MathématiquesFiche 6 · Les limitesRègle a/0± et fonctions rationnelles en un point interdit

Règle a/0± et fonctions rationnelles en un point interdit

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Facile15 exercices
Exercice 1appliquer la règle des signes

Donner le résultat (++\infty ou -\infty) de chaque forme.

  1. 50+\dfrac{5}{0^{+}} b) 30+\dfrac{-3}{0^{+}} c) 20\dfrac{2}{0^{-}} d) 70\dfrac{-7}{0^{-}}

Règle des signes (0+0^{+} compte ++, 00^{-} compte -) :

  1. 50+=+\dfrac{5}{0^{+}}=+\infty b) 30+=\dfrac{-3}{0^{+}}=-\infty c) 20=\dfrac{2}{0^{-}}=-\infty d) 70=+\dfrac{-7}{0^{-}}=+\infty (moins par moins == plus).
Exercice 2signe du dénominateur

Pour chaque expression, dire si le dénominateur tend vers 0+0^{+} ou 00^{-} du côté indiqué.

  1. x4x-4 quand x4+x\to 4^{+} b) x4x-4 quand x4x\to 4^{-}
  2. 2x2-x quand x2+x\to 2^{+} d) (x1)2(x-1)^2 quand x1x\to 1^{-}
  1. x4+x\to 4^{+} : x>4x>4 donc x4>0x-4>0, c.-à-d. x40+x-4\to 0^{+}.
  2. x4x\to 4^{-} : x<4x<4 donc x4<0x-4<0, c.-à-d. x40x-4\to 0^{-}.
  3. x2+x\to 2^{+} : x>2x>2 donc 2x<02-x<0, c.-à-d. 2x02-x\to 0^{-}.
  4. x1x\to 1^{-} : (x1)2>0(x-1)^2>0 (un carré) donc (x1)20+(x-1)^2\to 0^{+} (des deux côtés d'ailleurs).
Exercice 3limites latérales élémentaires

Calculer les deux limites latérales.

  1. a)

    limx0+3x\displaystyle\lim_{x\to 0^{+}}\frac{3}{x} et limx03x\displaystyle\lim_{x\to 0^{-}}\frac{3}{x}

    limx0+3x=30+=+\displaystyle\lim_{x\to 0^{+}}\frac{3}{x}=\frac{3}{0^{+}}=+\infty ; limx03x=30=\displaystyle\lim_{x\to 0^{-}}\frac{3}{x}=\frac{3}{0^{-}}=-\infty.

  2. b)

    limx4+1x4\displaystyle\lim_{x\to 4^{+}}\frac{1}{x-4} et limx41x4\displaystyle\lim_{x\to 4^{-}}\frac{1}{x-4}

    x4+x\to 4^{+} : x40+x-4\to 0^{+}, donc limx4+1x4=10+=+\displaystyle\lim_{x\to 4^{+}}\frac{1}{x-4}=\frac{1}{0^{+}}=+\infty ;
    x4x\to 4^{-} : x40x-4\to 0^{-}, donc limx41x4=10=\displaystyle\lim_{x\to 4^{-}}\frac{1}{x-4}=\frac{1}{0^{-}}=-\infty.

Exercice 4une fonction rationnelle simple

Soit f(x)=7x+3f(x)=\dfrac{7}{x+3}, de domaine R{3}\mathbb{R}\setminus\{-3\}.

  1. a)

    Le numérateur tend-il vers 00 en 3-3 ? Quel est son signe ?

    f(x)=7x+3f(x)=\dfrac{7}{x+3}.

    Le numérateur est la constante 77 : il ne tend pas vers 00, il est >0>0.

  2. b)

    Calculer limx3+f(x)\displaystyle\lim_{x\to -3^{+}} f(x) et limx3f(x)\displaystyle\lim_{x\to -3^{-}} f(x).

    x3+x\to -3^{+} : x+30+x+3\to 0^{+}, donc limx3+f(x)=70+=+\displaystyle\lim_{x\to -3^{+}} f(x)=\frac{7}{0^{+}}=+\infty ;
    x3x\to -3^{-} : x+30x+3\to 0^{-}, donc limx3f(x)=70=\displaystyle\lim_{x\to -3^{-}} f(x)=\frac{7}{0^{-}}=-\infty.

Exercice 5repérer une asymptote verticale

Pour chaque fonction, donner la valeur x0x_0 qui annule le dénominateur (sans l'annuler au numérateur) : c'est l'abscisse d'une asymptote verticale.

