Au chapitre 2, on a étudié ce que deviennent les termes un d'une suite quand n tend vers +∞. Une fonction f est définie pour des nombres réels x : on peut faire tendre x vers +∞, vers −∞, ou vers un réel a. Les idées sont les mêmes ; le vocabulaire des asymptotes permet de les lire sur la courbe.
Leçon 1 : Limite finie en l'infini, asymptote horizontale
Un atelier fabrique des bols en céramique. Fabriquer x bols coûte C(x)=4x+300 euros : 300 euros de frais fixes et 4 euros par bol. Le coût moyen d'un bol est
m(x)=xC(x)=4+x300(x>0).
x
10
100
1000
10000
m(x)
34
7
4,3
4,03
Plus on fabrique de bols, plus le coût moyen se rapproche de 4 euros.
1.2 Définition en +∞
Définition. La fonction f a pour limite ℓ en +∞ si tout intervalle ouvert contenant ℓ contient toutes les valeurs f(x) pour x assez grand. On note
limx→+∞f(x)=ℓ.
« Pour x assez grand » signifie : pour tout x de l'ensemble de définition supérieur à un certain réel B. Le réel B dépend de l'intervalle choisi : plus l'intervalle est étroit, plus il faut aller loin. C'est la même définition que pour les suites (chapitre 2), le rang N étant remplacé par le réel B.
Exemple 1 (le coût moyen). Prenons l'intervalle ouvert ]3,9;4,1[, qui contient 4.
Pour tout x>0, x300>0, donc m(x)>4>3,9.
m(x)<4,1⟺x300<0,1⟺x>3000.
Au-delà de 3000 bols, le coût moyen est à moins de dix centimes de 4 euros. Avec la bande ]3,5;4,5[, il suffit que x>600.
Plus généralement, soit r>0 : m(x)∈]4−r;4+r[ dès que x300<r, c'est-à-dire dès que x>r300. Tout intervalle ouvert contenant 4 contient un intervalle ]4−r;4+r[, donc
limx→+∞m(x)=4.
1.3 Définition en −∞
Définition. La fonction f a pour limite ℓ en −∞ si tout intervalle ouvert contenant ℓ contient toutes les valeurs f(x) dès que x est inférieur à un certain réel. On note x→−∞limf(x)=ℓ.
Exemple 2 (fonction inverse). Soit r>0. Si x>r1, alors 0<x1<r ; si x<−r1, alors −r<x1<0. Donc
limx→+∞x1=0etlimx→−∞x1=0.
Par exemple, avec r=0,5 : −0,5<x1<0,5 dès que x>2 ou x<−2.
1.4 Asymptote horizontale
Définition. Si x→+∞limf(x)=ℓ, la droite d'équation y=ℓ est asymptote horizontale à la courbe représentative de f en +∞. De même en −∞.
Graphiquement, la courbe se rapproche de cette droite quand x devient grand (ou, en −∞, quand x devient négatif et grand en valeur absolue).
Pour le coût moyen, la droite y=4 est asymptote horizontale en +∞.
Pour x↦x1, l'axe des abscisses (y=0) est asymptote horizontale en +∞ et en −∞.
Lien dans les deux sens (programme : « faire le lien entre l'existence d'une asymptote parallèle à un axe et celle de la limite correspondante »). Une limite finie ℓ en ±∞ donne l'asymptote y=ℓ ; réciproquement, si on lit sur un graphique une asymptote horizontale d'équation y=ℓ en +∞, on en déduit x→+∞limf(x)=ℓ.
1.5 Position de la courbe par rapport à l'asymptote
On étudie le signe de f(x)−ℓ :
si f(x)−ℓ>0, la courbe est au-dessus de l'asymptote ;
si f(x)−ℓ<0, elle est au-dessous.
