell'$. Le passage à la limite dans les inégalités pour les suites donne $\ell \leq \ell'$.

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Attention

Les inégalités strictes deviennent larges

Pour tout $x > 0$, $\frac{1}{x} > 0$, et pourtant $\lim\limits_{x \to +\infty} \frac{1}{x} = 0$. Le passage à la limite transforme une inégalité stricte en inégalité large.

Par ailleurs, ce théorème suppose que les limites existent. Il ne sert pas à prouver leur existence : c'est le rôle des deux théorèmes suivants.

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Théorème

Théorème d'encadrement

Soit $f, g, h$ définies sur $I$ telles que $f \leq g \leq h$ au voisinage de $a$. Si $f$ et $h$ tendent vers une même limite réelle $\ell$ en $a$, alors $g$ admet une limite en $a$ et cette limite vaut $\ell$.

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Démonstration

Preuve (cas $a$ réel)

Soit $\eta_0 > 0$ tel que $f(x) \leq g(x) \leq h(x)$ pour $x \in I$, $|x - a| \leq \eta_0$. Soit $\varepsilon > 0$. Il existe $\eta_1, \eta_2 > 0$ tels que $|x-a| \leq \eta_1 \implies |f(x) - \ell| \leq \varepsilon$ et $|x-a| \leq \eta_2 \implies |h(x) - \ell| \leq \varepsilon$. Posons $\eta = \min(\eta_0, \eta_1, \eta_2)$. Pour $x \in I$ tel que $|x-a| \leq \eta$ : $$\ell - \varepsilon \leq f(x) \leq g(x) \leq h(x) \leq \ell + \varepsilon,$$ donc $|g(x) - \ell| \leq \varepsilon$. Ainsi $g \to \ell$ en $a$.

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Théorème

Théorème de minoration et de majoration

Si $f \leq g$ au voisinage de $a$ et si $f \to +\infty$ en $a$, alors $g \to +\infty$ en $a$.

Si $f \leq g$ au voisinage de $a$ et si $g \to -\infty$ en $a$, alors $f \to -\infty$ en $a$.

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Exemple

Deux encadrements classiques

1. Pour $x \neq 0$, $\left|x \sin\left(\frac{1}{x}\right)\right| \leq |x|$, c'est-à-dire $-|x| \leq x\sin\left(\frac{1}{x}\right) \leq |x|$. Les deux bornes tendent vers $0$ en $0$, donc $\lim\limits_{\substack{x\to 0\\x\neq 0}} x\sin\left(\frac{1}{x}\right) = 0$.

2. Pour $x > 0$, par définition de la partie entière, $\frac{1}{x} - 1 < \left\lfloor \frac{1}{x} \right\rfloor \leq \frac{1}{x}$. En multipliant par $x > 0$ : $$1 - x < x \left\lfloor \frac{1}{x} \right\rfloor \leq 1.$$ Les bornes tendent vers $1$ quand $x \to 0^+$, donc $\lim\limits_{x \to 0^+} x\left\lfloor \frac{1}{x}\right\rfloor = 1$.

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Théorème

Théorème de la limite monotone

Soit $a < b$ dans $\overline{\mathbb{R}}$ et $f$ croissante sur $]a, b[$.

  • En $b$ : si $f$ est majorée, $f$ admet en $b^-$ la limite finie $\sup\limits_{]a,b[} f$ ; sinon, $f$ tend vers $+\infty$ en $b^-$.
  • En $a$ : si $f$ est minorée, $f$ admet en $a^+$ la limite finie $\inf\limits_{]a,b[} f$ ; sinon, $f$ tend vers $-\infty$ en $a^+$.

Pour $f$ décroissante, on échange les rôles (appliquer le résultat à $-f$).

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Démonstration

Preuve (en $b$, $f$ majorée)

L'ensemble $f(]a,b[)$ est non vide et majoré : il admet une borne supérieure $M$. Soit $\varepsilon > 0$. Par caractérisation de la borne supérieure, il existe $x_0 \in ]a,b[$ tel que $M - \varepsilon < f(x_0) \leq M$.

Pour tout $x \in [x_0, b[$, la croissance de $f$ et la définition de $M$ donnent $$M - \varepsilon < f(x_0) \leq f(x) \leq M,$$ donc $|f(x) - M| \leq \varepsilon$. Si $b$ est réel, on pose $\eta = b - x_0 > 0$ : pour $x \in ]a,b[$ avec $b - \eta \leq x < b$, on a bien $x \geq x_0$. Si $b = +\infty$, on prend $B = x_0$. Dans les deux cas, $f(x) \to M$ quand $x \to b^-$.