  1. x+1x5\dfrac{x+1}{x-5} b) 42x+6\dfrac{4}{2x+6} c) 5x2\dfrac{5}{x^2}

On cherche le zéro du dénominateur (numérateur non nul en ce point) :

  1. x5=0x0=5x-5=0\Rightarrow x_0=5 (asymptote verticale x=5x=5).
  2. 2x+6=0x0=32x+6=0\Rightarrow x_0=-3 (asymptote verticale x=3x=-3).
  3. x2=0x0=0x^2=0\Rightarrow x_0=0 (asymptote verticale x=0x=0 ; numérateur 505\neq 0).
Exercice 6règle des signes : numérateur positif ou négatif

Donner le résultat (++\infty ou -\infty) de chaque forme.

  1. a)

    40+\dfrac{-4}{0^{+}}

    40+=\dfrac{-4}{0^{+}}=-\infty (a<0a<0 divisé par 0+0^{+}).

  2. b)

    90\dfrac{9}{0^{-}}

    90=\dfrac{9}{0^{-}}=-\infty (a>0a>0 divisé par 00^{-}).

  3. c)

    60\dfrac{-6}{0^{-}}

    60=+\dfrac{-6}{0^{-}}=+\infty (moins par moins).

  4. d)

    80+\dfrac{8}{0^{+}}

    80+=+\dfrac{8}{0^{+}}=+\infty.

Exercice 7signe d'un dénominateur affine

Le dénominateur tend-il vers 0+0^{+} ou 00^{-} du côté indiqué ?

  1. a)

    2x62x-6 quand x3+x\to 3^{+}

    x3+x\to 3^{+} : x>3x>3 donc 2x6>02x-6>0, c.-à-d. 2x60+2x-6\to 0^{+}.

  2. b)

    2x62x-6 quand x3x\to 3^{-}

    x3x\to 3^{-} : x<3x<3 donc 2x6<02x-6<0, c.-à-d. 2x602x-6\to 0^{-}.

  3. c)

    5x5-x quand x5x\to 5^{-}

    x5x\to 5^{-} : x<5x<5 donc 5x>05-x>0, c.-à-d. 5x0+5-x\to 0^{+}.

  4. d)

    3x+9-3x+9 quand x3+x\to 3^{+}

    x3+x\to 3^{+} : x>3x>3 donc 3x+9<0-3x+9<0, c.-à-d. 3x+90-3x+9\to 0^{-}.

Exercice 8limites latérales : numérateur négatif, coefficient au dénominateur

Calculer les deux limites latérales.

  1. a)

    limx0+2x\displaystyle\lim_{x\to 0^{+}}\frac{-2}{x} et limx02x\displaystyle\lim_{x\to 0^{-}}\frac{-2}{x}

    limx0+2x=20+=\displaystyle\lim_{x\to 0^{+}}\frac{-2}{x}=\frac{-2}{0^{+}}=-\infty ; limx02x=20=+\displaystyle\lim_{x\to 0^{-}}\frac{-2}{x}=\frac{-2}{0^{-}}=+\infty.

  2. b)

    limx(1/2)+12x1\displaystyle\lim_{x\to (1/2)^{+}}\frac{1}{2x-1} et limx(1/2)12x1\displaystyle\lim_{x\to (1/2)^{-}}\frac{1}{2x-1}

    x(1/2)+x\to (1/2)^{+} : 2x10+2x-1\to 0^{+}, donc limx(1/2)+12x1=10+=+\displaystyle\lim_{x\to (1/2)^{+}}\frac{1}{2x-1}=\frac{1}{0^{+}}=+\infty ;
    x(1/2)x\to (1/2)^{-} : 2x102x-1\to 0^{-}, donc limx(1/2)12x1=10=\displaystyle\lim_{x\to (1/2)^{-}}\frac{1}{2x-1}=\frac{1}{0^{-}}=-\infty.

Exercice 9fonction rationnelle à numérateur constant négatif

Soit f(x)=5x2f(x)=\dfrac{-5}{x-2}, de domaine R{2}\mathbb{R}\setminus\{2\}.

  1. a)

    Le numérateur tend-il vers 00 en 22 ? Quel est son signe ?

    f(x)=5x2f(x)=\dfrac{-5}{x-2}.

    Le numérateur est la constante 5-5 : il ne tend pas vers 00, il est <0<0.

  2. b)

    Calculer limx2+f(x)\displaystyle\lim_{x\to 2^{+}} f(x) et limx2f(x)\displaystyle\lim_{x\to 2^{-}} f(x).

    x2+x\to 2^{+} : x20+x-2\to 0^{+}, donc limx2+f(x)=50+=\displaystyle\lim_{x\to 2^{+}} f(x)=\frac{-5}{0^{+}}=-\infty ;
    x2x\to 2^{-} : x20x-2\to 0^{-}, donc limx2f(x)=50=+\displaystyle\lim_{x\to 2^{-}} f(x)=\frac{-5}{0^{-}}=+\infty.

Exercice 10numérateur variable, non nul au point

Soit f(x)=x+4x1f(x)=\dfrac{x+4}{x-1}.