Exemple 3.m(x)−4=x300>0 pour x>0 : la courbe du coût moyen est au-dessus de la droite y=4. Le coût moyen reste toujours supérieur à 4 euros, sans jamais l'atteindre.
Attention. Une courbe peut couper son asymptote, et même une infinité de fois (leçon 6, exemple 20).
Définition. La fonction f a pour limite +∞ en +∞ si tout intervalle [A;+∞[ contient toutes les valeurs f(x) pour x assez grand. On note x→+∞limf(x)=+∞.
De même :
x→+∞limf(x)=−∞ si tout intervalle ]−∞;A] contient toutes les valeurs f(x) pour x assez grand ;
en −∞, on remplace « pour x assez grand » par « dès que x est inférieur à un certain réel ».
Exemple 4 (racine carrée).x≥100 dès que x≥10000. Plus généralement, pour tout réel A>0, x≥A dès que x≥A2 (la fonction racine carrée est croissante). Donc
limx→+∞x=+∞,
même si x grandit lentement.
Exemple 5.x→−∞limx2=+∞ et x→−∞limx3=−∞ (leçon 3).
Une fonction n'a pas toujours de limite. La fonction cosinus oscille entre −1 et 1 : elle prend la valeur 1 en tous les 2kπ et la valeur −1 en tous les (2k+1)π, aussi loin qu'on aille. Elle n'a pas de limite en +∞.
Écrire la négation (partie « vocabulaire et logique »). « f a pour limite +∞ en +∞ » s'écrit : pour tout réel A, il existe un réel B tel que, pour tout x>B, f(x)≥A. Sa négation est :
il existe un réel A tel que, pour tout réel B, il existe un réel x>B avec f(x)<A.
Pour la fonction cosinus, A=2 convient : cosx<2 pour tout réel x.
2.2 Limite infinie en un réel
Définition. Soit a un réel (qui est dans l'ensemble de définition de f, ou qui en est une borne). La fonction f a pour limite +∞ en a si tout intervalle [A;+∞[ contient toutes les valeurs f(x) pour x assez proche de a (x=a). On note x→alimf(x)=+∞. On définit de même x→alimf(x)=−∞.
« Pour x assez proche de a » signifie : pour tout x de l'ensemble de définition, différent de a, dans un intervalle ]a−h;a+h[ avec h>0.
Exemple 6.f(x)=x21, définie pour x=0.
x21≥10000⟺x2≤0,0001⟺−0,01≤x≤0,01 (avec x=0).
Avec A=4 : x21≥4 dès que −0,5≤x≤0,5, x=0.
Pour tout A>0 : x21≥A dès que 0<∣x∣≤A1.
Donc x→0limx21=+∞.
2.3 Limite à gauche, limite à droite
Parfois, la limite dépend du côté par lequel x s'approche de a.
Limite à droite : x tend vers a en restant supérieur à a. On note x→a+limf(x) ou x→ax>alimf(x).
Limite à gauche : x tend vers a en restant inférieur à a. On note x→a−limf(x) ou x→ax<alimf(x).
Exemple 7 (fonction inverse en 0).limx→0+x1=+∞etlimx→0−x1=−∞.
En effet, pour tout A>0 : si 0<x≤A1, alors x1≥A ; si −A1≤x<0, alors x1≤−A.
2.4 Asymptote verticale
Définition. Si f(x) tend vers +∞ ou vers −∞ quand x tend vers a (éventuellement seulement à gauche ou seulement à droite), la droite d'équation x=a est asymptote verticale à la courbe de f.
Pour x↦x1 : l'axe des ordonnées (x=0) est asymptote verticale, et l'axe des abscisses (y=0) est asymptote horizontale en +∞ et en −∞.
Pour x↦x21 : l'axe des ordonnées est asymptote verticale.