Si $f$ n'est pas majorée : soit $A \in \mathbb{R}$, il existe $x_0$ avec $f(x_0) > A$, et pour $x \in [x_0, b[$, $f(x) \geq f(x_0) > A$. Donc $f \to +\infty$ en $b^-$.

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Propriété

Conséquence en un point intérieur

Si $f$ est croissante sur $I$ et si $c$ est un point intérieur à $I$, alors $f$ admet des limites finies à gauche et à droite en $c$, et $$\lim_{x \to c^-} f(x) \leq f(c) \leq \lim_{x \to c^+} f(x).$$ En effet, sur $I \cap ]-\infty, c[$, $f$ est croissante et majorée par $f(c)$ ; sur $I \cap ]c, +\infty[$, elle est minorée par $f(c)$.

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Méthode

Choisir l'outil pour une limite

  1. Si l'expression est construite à partir de fonctions de limites connues sans forme indéterminée : opérations et composition.
  2. En cas de forme indéterminée : factoriser le terme dominant, utiliser une quantité conjuguée, les croissances comparées ou une limite de référence.
  3. Si l'expression contient un terme oscillant ou une partie entière ($\sin$, $\cos$, $\lfloor \cdot \rfloor$) : encadrer, puis théorème d'encadrement ou de minoration.
  4. Si la fonction est monotone et que seule l'existence compte : théorème de la limite monotone.
  5. Pour montrer qu'il n'y a pas de limite : deux suites (caractérisation séquentielle).
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4.Continuité

Définition

Continuité en un point, sur un intervalle

Soit $a \in I$. On dit que $f$ est continue en $a$ si $f$ admet une limite en $a$ ; d'après la remarque de la première section, cette limite vaut alors $f(a)$. Avec les quantificateurs : $$\forall \varepsilon > 0,\ \exists \eta > 0,\ \forall x \in I,\quad |x - a| \leq \eta \implies |f(x) - f(a)| \leq \varepsilon.$$ On dit que $f$ est continue sur $I$ si elle est continue en tout point de $I$. On note $\mathcal{C}(I, \mathbb{R})$ l'ensemble des fonctions continues sur $I$ à valeurs réelles.

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Définition

Continuité à gauche, à droite

$f$ est continue à gauche en $a$ si $\lim\limits_{x \to a^-} f(x) = f(a)$, et continue à droite en $a$ si $\lim\limits_{x \to a^+} f(x) = f(a)$. En un point intérieur de $I$, $f$ est continue en $a$ si et seulement si elle est continue à gauche et à droite en $a$.

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Exemple

La partie entière

Soit $n \in \mathbb{Z}$. Pour $x \in [n, n+1[$, $\lfloor x \rfloor = n$, donc $\lim\limits_{x \to n^+} \lfloor x \rfloor = n = \lfloor n \rfloor$ : la partie entière est continue à droite en $n$. Pour $x \in [n-1, n[$, $\lfloor x \rfloor = n - 1$, donc $\lim\limits_{x \to n^-} \lfloor x \rfloor = n - 1 \neq n$ : elle n'est pas continue à gauche en $n$.

En un réel $a \notin \mathbb{Z}$, la partie entière est constante sur un voisinage de $a$, donc continue en $a$. Conclusion : $x \mapsto \lfloor x \rfloor$ est continue sur $\mathbb{R} \setminus \mathbb{Z}$, continue à droite partout, discontinue en chaque entier.

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Propriété

Opérations et fonctions usuelles

  • Si $f$ et $g$ sont continues en $a$, alors $f + g$, $\lambda f$, $fg$ sont continues en $a$, ainsi que $\frac{f}{g}$ si $g(a) \neq 0$.
  • Si $f$ est continue en $a$ et $g$ continue en $f(a)$ (avec $f(I) \subset J$), alors $g \circ f$ est continue en $a$.
  • Les fonctions polynomiales, rationnelles (sur leur ensemble de définition), $\exp$, $\ln$, les puissances, $\sin$, $\cos$, $\tan$, $\arcsin$, $\arccos$, $\arctan$, la valeur absolue sont continues sur leur ensemble de définition.

Ces résultats découlent directement des opérations sur les limites et de la composition.

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Définition

Prolongement par continuité

Soit $a \in I$ et $f$ définie sur $I \setminus \{a\}$. Si $f$ admet une limite finie $\ell$ en $a$, la fonction $\tilde{f}$ définie sur $I$ par $$\tilde{f}(x) = \begin{cases} f(x) & \text{si } x \neq a \\ \ell & \text{si } x = a \end{cases}$$ est continue en $a$. On l'appelle le prolongement par continuité de $f$ en $a$ ; on la note souvent encore $f$.