  1. a)

    Que vaut le numérateur en 11 ? S'annule-t-il ?

    f(x)=x+4x1f(x)=\dfrac{x+4}{x-1}.

    En 11, le numérateur vaut 1+4=5 (>0)1+4=5\ (>0) : il ne s'annule pas.

  2. b)

    Calculer limx1+f(x)\displaystyle\lim_{x\to 1^{+}} f(x) et limx1f(x)\displaystyle\lim_{x\to 1^{-}} f(x).

    x1+x\to 1^{+} : x10+x-1\to 0^{+} et le numérateur 5\to 5, donc limx1+f(x)=50+=+\displaystyle\lim_{x\to 1^{+}} f(x)=\frac{5}{0^{+}}=+\infty ;
    x1x\to 1^{-} : x10x-1\to 0^{-}, donc limx1f(x)=50=\displaystyle\lim_{x\to 1^{-}} f(x)=\frac{5}{0^{-}}=-\infty.

Exercice 11dénominateur au carré

Soit f(x)=3(x2)2f(x)=\dfrac{3}{(x-2)^2}.

  1. a)

    Quel est le signe de (x2)2(x-2)^2 pour x2x\neq 2 ? Vers quoi tend-il en 22 (des deux côtés) ?

    f(x)=3(x2)2f(x)=\dfrac{3}{(x-2)^2}.

    (x2)2>0(x-2)^2>0 pour tout x2x\neq 2 ; il tend vers 0+0^{+} des deux côtés de 22.

  2. b)

    En déduire limx2+f(x)\displaystyle\lim_{x\to 2^{+}} f(x) et limx2f(x)\displaystyle\lim_{x\to 2^{-}} f(x) ; ff a-t-elle une limite globale en 22 ?

    limx2+f(x)=30+=+=limx2f(x)\displaystyle\lim_{x\to 2^{+}} f(x)=\frac{3}{0^{+}}=+\infty=\lim_{x\to 2^{-}} f(x) : les deux côtés donnent le même résultat, donc ff a une limite globale limx2f(x)=+\displaystyle\lim_{x\to 2} f(x)=+\infty.

Exercice 12repérer l'asymptote verticale

Donner la valeur x0x_0 qui annule le dénominateur sans annuler le numérateur (abscisse d'une asymptote verticale).

  1. a)

    x+2x7\dfrac{x+2}{x-7}

    On cherche le zéro du dénominateur (numérateur non nul en ce point) :

    x7=0x0=7x-7=0\Rightarrow x_0=7 (asymptote verticale x=7x=7).

  2. b)

    352x\dfrac{3}{5-2x}

    52x=0x0=525-2x=0\Rightarrow x_0=\tfrac52 (asymptote verticale x=52x=\tfrac52).

  3. c)

    4(x+2)2\dfrac{-4}{(x+2)^2}

    (x+2)2=0x0=2(x+2)^2=0\Rightarrow x_0=-2 (asymptote verticale x=2x=-2 ; numérateur 40-4\neq 0).

Exercice 13lire un tableau de signes

Le tableau ci-dessous donne le signe du dénominateur (x1)(x4)(x-1)(x-4). On étudie f(x)=3(x1)(x4)f(x)=\dfrac{3}{(x-1)(x-4)} (numérateur 3>03>0) au voisinage de x=1x=1.

xx-\infty1144++\infty
(x1)(x4)(x-1)(x-4)++00-00++
  1. a)

    Donner limx1f(x)\displaystyle\lim_{x\to 1^{-}} f(x).

    f(x)=3(x1)(x4)f(x)=\dfrac{3}{(x-1)(x-4)}, numérateur 3>03>0.

    À gauche de 11, le tableau donne (x1)(x4)>0(x-1)(x-4)>0, donc 0+\to 0^{+} : limx1f(x)=30+=+\displaystyle\lim_{x\to 1^{-}} f(x)=\frac{3}{0^{+}}=+\infty.

  2. b)

    Donner limx1+f(x)\displaystyle\lim_{x\to 1^{+}} f(x).

    À droite de 11, le tableau donne (x1)(x4)<0(x-1)(x-4)<0, donc 0\to 0^{-} : limx1+f(x)=30=\displaystyle\lim_{x\to 1^{+}} f(x)=\frac{3}{0^{-}}=-\infty.

  3. c)

    Quelle asymptote verticale reconnaît-on en x=1x=1 ?

    Les limites latérales sont infinies : la droite x=1x=1 est asymptote verticale.

Exercice 14vrai ou faux

Vrai ou faux ? Justifier d'un mot.

  1. a)

    « a0+=+\dfrac{a}{0^{+}}=+\infty pour tout réel a0a\neq 0. »

    Faux : le signe dépend de celui de aa ; si a<0a<0, a0+=\dfrac{a}{0^{+}}=-\infty.