2.5 Lire un graphique
Exemple 8. Une fonction f, définie pour x=2, a une courbe qui longe la droite verticale x=2 (vers le haut à droite de 2, vers le bas à gauche) et qui se rapproche de la droite y=1 des deux côtés. On lit :
limx→2+f(x)=+∞,limx→2−f(x)=−∞,limx→+∞f(x)=limx→−∞f(x)=1.
Les droites x=2 et y=1 sont asymptotes à la courbe. (La courbe de la vidéo est celle de f(x)=1+x−21.)
Le programme cite les « fonctions de référence étudiées en classe de première : puissances entières, racine carrée, fonction exponentielle ». Dans toute la leçon, n est un entier supérieur ou égal à 1.
3.1 Les puissances xn
en −∞
en +∞
xn, n pair (x2, x4…)
+∞
+∞
xn, n impair (x, x3…)
−∞
+∞
Pourquoi xn→+∞ en +∞ ? Pour x≥1, xn−1≥1, donc xn≥x. Soit A≥1 : dès que x≥A, xn≥x≥A.
En −∞.xn=(−1)n(−x)n et −x→+∞ : on obtient +∞ si n est pair, −∞ si n est impair.
3.2 Les inverses des puissances et la racine carrée
fonction
en −∞
en 0
en +∞
xn1, n pair
0
+∞
0
xn1, n impair
0
−∞ à gauche, +∞ à droite
0
x
non définie
0
+∞
x1
non définie
+∞ à droite
0
Asymptotes : la courbe de x↦xn1 a pour asymptotes l'axe des ordonnées et l'axe des abscisses ; celle de x↦x1 aussi (asymptote verticale à droite de 0, horizontale en +∞).
3.3 La fonction exponentielle
Théorème (démonstration du programme).limx→+∞ex=+∞etlimx→−∞ex=0.
L'axe des abscisses est asymptote horizontale à la courbe de l'exponentielle en −∞.
Rappels de Première. La fonction exponentielle est strictement positive et strictement croissante sur R ; e=e1≈2,72 ; pour tout réel a, la suite (ena) est géométrique de raison ea.
Démonstration en +∞.
La suite (en) est géométrique de raison e>1, donc n→+∞limen=+∞ (chapitre 2, limite de qn).
Soit A un réel. D'après la définition de cette limite, il existe un entier N tel que eN≥A.
La fonction exponentielle est croissante : pour tout x≥N, ex≥eN≥A.
L'intervalle [A;+∞[ contient donc toutes les valeurs ex pour x≥N : x→+∞limex=+∞.
Démonstration en −∞.
La suite (e−n) est géométrique de raison e1, et 0<e1<1, donc n→+∞lime−n=0.
Soit I un intervalle ouvert contenant 0. Il contient un intervalle ]−r;r[ avec r>0. Comme e−n→0, il existe un entier N tel que e−N<r.
Pour tout x≤−N, l'exponentielle étant positive et croissante : 0<ex≤e−N<r, donc ex∈]−r;r[⊂I.
I contient toutes les valeurs ex pour x≤−N : x→−∞limex=0.
Une seconde démonstration de la limite en +∞, par comparaison, est donnée à la leçon 6.
Exemple 9 (valeurs).e10≈22026 et e−10≈0,000045 : l'exponentielle grandit très vite en +∞ et s'écrase très vite vers 0 en −∞.
3.4 Limite finie en un réel
Définition. Soit a un réel (dans l'ensemble de définition de f, ou qui en est une borne). La fonction f a pour limite ℓ en a si tout intervalle ouvert contenant ℓ contient toutes les valeurs f(x) pour x assez proche de a. On note x→alimf(x)=ℓ.
Propriété (admise). Si f est une fonction de référence (ou une fonction construite à partir d'elles par opérations) définie en un réel a, alors x→alimf(x)=f(a). Pour la racine carrée en 0, il s'agit de la limite à droite.
Exemple 10.x→3limx2=9 ; x→4limx=2 ; x→0limex=e0=1 ; x→−1limx21=1.