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Exemple

Prolongements

  • $x \mapsto \frac{\sin x}{x}$, définie sur $\mathbb{R}^*$, tend vers $1$ en $0$ : elle se prolonge par continuité en posant la valeur $1$ en $0$.
  • $x \mapsto x \ln x$, définie sur $]0, +\infty[$, tend vers $0$ en $0^+$ (croissances comparées) : elle se prolonge en une fonction continue sur $[0, +\infty[$ valant $0$ en $0$.
  • $x \mapsto \sin\left(\frac{1}{x}\right)$ n'a pas de limite en $0$ (même méthode que pour $\cos(1/x)$) : elle n'est prolongeable par continuité en $0$ par aucune valeur.
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Propriété

Caractérisation séquentielle de la continuité

$f$ est continue en $a \in I$ si et seulement si, pour toute suite $(u_n)$ d'éléments de $I$ de limite $a$, la suite $(f(u_n))$ tend vers $f(a)$.

C'est la caractérisation séquentielle de la limite appliquée avec $\ell = f(a)$.

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Exemple

La fonction indicatrice de $\mathbb{Q}$

Soit $f = \mathbb{1}_{\mathbb{Q}}$ : $f(x) = 1$ si $x \in \mathbb{Q}$, $f(x) = 0$ sinon. Soit $a \in \mathbb{R}$.

Par densité de $\mathbb{Q}$ et de $\mathbb{R} \setminus \mathbb{Q}$ dans $\mathbb{R}$, pour tout $n \geq 1$ il existe un rationnel $u_n$ et un irrationnel $v_n$ dans $\left]a, a + \frac{1}{n}\right[$. Les deux suites tendent vers $a$, avec $f(u_n) = 1$ et $f(v_n) = 0$. Les suites $(f(u_n))$ et $(f(v_n))$ ont des limites différentes, donc elles ne tendent pas toutes deux vers $f(a)$ : $f$ n'est continue en aucun point.

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Méthode

Limite d'une suite récurrente $u_{n+1} = f(u_n)$

Si $(u_n)$ est à valeurs dans $I$, vérifie $u_{n+1} = f(u_n)$, converge vers $\ell \in I$, et si $f$ est continue en $\ell$, alors $\ell = f(\ell)$.

Justification : $(u_{n+1})$ tend vers $\ell$ comme suite extraite ; par continuité, $(f(u_n))$ tend vers $f(\ell)$. Les deux suites sont égales, donc $\ell = f(\ell)$ par unicité de la limite.

Étapes :

  1. Prouver la convergence (monotonie et bornes, par exemple).
  2. Justifier que la limite $\ell$ appartient à $I$ (souvent par passage à la limite dans un encadrement $\alpha \leq u_n \leq \beta$ avec $[\alpha, \beta] \subset I$).
  3. Résoudre $f(\ell) = \ell$ et éliminer les solutions incompatibles avec les bornes.

Exemple : si $u_0 = 0$, $u_{n+1} = \sqrt{2 + u_n}$ et si l'on a établi que $(u_n)$ converge vers $\ell \geq 0$, la continuité de $x \mapsto \sqrt{2 + x}$ sur $[0, +\infty[$ donne $\ell = \sqrt{2 + \ell}$, d'où $\ell^2 - \ell - 2 = 0$, soit $(\ell - 2)(\ell + 1) = 0$. Comme $\ell \geq 0$, $\ell = 2$.

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Remarque

Continuité des fonctions à valeurs complexes

Une fonction $f : I \to \mathbb{C}$ est continue en $a$ si $|f(x) - f(a)| \to 0$ quand $x \to a$, ce qui équivaut à la continuité de $\mathrm{Re}(f)$ et $\mathrm{Im}(f)$ en $a$. Opérations, composition, caractérisation séquentielle et prolongement se transposent sans changement. Par exemple $t \mapsto e^{it} = \cos t + i \sin t$ est continue sur $\mathbb{R}$.

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5.Théorème des valeurs intermédiaires et théorème de la bijection

Théorème

Théorème des valeurs intermédiaires

Soit $f : I \to \mathbb{R}$ continue sur l'intervalle $I$, et $a, b \in I$. Pour tout réel $y$ compris entre $f(a)$ et $f(b)$, il existe $c$ compris entre $a$ et $b$ tel que $f(c) = y$.

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Démonstration

Preuve par dichotomie

Quitte à échanger $a$ et $b$, on suppose $a \leq b$. Posons $g = f - y$ : $g$ est continue sur $[a,b]$ et $g(a)$, $g(b)$ sont de signes opposés au sens large. Quitte à remplacer $g$ par $-g$, on suppose $g(a) \leq 0 \leq g(b)$. Il s'agit de trouver $c \in [a,b]$ tel que $g(c) = 0$.

