6.1 Théorèmes de comparaison (admis)
Théorème. Soient f et g deux fonctions.
- 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=+∞.