Cette propriété est celle des fonctions continues : elle sera reprise au chapitre 7.
Le programme précise : « Les opérations sur les limites sont admises. » Les règles sont les mêmes que pour les suites (chapitre 2, leçon 3), quand x tend vers +∞, vers −∞ ou vers un réel a (éventuellement à gauche ou à droite). ℓ et ℓ′ désignent des réels ; « FI » signifie forme indéterminée.
Somme.
limf
ℓ
ℓ
ℓ
+∞
−∞
+∞
limg
ℓ′
+∞
−∞
+∞
−∞
−∞
lim(f+g)
ℓ+ℓ′
+∞
−∞
+∞
−∞
FI
Produit.
limf
ℓ
ℓ=0
±∞
0
limg
ℓ′
±∞
±∞
±∞
lim(f×g)
ℓℓ′
±∞ (règle des signes)
±∞ (règle des signes)
FI
Quotient.
limf
ℓ
ℓ
±∞
ℓ=0
±∞
0
limg
ℓ′=0
±∞
ℓ′=0
0, avec g de signe constant
±∞
0
limgf
ℓ′ℓ
0
±∞ (signes)
±∞ (signes)
FI
FI
Les quatre formes indéterminées : ∞−∞, 0×∞, ∞∞, 00. Face à l'une d'elles, il faut transformer l'écriture.
Notation. On écrit 0+ (ou 0−) pour une quantité qui tend vers 0 en restant positive (ou négative). Par exemple, 0+7 résume « un numérateur qui tend vers 7 divisé par un dénominateur qui tend vers 0 en restant positif » : le quotient tend vers +∞.
4.2 Le terme prépondérant
Le programme demande de savoir utiliser « la factorisation du terme prépondérant dans une somme ». En l'infini, on factorise par le terme qui « l'emporte ».
Exemple 11 (polynôme).P(x)=−2x3+5x2−1. En +∞, c'est une forme ∞−∞. Pour x=0 :
P(x)=x3(−2+x5−x31).
La parenthèse tend vers −2 (leçon 3 : x5→0 et x31→0).
En +∞ : x3→+∞, donc par produit x→+∞limP(x)=−∞.
En −∞ : x3→−∞, donc x→−∞limP(x)=+∞.
Règle. En +∞ et en −∞, un polynôme (non nul) a la même limite que son terme de plus haut degré.
Exemple 12 (quotient en l'infini).f(x)=x−32x+1, définie pour x=3. En +∞, forme ∞∞. Pour x=0 et x=3 :
f(x)=x(1−x3)x(2+x1)=1−x32+x1.
Le numérateur tend vers 2 et le dénominateur vers 1 : x→+∞limf(x)=2. Le calcul est le même en −∞ : x→−∞limf(x)=2. La droite y=2 est asymptote horizontale en +∞ et en −∞.
4.3 Un dénominateur qui tend vers 0
Exemple 12 (suite) : limite en 3. Le numérateur 2x+1 tend vers 7 et le dénominateur x−3 tend vers 0. Son signe :
x
−∞
3
+∞
x−3
−
0
+
À droite de 3 (x>3) : forme 0+7, donc x→3+limf(x)=+∞.
À gauche de 3 (x<3) : forme 0−7, donc x→3−limf(x)=−∞.
La droite x=3 est asymptote verticale. On peut aussi écrire f(x)=2+x−37 : la courbe est au-dessus de l'asymptote y=2 pour x>3 et au-dessous pour x<3.
Exemple 13 (forme 00 en un réel).g(x)=x−3x2−9, en 3 : numérateur et dénominateur tendent vers 0. On factorise x2−9=(x−3)(x+3), et pour x=3, g(x)=x+3. Donc x→3limg(x)=6. La limite est finie : pas d'asymptote verticale. La courbe de g est la droite y=x+3 privée du point (3;6).