On construit deux suites par récurrence : $a_0 = a$, $b_0 = b$, puis, en notant $m_n = \frac{a_n + b_n}{2}$ :

  • si $g(m_n) \leq 0$, $a_{n+1} = m_n$ et $b_{n+1} = b_n$ ;
  • sinon, $a_{n+1} = a_n$ et $b_{n+1} = m_n$.

Par récurrence immédiate, pour tout $n$ : $a \leq a_n \leq a_{n+1} \leq b_{n+1} \leq b_n \leq b$, $b_n - a_n = \frac{b-a}{2^n}$, $g(a_n) \leq 0$ et $g(b_n) \geq 0$ (dans le second cas, $g(m_n) > 0$).

La suite $(a_n)$ est croissante, $(b_n)$ décroissante et $b_n - a_n \to 0$ : ces suites sont adjacentes et convergent vers une même limite $c$. Par passage à la limite dans $a \leq a_n \leq b$, on a $c \in [a,b]$.

Par continuité de $g$ en $c$ et caractérisation séquentielle, $g(a_n) \to g(c)$ et $g(b_n) \to g(c)$. Par passage à la limite dans les inégalités, $g(c) \leq 0$ et $g(c) \geq 0$. Donc $g(c) = 0$, c'est-à-dire $f(c) = y$.

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Remarque

Ce que le théorème ne dit pas

Le théorème donne l'existence de $c$, pas son unicité : la fonction $\sin$ prend la valeur $0$ trois fois sur $[-\pi, \pi]$. L'unicité demande un argument supplémentaire, en général la stricte monotonie.

La démonstration fournit aussi un algorithme : après $n$ étapes, $c$ est connu à $\frac{b-a}{2^n}$ près.

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Propriété

Corollaire : fonction continue qui ne s'annule pas

Une fonction continue sur un intervalle qui ne s'annule pas y garde un signe constant (strict).

En effet, si elle prenait une valeur strictement positive et une valeur strictement négative, elle s'annulerait entre les deux par le théorème des valeurs intermédiaires.

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Théorème

Image d'un intervalle par une fonction continue

Si $f$ est continue sur l'intervalle $I$, alors $f(I)$ est un intervalle.

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Démonstration

Preuve

On rappelle qu'une partie $J$ de $\mathbb{R}$ est un intervalle si et seulement si : pour tous $y_1 \leq y_2$ dans $J$, tout $y \in [y_1, y_2]$ est dans $J$.

Soit $y_1 \leq y_2$ dans $f(I)$ et $y \in [y_1, y_2]$. Il existe $a, b \in I$ tels que $f(a) = y_1$ et $f(b) = y_2$. Le réel $y$ est compris entre $f(a)$ et $f(b)$ ; par le théorème des valeurs intermédiaires, il existe $c$ entre $a$ et $b$ tel que $f(c) = y$. Comme $I$ est un intervalle, $c \in I$, donc $y \in f(I)$. Ainsi $f(I)$ est un intervalle.

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Exemple

Polynôme de degré impair

Soit $P(x) = a_n x^n + \dots + a_0$ un polynôme réel de degré $n$ impair, avec $a_n > 0$ (sinon on considère $-P$). Pour $x \neq 0$, $P(x) = a_n x^n \left(1 + \varepsilon(x)\right)$ avec $\varepsilon(x) \to 0$ en $\pm\infty$. Comme $n$ est impair, $x^n \to +\infty$ en $+\infty$ et $x^n \to -\infty$ en $-\infty$. Donc $P(x) \to +\infty$ en $+\infty$ et $P(x) \to -\infty$ en $-\infty$.

Il existe donc $A > 0$ tel que $P(A) > 0$ et $P(-A) < 0$. La fonction $P$ est continue sur $[-A, A]$ : par le théorème des valeurs intermédiaires, $P$ s'annule sur $[-A, A]$. Tout polynôme réel de degré impair admet au moins une racine réelle.

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Exemple

Point fixe sur un segment

Soit $f : [0,1] \to [0,1]$ continue. Posons $g(x) = f(x) - x$, continue sur $[0,1]$. On a $g(0) = f(0) \geq 0$ et $g(1) = f(1) - 1 \leq 0$ car $f$ est à valeurs dans $[0,1]$. Par le théorème des valeurs intermédiaires, il existe $c \in [0,1]$ tel que $g(c) = 0$, soit $f(c) = c$ : $f$ admet un point fixe.

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Méthode

Prouver qu'une équation $f(x) = y$ a une solution

  1. Ramener l'équation à la forme $g(x) = 0$ avec $g$ continue sur un intervalle (souvent $g = f - y$ ou $g(x) = f(x) - x$).
  2. Trouver deux points $\alpha, \beta$ de l'intervalle où $g$ prend des valeurs de signes opposés. Si l'intervalle est ouvert ou infini, utiliser les limites de $g$ aux bornes pour obtenir de tels points.
  3. Appliquer le théorème des valeurs intermédiaires en citant la continuité.
  4. Pour l'unicité, prouver que $g$ est strictement monotone (ou injective).