  2. b)

    « a0\dfrac{a}{0^{-}} et a0+\dfrac{a}{0^{+}} ont toujours des signes opposés (pour a0a\neq 0). »

    Vrai : changer 0+0^{+} en 00^{-} inverse le signe du résultat.

  3. c)

    « Une forme 00\dfrac{0}{0} se conclut par ±\pm\infty. »

    Faux : 00\dfrac{0}{0} est une forme indéterminée (ce n'est pas a0±\dfrac{a}{0^{\pm}}).

  4. d)

    « Si le dénominateur est un carré, les deux limites latérales sont égales. »

    Vrai : un carré est toujours 0+\to 0^{+}, donc les deux côtés donnent le même infini.

Exercice 15reconnaître la forme obtenue

Après remplacement, dire si la forme est du type a0±\dfrac{a}{0^{\pm}} (réponse ±\pm\infty) ou un simple nombre, puis donner sa valeur.

  1. a)

    50+\dfrac{5}{0^{+}}

    50+\dfrac{5}{0^{+}} : type a0±\dfrac{a}{0^{\pm}}, vaut ++\infty.

  2. b)

    27\dfrac{2}{7}

    27\dfrac{2}{7} : simple nombre, vaut 27\dfrac27.

  3. c)

    30\dfrac{-3}{0^{-}}

    30\dfrac{-3}{0^{-}} : type a0±\dfrac{a}{0^{\pm}}, vaut ++\infty (moins par moins).

  4. d)

    04\dfrac{0}{4}

    04\dfrac{0}{4} : simple nombre, vaut 00.

Moyen15 exercices
Exercice 1étude complète des deux côtés

Soit f(x)=3x1x2f(x)=\dfrac{3x-1}{x-2}.

  1. a)

    Donner DfD_f et la limite du numérateur en 22 (son signe).

    f(x)=3x1x2f(x)=\dfrac{3x-1}{x-2}.

    Df=R{2}D_f=\mathbb{R}\setminus\{2\}. Numérateur en 22 : 321=5 (>0)3\cdot 2-1=5\ (>0).

  2. b)

    Étudier le signe de x2x-2 à gauche et à droite de 22.

    x2x-2 : négatif si x<2x<2 (0\to 0^{-} à gauche), positif si x>2x>2 (0+\to 0^{+} à droite).

  3. c)

    En déduire limx2f(x)\displaystyle\lim_{x\to 2^{-}} f(x) et limx2+f(x)\displaystyle\lim_{x\to 2^{+}} f(x).

    limx2f(x)=50=\displaystyle\lim_{x\to 2^{-}} f(x)=\frac{5}{0^{-}}=-\infty ; limx2+f(x)=50+=+\displaystyle\lim_{x\to 2^{+}} f(x)=\frac{5}{0^{+}}=+\infty.

  4. d)

    ff a-t-elle une limite en 22 ? Quelle asymptote en déduit-on ?

    Les côtés diffèrent : pas de limite globale en 22. La droite x=2x=2 est asymptote verticale.

Exercice 2dénominateur qui change de signe

Soit g(x)=43xg(x)=\dfrac{4}{3-x}.

  1. a)

    Dresser le tableau de signes de 3x3-x autour de 33.

    g(x)=43xg(x)=\dfrac{4}{3-x}, numérateur 4>04>0.

    3x>03-x>0 si x<3x<3, 3x<03-x<0 si x>3x>3 (change de signe en 33).

  2. b)

    Calculer limx3g(x)\displaystyle\lim_{x\to 3^{-}} g(x) et limx3+g(x)\displaystyle\lim_{x\to 3^{+}} g(x).

    x3x\to 3^{-} : 3x0+3-x\to 0^{+}, donc limx3g(x)=40+=+\displaystyle\lim_{x\to 3^{-}} g(x)=\frac{4}{0^{+}}=+\infty ;
    x3+x\to 3^{+} : 3x03-x\to 0^{-}, donc limx3+g(x)=40=\displaystyle\lim_{x\to 3^{+}} g(x)=\frac{4}{0^{-}}=-\infty.

Exercice 3dénominateur au carré

Soit h(x)=2(x+1)2h(x)=\dfrac{-2}{(x+1)^2}.

  1. a)

    Quel est le signe de (x+1)2(x+1)^2 pour x1x\neq -1 ? Vers quoi tend-il en 1-1 ?

    h(x)=2(x+1)2h(x)=\dfrac{-2}{(x+1)^2}, numérateur 2<0-2<0.

    (x+1)2>0(x+1)^2>0 pour tout x1x\neq -1, et (x+1)20+(x+1)^2\to 0^{+} quand x1x\to -1 (des deux côtés).