Méthode. Quand un dénominateur tend vers 0 en a :
si le numérateur tend vers un réel non nul, on étudie le signe du dénominateur : limites infinies à gauche et à droite, asymptote verticale x=a ;
si le numérateur tend aussi vers 0 (forme 00), on factorise pour simplifier.
4.4 Avec l'exponentielle
Exemple 14. En +∞, e2x−ex est une forme ∞−∞. Comme e2x=(ex)2 :
e2x−ex=ex(ex−1).
Les deux facteurs tendent vers +∞ : x→+∞lim(e2x−ex)=+∞.
À noter.e−x=ex1 ; par quotient, x→+∞lime−x=0 et x→−∞lime−x=+∞. Par exemple, ex+1ex−1=1+e−x1−e−x tend vers 1 en +∞ (exercice 7).
Le programme précise : « L'utilisation de la composition des limites se fait en contexte. » On l'utilise donc sur des exemples, sans théorie générale.
5.1 Le principe (admis)
Une fonction de la forme x↦v(u(x)) s'obtient en appliquant u, puis v. (On la notera v∘u au chapitre 5.)
Propriété (admise). Soient a, b, c des réels, +∞ ou −∞. Si x→alimu(x)=b et X→blimv(X)=c, alors
limx→av(u(x))=c.
Méthode. On pose X=u(x) ; on cherche la limite de X, puis celle de v(X).
5.2 Exemples
Exemple 15.e−x2 en +∞. On pose X=−x2. Quand x→+∞, X→−∞, et X→−∞limeX=0. Donc x→+∞lime−x2=0. De même en −∞ : l'axe des abscisses est asymptote horizontale des deux côtés.
Exemple 16.h(x)=x+24x+1 en +∞. On pose X=x+24x+1=1+x24+x1 (pour x>0), qui tend vers 4. Et X→4limX=4=2. Donc x→+∞limh(x)=2.
Exemple 17.e1/x, définie pour x=0.
En +∞ : x1→0 et X→0limeX=e0=1, donc x→+∞lime1/x=1 (asymptote y=1). De même en −∞.
À droite de 0 : x1→+∞, donc x→0+lime1/x=+∞ : l'axe des ordonnées est asymptote verticale.
À gauche de 0 : x1→−∞, donc x→0−lime1/x=0.
5.3 Une tasse de thé qui refroidit
Une tasse de thé à 90 degrés est posée dans une pièce à 20 degrés. Sa température, en degrés, au bout de t minutes est
T(t)=20+70e−0,1t(t≥0).
Quand t→+∞, −0,1t→−∞, donc e−0,1t→0 et t→+∞limT(t)=20.
T(t)−20=70e−0,1t>0 : la température reste au-dessus de 20 degrés.
Interprétation : le thé finit à la température de la pièce, sans jamais descendre en dessous. La droite T=20 est asymptote horizontale.
5.4 Lien avec les suites
Propriété. Si x→+∞limf(x)=L (L réel, +∞ ou −∞), alors la suite définie par un=f(n) vérifie n→+∞limun=L.
Justification. Si un intervalle contient f(x) pour tout x>B, il contient en particulier un=f(n) pour tout entier n>B.
Exemple 18. Les températures relevées chaque minute forment la suite un=20+70e−0,1n, qui tend vers 20. De même, n+24n+1→2 (exemple 16).
Attention : la réciproque est fausse. Si un=cos(2πn), alors un=1 pour tout n et la suite tend vers 1 ; pourtant, la fonction x↦cos(2πx) n'a pas de limite en +∞.
Si f(x)≥g(x) pour x assez grand et si x→+∞limg(x)=+∞, alors x→+∞limf(x)=+∞.
Si f(x)≤g(x) pour x assez grand et si x→+∞limg(x)=−∞, alors x→+∞limf(x)=−∞.