On peut aussi raisonner directement avec l'image : si $g$ est continue sur $I$ et que $0$ est strictement compris entre deux valeurs (ou limites) de $g$, alors $0 \in g(I)$ car $g(I)$ est un intervalle.

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Théorème

Théorème de la bijection

Soit $f$ continue et strictement monotone sur l'intervalle $I$. Alors :

  1. $J = f(I)$ est un intervalle, dont les bornes sont les limites de $f$ aux bornes de $I$ ;
  2. $f$ réalise une bijection de $I$ sur $J$ ;
  3. la bijection réciproque $f^{-1} : J \to I$ est continue, strictement monotone, de même sens de variation que $f$.

Par exemple, si $f$ est continue strictement croissante sur $[a, b[$, alors $J = \left[f(a), \lim\limits_{b^-} f\right[$ ; si elle est strictement décroissante sur $]a,b[$, alors $J = \left]\lim\limits_{b^-} f, \lim\limits_{a^+} f\right[$. Une borne de $I$ incluse donne une borne de $J$ incluse.

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Démonstration

Preuve

On traite $f$ strictement croissante.

Bijection. $J = f(I)$ est un intervalle par le théorème précédent. $f$ est injective : si $x < x'$, alors $f(x) < f(x')$, donc $f(x) \neq f(x')$. Ainsi $f$ est une bijection de $I$ sur $J$. Les bornes de $J$ sont $\inf f$ et $\sup f$ sur $I$, qui sont les limites aux bornes par le théorème de la limite monotone.

Monotonie de $f^{-1}$. Soit $y < y'$ dans $J$, $x = f^{-1}(y)$, $x' = f^{-1}(y')$. Si l'on avait $x \geq x'$, la croissance de $f$ donnerait $y \geq y'$, ce qui est faux. Donc $x < x'$ : $f^{-1}$ est strictement croissante.

Continuité de $f^{-1}$. Posons $g = f^{-1}$ : $g$ est croissante sur $J$ et $g(J) = I$ est un intervalle. Soit $c$ un point intérieur à $J$ (les extrémités se traitent de même d'un seul côté). Par la limite monotone, $\lambda = \lim\limits_{c^-} g$ et $\mu = \lim\limits_{c^+} g$ existent et $\lambda \leq g(c) \leq \mu$. Supposons $\lambda < g(c)$. Pour $x < c$, $g(x) \leq \lambda$ ; pour $x \geq c$, $g(x) \geq g(c)$. Donc aucune valeur de $g$ n'est dans $]\lambda, g(c)[$. Or, en prenant $x_0 < c$ dans $J$, l'intervalle $I$ contient $g(x_0) \leq \lambda$ et $g(c)$, donc tout $]\lambda, g(c)[$, qui est non vide : contradiction. Donc $\lambda = g(c)$, et de même $\mu = g(c)$. La fonction $g$ est continue en $c$.

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Exemple

Une équation à paramètre

Soit $f(x) = x^3 + x$ sur $\mathbb{R}$. $f$ est continue, strictement croissante (somme de deux fonctions strictement croissantes), avec $f(x) \to -\infty$ en $-\infty$ et $f(x) \to +\infty$ en $+\infty$. Par le théorème de la bijection, $f$ est une bijection de $\mathbb{R}$ sur $\mathbb{R}$.

Conséquence : pour tout $y \in \mathbb{R}$, l'équation $x^3 + x = y$ admet une unique solution réelle $\varphi(y) = f^{-1}(y)$, et la fonction $\varphi$ est continue et strictement croissante sur $\mathbb{R}$, sans qu'on en ait de formule simple.

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Remarque

Continuité et injectivité

Résultat classique, à savoir redémontrer : une fonction continue et injective sur un intervalle est strictement monotone. La continuité est indispensable : la fonction valant $x$ sur $[0,1[$ et $3 - x$ sur $[1, 2]$ est injective sur $[0,2]$ sans être monotone.

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Attention

Fonctions à valeurs complexes

Le théorème des valeurs intermédiaires est faux pour les fonctions à valeurs complexes. La fonction $t \mapsto e^{it}$ est continue sur $[0, \pi]$, vaut $1$ en $0$ et $-1$ en $\pi$, mais ne s'annule jamais puisque $|e^{it}| = 1$. Le théorème repose sur l'ordre de $\mathbb{R}$.