  2. b)

    En déduire limx1h(x)\displaystyle\lim_{x\to -1^{-}} h(x) et limx1+h(x)\displaystyle\lim_{x\to -1^{+}} h(x).

    limx1h(x)=20+=\displaystyle\lim_{x\to -1^{-}} h(x)=\frac{-2}{0^{+}}=-\infty ; limx1+h(x)=20+=\displaystyle\lim_{x\to -1^{+}} h(x)=\frac{-2}{0^{+}}=-\infty.

  3. c)

    hh a-t-elle une limite (globale) en 1-1 ? Si oui, laquelle ?

    Les deux côtés donnent le même résultat : hh possède une limite en 1-1, limx1h(x)=\displaystyle\lim_{x\to -1} h(x)=-\infty. (Asymptote verticale x=1x=-1.)

Exercice 4dénominateur factorisé

Soit k(x)=5(x1)(x4)k(x)=\dfrac{5}{(x-1)(x-4)}. On étudie la limite en x0=4x_0=4.

  1. a)

    En 44, quel est le signe du facteur (x1)(x-1) ? (il ne s'annule pas en 44)

    k(x)=5(x1)(x4)k(x)=\dfrac{5}{(x-1)(x-4)}, numérateur 5>05>0 ; étude en 44.

    En 44, x13>0x-1\to 3>0 : le facteur (x1)(x-1) est positif au voisinage de 44.

  2. b)

    En déduire le signe du produit (x1)(x4)(x-1)(x-4) à droite puis à gauche de 44.

    Le signe de (x1)(x4)(x-1)(x-4) est donc celui de (x4)(x-4) : négatif à gauche de 44 (0\to 0^{-}), positif à droite (0+\to 0^{+}).

  3. c)

    Calculer limx4k(x)\displaystyle\lim_{x\to 4^{-}} k(x) et limx4+k(x)\displaystyle\lim_{x\to 4^{+}} k(x).

    limx4k(x)=50=\displaystyle\lim_{x\to 4^{-}} k(x)=\frac{5}{0^{-}}=-\infty ; limx4+k(x)=50+=+\displaystyle\lim_{x\to 4^{+}} k(x)=\frac{5}{0^{+}}=+\infty. (Asymptote verticale x=4x=4.)

Exercice 5reconnaître le bon outil

Pour chaque limite, dire d'abord si le remplacement direct donne un nombre, une forme a0±\frac{a}{0^{\pm}} (avec a0a\neq 0), ou une forme 00\frac{0}{0} (indéterminée). Ne calculer que les deux premiers types.

  1. limx3x+2x1\displaystyle\lim_{x\to 3}\frac{x+2}{x-1} b) limx1+x+2x1\displaystyle\lim_{x\to 1^{+}}\frac{x+2}{x-1}
  2. limx2x24x2\displaystyle\lim_{x\to 2}\frac{x^2-4}{x-2}
  1. En 33 : 3+231=52\dfrac{3+2}{3-1}=\dfrac{5}{2} : forme déterminée, résultat 52\dfrac52.
  2. En 1+1^{+} : numérateur 30\to 3\neq 0, dénominateur x10+x-1\to 0^{+} : forme 30+\dfrac{3}{0^{+}}, donc limx1+x+2x1=+\displaystyle\lim_{x\to 1^{+}}\frac{x+2}{x-1}=+\infty.
  3. En 22 : numérateur x240x^2-4\to 0 et dénominateur x20x-2\to 0 : forme 00\dfrac{0}{0} indéterminée — on ne conclut pas ici (il faudrait factoriser : x24x2=x+24\frac{x^2-4}{x-2}=x+2\to 4, voir thèmes 3/5).
Exercice 6étude complète : numérateur négatif

Soit f(x)=2x+3x+4f(x)=\dfrac{2x+3}{x+4}.

  1. a)

    Donner DfD_f et la limite du numérateur en 4-4 (avec son signe).

    f(x)=2x+3x+4f(x)=\dfrac{2x+3}{x+4}.

    Df=R{4}D_f=\mathbb{R}\setminus\{-4\}. Numérateur en 4-4 : 2(4)+3=5 (<0)2(-4)+3=-5\ (<0).

  2. b)

    Étudier le signe de x+4x+4 à gauche et à droite de 4-4.

    x+4x+4 : négatif si x<4x<-4 (0\to 0^{-} à gauche), positif si x>4x>-4 (0+\to 0^{+} à droite).

  3. c)

    En déduire limx4f(x)\displaystyle\lim_{x\to -4^{-}} f(x) et limx4+f(x)\displaystyle\lim_{x\to -4^{+}} f(x).

    limx4f(x)=50=+\displaystyle\lim_{x\to -4^{-}} f(x)=\frac{-5}{0^{-}}=+\infty ; limx4+f(x)=50+=\displaystyle\lim_{x\to -4^{+}} f(x)=\frac{-5}{0^{+}}=-\infty.