Ces théorèmes sont admis : leur démonstration est la même que celle faite pour les suites au chapitre 2 (leçon 4). Ils restent vrais en −∞ et en un réel a, en remplaçant « pour x assez grand » par « pour x inférieur à un certain réel » ou « pour x assez proche de a ».
Exemple 19.f(x)=x+cosx. Comme cosx≥−1, f(x)≥x−1 pour tout réel x. Or x→+∞lim(x−1)=+∞. Par comparaison, x→+∞lim(x+cosx)=+∞. La courbe ondule, mais elle reste au-dessus de la droite y=x−1.
6.2 Le théorème des gendarmes (admis)
Théorème. Si, pour x assez grand, g(x)≤f(x)≤h(x), et si x→+∞limg(x)=x→+∞limh(x)=ℓ, alors x→+∞limf(x)=ℓ. Il reste vrai en −∞ et en un réel.
Exemple 20.f(x)=2+xsinx pour x>0. Comme −1≤sinx≤1 et x>0 :
2−x1≤f(x)≤2+x1.
Les deux fonctions encadrantes tendent vers 2. D'après le théorème des gendarmes, x→+∞limf(x)=2 : la droite y=2 est asymptote horizontale.
La courbe coupe son asymptote en tous les points d'abscisse kπ (k entier, k≥1), où sinx=0 : une infinité de fois. Ce n'est pas interdit.
Méthode. Les fonctions contenant cosx ou sinx se traitent souvent ainsi, avec −1≤cosx≤1 et −1≤sinx≤1.
Passage à la limite dans une inégalité (admis). Si f(x)≤g(x) pour x assez grand, et si f et g ont pour limites respectives ℓ et ℓ′ en +∞, alors ℓ≤ℓ′. Comme pour les suites, les inégalités strictes deviennent larges.
6.3 Une inégalité utile : ex≥x+1
Propriété. Pour tout réel x, ex≥x+1.
Démonstration. Soit g(x)=ex−x−1 sur R. Sa dérivée est g′(x)=ex−1.
Si x<0, ex<e0=1, donc g′(x)<0 ; si x>0, g′(x)>0.
g est donc décroissante sur ]−∞;0] et croissante sur [0;+∞[ : son minimum est g(0)=1−0−1=0.
x
−∞
0
+∞
g′(x)
−
0
+
g
décroissante
0
croissante
Donc g(x)≥0 pour tout réel x, c'est-à-dire ex≥x+1.
Graphiquement, la courbe de l'exponentielle est au-dessus de la droite y=x+1, qui la touche au point (0;1) : c'est sa tangente en ce point (le chapitre 5 reviendra sur cette position, avec la convexité).
Conséquence : une seconde démonstration de x→+∞limex=+∞. On a ex≥x+1 et x→+∞lim(x+1)=+∞ ; par comparaison, x→+∞limex=+∞.
Leçon 7 : Croissance comparée de
xn
et de l'exponentielle
Théorème (démonstration du programme : « croissance comparée de x↦xn et exp en +∞ »). Pour tout entier n≥1,
limx→+∞xnex=+∞.
On dit qu'en +∞, l'exponentielle l'emporte sur toute puissance de x.
Ce n'est pas visible tout de suite. Pour x=10 : x10=1010 alors que e10≈22026. Mais pour x=100 : x10=1020 et e100≈2,7×1043, soit 10010e100≈2,7×1023 : plus de cent mille milliards de milliards.
7.2 Démonstration
Étape 1 : le cas n=1. Sur [0;+∞[, soit h(x)=ex−2x2.
h′(x)=ex−x. D'après la leçon 6, ex≥x+1>x, donc h′(x)>0 : h est strictement croissante sur [0;+∞[.
Pour tout x≥0, h(x)≥h(0)=1>0, donc ex>2x2.
Pour x>0, en divisant par x : xex>2x. Comme x→+∞lim2x=+∞, par comparaison, x→+∞limxex=+∞.