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6.Image d'un segment par une fonction continue

Théorème

Théorème des bornes atteintes

Toute fonction continue sur un segment $[a,b]$ ($a \leq b$ réels) à valeurs réelles est bornée et atteint ses bornes : il existe $c, d \in [a,b]$ tels que $$f(c) = \min_{[a,b]} f \quad \text{et} \quad f(d) = \max_{[a,b]} f.$$

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Démonstration

Preuve

$f$ est majorée. Supposons le contraire. Pour tout $n \in \mathbb{N}$, $n$ ne majore pas $f$ : il existe $x_n \in [a,b]$ tel que $f(x_n) > n$. La suite $(x_n)$ est bornée ; par le théorème de Bolzano-Weierstrass, elle admet une sous-suite $(x_{\varphi(n)})$ convergeant vers un réel $c$, et $c \in [a,b]$ par passage à la limite dans $a \leq x_{\varphi(n)} \leq b$. Par continuité de $f$ en $c$, $f(x_{\varphi(n)}) \to f(c)$, limite finie. Or $f(x_{\varphi(n)}) > \varphi(n) \geq n$, donc $f(x_{\varphi(n)}) \to +\infty$. Contradiction.

Le maximum est atteint. Soit $M = \sup_{[a,b]} f$, réel d'après ce qui précède. Pour tout $n \geq 1$, $M - \frac{1}{n}$ ne majore pas $f$ : il existe $y_n \in [a,b]$ tel que $M - \frac{1}{n} < f(y_n) \leq M$. Par Bolzano-Weierstrass, une sous-suite $(y_{\psi(n)})$ converge vers $d \in [a,b]$. Par encadrement, $f(y_{\psi(n)}) \to M$ ; par continuité, $f(y_{\psi(n)}) \to f(d)$. Par unicité de la limite, $f(d) = M$.

Le minimum. On applique ce qui précède à $-f$, continue sur $[a,b]$.

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Théorème

Image d'un segment

Si $f$ est continue sur le segment $[a,b]$, alors $f([a,b])$ est un segment : $f([a,b]) = [m, M]$ avec $m = \min_{[a,b]} f$ et $M = \max_{[a,b]} f$.

Preuve : $f([a,b])$ est un intervalle (image d'un intervalle par une fonction continue), il contient $m$ et $M$ (bornes atteintes) et il est contenu dans $[m, M]$. C'est donc $[m, M]$.

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Attention

Les hypothèses sont toutes nécessaires

  • Intervalle non fermé : $x \mapsto \frac{1}{x}$ est continue sur $]0, 1]$ et non majorée. $x \mapsto x$ est continue et bornée sur $[0, 1[$, mais n'atteint pas sa borne supérieure $1$.
  • Intervalle non borné : $x \mapsto \arctan x$ est continue et bornée sur $\mathbb{R}$ mais n'atteint ni $-\frac{\pi}{2}$ ni $\frac{\pi}{2}$.
  • Fonction non continue : $f(x) = x - \lfloor x \rfloor$ sur $[0, 1]$ vaut $x$ sur $[0,1[$ et $0$ en $1$ ; sa borne supérieure $1$ n'est pas atteinte.

Avant d'écrire « $f$ admet un maximum », vérifier : continuité, segment fermé et borné.

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Méthode

Minorer une fonction continue strictement positive par une constante

Si $f$ est continue sur $[a,b]$ et $f(x) > 0$ pour tout $x$, alors il existe $m > 0$ tel que $f \geq m$ sur $[a,b]$.

Justification : par le théorème des bornes atteintes, il existe $c \in [a,b]$ tel que $f(c) = \min_{[a,b]} f$. On pose $m = f(c)$ : $m > 0$ car $f(c) > 0$, et $f \geq m$.

Sur $]0, 1]$, la fonction $x \mapsto x$ est strictement positive mais n'est minorée par aucune constante strictement positive : le segment est indispensable.

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Exemple

Minimum global sur $\mathbb{R}$

Soit $f$ continue sur $\mathbb{R}$ telle que $f(x) \to +\infty$ en $+\infty$ et en $-\infty$. Montrons que $f$ admet un minimum sur $\mathbb{R}$.

Par définition des limites, il existe $A > 0$ tel que $f(x) \geq f(0)$ pour tout $x$ avec $|x| \geq A$. Sur le segment $[-A, A]$, $f$ est continue : elle y admet un minimum $m = f(c)$ avec $c \in [-A, A]$. Comme $0 \in [-A, A]$, $m \leq f(0)$.

Pour $x \in [-A, A]$, $f(x) \geq m$. Pour $|x| \geq A$, $f(x) \geq f(0) \geq m$. Donc $f(x) \geq f(c)$ pour tout réel $x$ : $f$ admet un minimum global en $c$.