  4. d)

    ff a-t-elle une limite en 4-4 ? Quelle asymptote en déduit-on ?

    Les côtés diffèrent : pas de limite globale en 4-4. La droite x=4x=-4 est asymptote verticale.

Exercice 7coefficient et dénominateur renversé

Soit g(x)=352xg(x)=\dfrac{-3}{5-2x}.

  1. a)

    Étudier le signe de 52x5-2x autour de 52\tfrac52.

    g(x)=352xg(x)=\dfrac{-3}{5-2x}, numérateur 3<0-3<0.

    52x=05-2x=0 en 52\tfrac52 ; 52x>05-2x>0 si x<52x<\tfrac52 (0+\to 0^{+} à gauche), 52x<05-2x<0 si x>52x>\tfrac52 (0\to 0^{-} à droite).

  2. b)

    Calculer limx(5/2)g(x)\displaystyle\lim_{x\to (5/2)^{-}} g(x) et limx(5/2)+g(x)\displaystyle\lim_{x\to (5/2)^{+}} g(x).

    limx(5/2)g(x)=30+=\displaystyle\lim_{x\to (5/2)^{-}} g(x)=\frac{-3}{0^{+}}=-\infty ; limx(5/2)+g(x)=30=+\displaystyle\lim_{x\to (5/2)^{+}} g(x)=\frac{-3}{0^{-}}=+\infty. (Asymptote verticale x=52x=\tfrac52.)

Exercice 8dénominateur factorisé : étude à la racine de gauche

Soit k(x)=7(x+2)(x3)k(x)=\dfrac{7}{(x+2)(x-3)}. On étudie la limite en x0=2x_0=-2.

  1. a)

    Quel est le signe du facteur (x3)(x-3) au voisinage de 2-2 ? (il ne s'annule pas en 2-2)

    k(x)=7(x+2)(x3)k(x)=\dfrac{7}{(x+2)(x-3)}, numérateur 7>07>0 ; étude en 2-2.

    En 2-2, x35<0x-3\to -5<0 : le facteur (x3)(x-3) est négatif au voisinage de 2-2.

  2. b)

    En déduire le signe du produit (x+2)(x3)(x+2)(x-3) à gauche puis à droite de 2-2.

    Le signe de (x+2)(x3)(x+2)(x-3) est donc l'opposé de celui de (x+2)(x+2) : à gauche (x+20x+2\to 0^{-}) le produit 0+\to 0^{+} ; à droite (x+20+x+2\to 0^{+}) le produit 0\to 0^{-}.

  3. c)

    Calculer limx2k(x)\displaystyle\lim_{x\to -2^{-}} k(x) et limx2+k(x)\displaystyle\lim_{x\to -2^{+}} k(x).

    limx2k(x)=70+=+\displaystyle\lim_{x\to -2^{-}} k(x)=\frac{7}{0^{+}}=+\infty ; limx2+k(x)=70=\displaystyle\lim_{x\to -2^{+}} k(x)=\frac{7}{0^{-}}=-\infty. (Asymptote verticale x=2x=-2.)

Exercice 9dénominateur au carré, numérateur variable

Soit h(x)=x5(x2)2h(x)=\dfrac{x-5}{(x-2)^2}.

  1. a)

    Que vaut le numérateur en 22 (avec son signe) ? S'annule-t-il ?

    h(x)=x5(x2)2h(x)=\dfrac{x-5}{(x-2)^2}.

    Numérateur en 22 : 25=3 (<0)2-5=-3\ (<0) ; il ne s'annule pas.

  2. b)

    Vers quoi tend (x2)2(x-2)^2 en 22 (des deux côtés) ?

    (x2)2>0(x-2)^2>0 pour x2x\neq 2 et (x2)20+(x-2)^2\to 0^{+} des deux côtés.

  3. c)

    En déduire limx2h(x)\displaystyle\lim_{x\to 2^{-}} h(x) et limx2+h(x)\displaystyle\lim_{x\to 2^{+}} h(x) ; hh a-t-elle une limite globale en 22 ?

    limx2h(x)=30+==limx2+h(x)\displaystyle\lim_{x\to 2^{-}} h(x)=\frac{-3}{0^{+}}=-\infty=\lim_{x\to 2^{+}} h(x) : les deux côtés donnent le même résultat, donc hh a une limite globale limx2h(x)=\displaystyle\lim_{x\to 2} h(x)=-\infty. (Asymptote verticale x=2x=2.)

Exercice 10factoriser un trinôme puis étudier

Soit φ(x)=4x22x3\varphi(x)=\dfrac{-4}{x^2-2x-3}.

  1. a)

    Factoriser x22x3x^2-2x-3 et donner DφD_\varphi.