Étape 2 : n quelconque. Pour x>0, ex=(ex/n)n (propriété algébrique de l'exponentielle). Donc
xnex=(xex/n)n=(n1×x/nex/n)n=nn1(XeX)navec X=nx.
Quand x→+∞, X→+∞, donc XeX→+∞ (étape 1, par composition). Par produit, (XeX)n→+∞, et comme nn1>0, x→+∞limxnex=+∞.
7.3 Conséquences
Pour tout entier n≥1 :
limx→+∞exxn=limx→+∞xne−x=0etlimx→−∞xnex=0.
La première s'obtient en passant à l'inverse : exxn=xnex1, quotient de 1 par une quantité qui tend vers +∞.
Pour la seconde, on pose X=−x, qui tend vers +∞ : xnex=(−X)ne−X=(−1)neXXn→0.
La règle à retenir. En l'infini, dans un produit ou un quotient où l'exponentielle fait face à une puissance de x, c'est l'exponentielle qui l'emporte.
7.4 Applications
Exemple 21.f(x)=xex.
En −∞ : forme 0×∞, mais par croissance comparée (n=1), x→−∞limxex=0. L'axe des abscisses est asymptote horizontale en −∞.
En +∞ : x→+∞ et ex→+∞, donc par produit x→+∞limxex=+∞.
Exemple 22.ex−x2 en +∞ : forme ∞−∞. On factorise par le terme prépondérant, ex :
ex−x2=ex(1−exx2).
Par croissance comparée, exx2→0, donc la parenthèse tend vers 1, et x→+∞lim(ex−x2)=+∞.
Exemple 23 (un médicament). Après la prise d'un médicament, sa concentration dans le sang, en milligrammes par litre, au bout de t heures, est C(t)=8te−0,5t (t≥0).
C′(t)=8e−0,5t−4te−0,5t=4e−0,5t(2−t) : C est croissante sur [0;2], décroissante sur [2;+∞[. Le maximum est C(2)=16e−1≈5,9 mg/L, au bout de 2 heures.
On pose X=0,5t : C(t)=16Xe−X. Quand t→+∞, X→+∞ et Xe−X→0 par croissance comparée. Donc t→+∞limC(t)=0.
Interprétation : le médicament finit par être éliminé ; l'axe des abscisses est asymptote horizontale.
Exemple 24 (une suite).un=enn10. Avec f(x)=exx10 et la leçon 5, n→+∞limun=0, alors que u10=e101010≈453999 : les premiers termes sont trompeurs.
Ce qu'il faut retenir du chapitre
x→+∞limf(x)=ℓ : tout intervalle ouvert contenant ℓ contient les f(x) pour x assez grand. La droite y=ℓ est alors asymptote horizontale ; le signe de f(x)−ℓ donne la position de la courbe.
limf(x)=+∞ : tout intervalle [A;+∞[ contient les f(x) pour x assez grand (en +∞) ou assez proche de a (en a). En un réel, on distingue parfois la limite à gauche (x→a−) et à droite (x→a+). Une limite infinie en a donne l'asymptote verticale x=a.
Limites de référence : xn, x, ex tendent vers +∞ en +∞ ; xn1 et x1 tendent vers 0 ; ex→0 en −∞ (démontré avec les suites (en) et (e−n)) ; xn en −∞ dépend de la parité de n.
Opérations : mêmes règles que pour les suites (admises), quatre formes indéterminées. En l'infini, on factorise par le terme prépondérant ; quand un dénominateur tend vers 0, on étudie son signe.
Composition : on pose X=u(x), on cherche la limite de X, puis celle de v(X). Si f(x)→L en +∞, alors f(n)→L.
Comparaison et gendarmes : comme pour les suites (admis). Pour tout réel x, ex≥x+1.
Croissance comparée (démontrée) : xnex→+∞ et xne−x→0 en +∞ ; xnex→0 en −∞. L'exponentielle l'emporte sur les puissances.
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