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Remarque

Cas complexe

Si $f : [a,b] \to \mathbb{C}$ est continue, alors $|f|$ est continue à valeurs réelles : elle est bornée et atteint ses bornes. En particulier $f$ est bornée. Parler du « maximum de $f$ » n'a en revanche pas de sens dans $\mathbb{C}$.

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7.Continuité uniforme, théorème de Heine, fonctions lipschitziennes

Définition

Fonction lipschitzienne

Soit $k \geq 0$. On dit que $f : I \to \mathbb{R}$ est $k$-lipschitzienne si $$\forall (x, y) \in I^2,\quad |f(x) - f(y)| \leq k\,|x - y|.$$ On dit que $f$ est lipschitzienne s'il existe un tel $k$. Géométriquement : les pentes des cordes du graphe sont toutes comprises entre $-k$ et $k$.

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Exemple

Exemples de fonctions lipschitziennes

  • Valeur absolue. Par l'inégalité triangulaire, $\big||x| - |y|\big| \leq |x - y|$ : elle est $1$-lipschitzienne sur $\mathbb{R}$.
  • Sinus. Par la formule $\sin x - \sin y = 2 \sin\frac{x-y}{2} \cos\frac{x+y}{2}$ et l'inégalité $|\sin u| \leq |u|$ : $$|\sin x - \sin y| \leq 2 \left|\frac{x-y}{2}\right| \cdot 1 = |x - y|.$$ Le sinus est $1$-lipschitzien sur $\mathbb{R}$.
  • Carré sur un segment. Pour $x, y \in [-R, R]$, $|x^2 - y^2| = |x + y|\,|x - y| \leq 2R\,|x - y|$ : $x \mapsto x^2$ est $2R$-lipschitzienne sur $[-R, R]$.
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Remarque

Lien avec la dérivée

Le chapitre sur la dérivation établira l'inégalité des accroissements finis : une fonction dérivable sur un intervalle dont la dérivée vérifie $|f'| \leq k$ est $k$-lipschitzienne. C'est en pratique le moyen le plus rapide de prouver qu'une fonction dérivable est lipschitzienne.

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Définition

Continuité uniforme

On dit que $f : I \to \mathbb{R}$ est uniformément continue sur $I$ si $$\forall \varepsilon > 0,\ \exists \eta > 0,\ \forall (x, y) \in I^2,\quad |x - y| \leq \eta \implies |f(x) - f(y)| \leq \varepsilon.$$ Comparer avec la continuité sur $I$ : $$\forall x \in I,\ \forall \varepsilon > 0,\ \exists \eta > 0,\ \forall y \in I,\quad |x - y| \leq \eta \implies |f(x) - f(y)| \leq \varepsilon.$$ Dans la continuité, $\eta$ peut dépendre de $\varepsilon$ et de $x$. Dans la continuité uniforme, un même $\eta$ convient pour tous les points de $I$ : seule la place de « $\forall x$ » change.

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Propriété

Lipschitzienne implique uniformément continue implique continue

Sur un intervalle $I$ : $$f \text{ lipschitzienne} \implies f \text{ uniformément continue} \implies f \text{ continue}.$$

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Démonstration

Preuve

Première implication. Soit $f$ $k$-lipschitzienne. Si $k = 0$, $f$ est constante et le résultat est clair. Sinon, soit $\varepsilon > 0$ ; posons $\eta = \frac{\varepsilon}{k} > 0$. Pour $x, y \in I$ tels que $|x - y| \leq \eta$, on a $|f(x) - f(y)| \leq k\eta = \varepsilon$. Le réel $\eta$ ne dépend que de $\varepsilon$.

Seconde implication. Si $f$ est uniformément continue, soit $x \in I$ et $\varepsilon > 0$. Le $\eta$ fourni par la continuité uniforme convient pour tout couple, en particulier pour les couples $(x, y)$ avec $x$ fixé : c'est la définition de la continuité en $x$.

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Méthode

Montrer qu'une fonction n'est pas uniformément continue

Critère. Si $f$ est uniformément continue sur $I$, alors pour toutes suites $(x_n)$, $(y_n)$ d'éléments de $I$ telles que $x_n - y_n \to 0$, on a $f(x_n) - f(y_n) \to 0$.

Preuve du critère : soit $\varepsilon > 0$ et $\eta$ associé ; il existe $N$ tel que pour $n \geq N$, $|x_n - y_n| \leq \eta$, donc $|f(x_n) - f(y_n)| \leq \varepsilon$.

Méthode.