    φ(x)=4x22x3\varphi(x)=\dfrac{-4}{x^2-2x-3}, numérateur 4<0-4<0.

    x22x3=(x3)(x+1)x^2-2x-3=(x-3)(x+1) (racines 33 et 1-1). Dφ=R{1, 3}D_\varphi=\mathbb{R}\setminus\{-1,\,3\}.

  2. b)

    Dresser le tableau de signes du dénominateur sur R\mathbb{R}.

    Tableau de signes de (x3)(x+1)(x-3)(x+1) (parabole tournée vers le haut) :

    xx-\infty1-133++\infty
    (x3)(x+1)(x-3)(x+1)++00-00++
  3. c)

    Étudier les limites latérales en x=1x=-1.

    En 1-1 : le dénominateur passe de ++ (à gauche, 0+\to 0^{+}) à - (à droite, 0\to 0^{-}) :

    limx1φ=40+=,limx1+φ=40=+.\lim_{x\to -1^{-}} \varphi=\frac{-4}{0^{+}}=-\infty,\qquad \lim_{x\to -1^{+}} \varphi=\frac{-4}{0^{-}}=+\infty.
  4. d)

    Étudier les limites latérales en x=3x=3.

    En 33 : le dénominateur passe de - (à gauche, 0\to 0^{-}) à ++ (à droite, 0+\to 0^{+}) :

    limx3φ=40=+,limx3+φ=40+=.\lim_{x\to 3^{-}} \varphi=\frac{-4}{0^{-}}=+\infty,\qquad \lim_{x\to 3^{+}} \varphi=\frac{-4}{0^{+}}=-\infty.
  5. e)

    Combien d'asymptotes verticales ? Donner leurs équations.

    Deux asymptotes verticales : x=1x=-1 et x=3x=3.

Exercice 11zéro du numérateur ou pôle ?

Soit ψ(x)=x1x4\psi(x)=\dfrac{x-1}{x-4}.

  1. a)

    En quel point le numérateur s'annule-t-il ? Le dénominateur y est-il nul ?

    ψ(x)=x1x4\psi(x)=\dfrac{x-1}{x-4}.

    Le numérateur s'annule en x=1x=1 ; en 11 le dénominateur vaut 14=301-4=-3\neq 0, donc ψ(1)=0\psi(1)=0 (la courbe coupe l'axe des abscisses).

  2. b)

    En quel point le dénominateur s'annule-t-il ? Le numérateur y est-il nul ?

    Le dénominateur s'annule en x=4x=4 ; en 44 le numérateur vaut 41=304-1=3\neq 0, donc 44 est un point interdit (un pôle).

  3. c)

    Calculer limx4ψ(x)\displaystyle\lim_{x\to 4^{-}} \psi(x) et limx4+ψ(x)\displaystyle\lim_{x\to 4^{+}} \psi(x).

    Numérateur 3>0\to 3>0 : limx4ψ(x)=30=\displaystyle\lim_{x\to 4^{-}} \psi(x)=\frac{3}{0^{-}}=-\infty ; limx4+ψ(x)=30+=+\displaystyle\lim_{x\to 4^{+}} \psi(x)=\frac{3}{0^{+}}=+\infty.

  4. d)

    Où est l'asymptote verticale ? Que se passe-t-il en x=1x=1 ?

    Asymptote verticale : x=4x=4 seulement. En x=1x=1, pas d'asymptote : c'est simplement un zéro de ψ\psi (ψ(1)=0\psi(1)=0).

Exercice 12pôle à l'origine

Soit u(x)=2x(x3)u(x)=\dfrac{2}{x(x-3)}. On étudie la limite en x0=0x_0=0.

  1. a)

    Quel est le signe du facteur (x3)(x-3) au voisinage de 00 ?

    u(x)=2x(x3)u(x)=\dfrac{2}{x(x-3)}, numérateur 2>02>0 ; étude en 00.

    En 00, x33<0x-3\to -3<0 : le facteur (x3)(x-3) est négatif au voisinage de 00.

  2. b)

    En déduire le signe du produit x(x3)x(x-3) à gauche puis à droite de 00.

    Le signe de x(x3)x(x-3) est l'opposé de celui de xx : à gauche (x0x\to 0^{-}) le produit 0+\to 0^{+} ; à droite (x0+x\to 0^{+}) le produit 0\to 0^{-}.

  3. c)

    Calculer limx0u(x)\displaystyle\lim_{x\to 0^{-}} u(x) et limx0+u(x)\displaystyle\lim_{x\to 0^{+}} u(x).

    limx0u(x)=20+=+\displaystyle\lim_{x\to 0^{-}} u(x)=\frac{2}{0^{+}}=+\infty ; limx0+u(x)=20=\displaystyle\lim_{x\to 0^{+}} u(x)=\frac{2}{0^{-}}=-\infty. (Asymptote verticale x=0x=0.)