  1. Repérer où $f$ « varie de plus en plus vite » (en l'infini, au bord d'un intervalle ouvert).
  2. Construire deux suites $(x_n)$, $(y_n)$ de $I$ avec $x_n - y_n \to 0$.
  3. Montrer que $f(x_n) - f(y_n)$ ne tend pas vers $0$ ; conclure par contraposée du critère.
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Exemple

Deux fonctions continues non uniformément continues

1. $f(x) = x^2$ sur $\mathbb{R}$. Posons $x_n = n + \frac{1}{n}$ et $y_n = n$ pour $n \geq 1$. Alors $x_n - y_n = \frac{1}{n} \to 0$ et $$f(x_n) - f(y_n) = n^2 + 2 + \frac{1}{n^2} - n^2 = 2 + \frac{1}{n^2} \geq 2.$$ Cette différence ne tend pas vers $0$ : $f$ n'est pas uniformément continue sur $\mathbb{R}$, bien qu'elle soit lipschitzienne sur chaque segment $[-R, R]$.

2. $g(x) = \frac{1}{x}$ sur $]0, 1]$. Posons $x_n = \frac{1}{n}$ et $y_n = \frac{1}{n+1}$. Alors $x_n - y_n = \frac{1}{n(n+1)} \to 0$, mais $g(y_n) - g(x_n) = (n+1) - n = 1$. Donc $g$ n'est pas uniformément continue sur $]0,1]$.

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Exemple

La racine carrée : uniformément continue mais non lipschitzienne

Inégalité clé. Pour $x \geq y \geq 0$ : $\left(\sqrt{y} + \sqrt{x - y}\right)^2 = x + 2\sqrt{y(x-y)} \geq x$, donc $\sqrt{y} + \sqrt{x - y} \geq \sqrt{x}$, c'est-à-dire $\sqrt{x} - \sqrt{y} \leq \sqrt{x - y}$. Par symétrie, pour tous $x, y \geq 0$ : $$\left|\sqrt{x} - \sqrt{y}\right| \leq \sqrt{|x - y|}.$$ Continuité uniforme. Soit $\varepsilon > 0$ ; posons $\eta = \varepsilon^2$. Si $|x - y| \leq \eta$, alors $|\sqrt{x} - \sqrt{y}| \leq \sqrt{\eta} = \varepsilon$. La racine carrée est uniformément continue sur $[0, +\infty[$.

Non lipschitzienne. Si elle était $k$-lipschitzienne, on aurait pour $x > 0$ : $\sqrt{x} = |\sqrt{x} - \sqrt{0}| \leq kx$, soit $\frac{1}{\sqrt{x}} \leq k$. Or $\frac{1}{\sqrt{x}} \to +\infty$ quand $x \to 0^+$ : contradiction. Même sur le segment $[0,1]$, elle n'est pas lipschitzienne.

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Théorème

Théorème de Heine

Toute fonction continue sur un segment $[a, b]$ est uniformément continue sur $[a, b]$.

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Démonstration

Preuve

Par l'absurde, supposons $f$ continue sur $[a,b]$ mais non uniformément continue. La négation de la définition s'écrit : $$\exists \varepsilon > 0,\ \forall \eta > 0,\ \exists (x, y) \in [a,b]^2,\quad |x - y| \leq \eta \ \text{ et } \ |f(x) - f(y)| > \varepsilon.$$ Fixons un tel $\varepsilon$. Pour tout $n \geq 1$, avec $\eta = \frac{1}{n}$, on choisit $x_n, y_n \in [a,b]$ tels que $|x_n - y_n| \leq \frac{1}{n}$ et $|f(x_n) - f(y_n)| > \varepsilon$.

La suite $(x_n)$ est bornée : par Bolzano-Weierstrass, une sous-suite $(x_{\varphi(n)})$ converge vers un réel $c$, et $c \in [a,b]$. Comme $|y_{\varphi(n)} - x_{\varphi(n)}| \leq \frac{1}{\varphi(n)} \leq \frac{1}{n}$, on a aussi $y_{\varphi(n)} \to c$.

Par continuité de $f$ en $c$, $f(x_{\varphi(n)}) \to f(c)$ et $f(y_{\varphi(n)}) \to f(c)$, donc $f(x_{\varphi(n)}) - f(y_{\varphi(n)}) \to 0$. Cela contredit $|f(x_{\varphi(n)}) - f(y_{\varphi(n)})| > \varepsilon$ pour tout $n$. Donc $f$ est uniformément continue.

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Remarque

Bilan des implications

Propriété sur $I$ Implique Réciproque
lipschitzienne uniformément continue fausse : $\sqrt{\cdot}$ sur $[0,1]$
uniformément continue continue fausse : $x \mapsto x^2$ sur $\mathbb{R}$, $x \mapsto \frac{1}{x}$ sur $]0,1]$
continue sur un segment uniformément continue (Heine) —

Le théorème de Heine sera utilisé dans le chapitre d'intégration, pour approcher une fonction continue sur un segment par des fonctions en escalier.

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