Exercice 13reconnaître le bon outil

Pour chaque limite, indiquer d'abord la forme obtenue par remplacement direct : un nombre, une forme a0±\dfrac{a}{0^{\pm}} (avec a0a\neq 0), ou une forme 00\dfrac{0}{0} (indéterminée). Ne calculer que les deux premiers types.

  1. a)

    limx0x+3x2\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{x+3}{x^2}

    En 00 : numérateur 3\to 3, dénominateur x20+x^2\to 0^{+} : forme 30+\dfrac{3}{0^{+}}, donc limx0x+3x2=+\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{x+3}{x^2}=+\infty.

  2. b)

    limx2x2x24\displaystyle\lim_{x\to 2}\frac{x-2}{x^2-4}

    En 22 : numérateur x20x-2\to 0 et dénominateur x240x^2-4\to 0 : forme 00\dfrac{0}{0} indéterminée — on ne conclut pas ici (il faudrait factoriser : x2(x2)(x+2)=1x+214\frac{x-2}{(x-2)(x+2)}=\frac{1}{x+2}\to\frac14, voir thèmes 3/5).

  3. c)

    limx52xx1\displaystyle\lim_{x\to 5}\frac{2x}{x-1}

    En 55 : 2551=104\dfrac{2\cdot 5}{5-1}=\dfrac{10}{4} : forme déterminée, résultat 52\dfrac52.

  4. d)

    limx1x+2x21\displaystyle\lim_{x\to 1^{-}}\frac{x+2}{x^2-1}

    En 11^{-} : numérateur 3>0\to 3>0 ; dénominateur (x1)(x+1)(x-1)(x+1), avec x10x-1\to 0^{-} et x+12x+1\to 2, donc le produit 0\to 0^{-} : forme 30\dfrac{3}{0^{-}}, donc limx1x+2x21=\displaystyle\lim_{x\to 1^{-}}\frac{x+2}{x^2-1}=-\infty.

Exercice 14vrai ou faux, style concours

Soit f(x)=12xf(x)=\dfrac{-1}{2-x}. Vrai ou faux ? Justifier.

  1. a)

    limx2+f(x)=\displaystyle\lim_{x\to 2^{+}} f(x)=-\infty.

    f(x)=12xf(x)=\dfrac{-1}{2-x}, numérateur 1<0-1<0. Rappel : x2+2x0x\to 2^{+}\Rightarrow 2-x\to 0^{-} et x22x0+x\to 2^{-}\Rightarrow 2-x\to 0^{+}.

    Faux : limx2+f(x)=10=+\displaystyle\lim_{x\to 2^{+}} f(x)=\frac{-1}{0^{-}}=+\infty (et non -\infty).

  2. b)

    limx2f(x)=\displaystyle\lim_{x\to 2^{-}} f(x)=-\infty.

    Vrai : limx2f(x)=10+=\displaystyle\lim_{x\to 2^{-}} f(x)=\frac{-1}{0^{+}}=-\infty.

  3. c)

    ff admet une limite en 22.

    Faux : les deux côtés (++\infty et -\infty) diffèrent, donc pas de limite globale en 22.

  4. d)

    La droite x=2x=2 est asymptote verticale.

    Vrai : les limites latérales sont infinies, donc x=2x=2 est asymptote verticale.

Exercice 15dénominateur renversé et numérateur négatif

Soit m(x)=x62xm(x)=\dfrac{x-6}{2-x}.

  1. a)

    Donner DmD_m et la limite du numérateur en 22 (avec son signe).

    m(x)=x62xm(x)=\dfrac{x-6}{2-x}.

    Dm=R{2}D_m=\mathbb{R}\setminus\{2\}. Numérateur en 22 : 26=4 (<0)2-6=-4\ (<0).

  2. b)

    Étudier le signe de 2x2-x à gauche et à droite de 22.

    2x>02-x>0 si x<2x<2 (0+\to 0^{+} à gauche), 2x<02-x<0 si x>2x>2 (0\to 0^{-} à droite).

  3. c)

    En déduire limx2m(x)\displaystyle\lim_{x\to 2^{-}} m(x) et limx2+m(x)\displaystyle\lim_{x\to 2^{+}} m(x).

    limx2m(x)=40+=\displaystyle\lim_{x\to 2^{-}} m(x)=\frac{-4}{0^{+}}=-\infty ; limx2+m(x)=40=+\displaystyle\lim_{x\to 2^{+}} m(x)=\frac{-4}{0^{-}}=+\infty.

  4. d)

    mm a-t-elle une limite en 22 ? Quelle asymptote ?

    Les côtés diffèrent : pas de limite globale en 22. Asymptote verticale x=2x=2.

Difficile13 exercices
Exercice 1deux asymptotes verticales

Soit f(x)=x+5x2x6f(x)=\dfrac{x+5}{x^2-x-6}.

  1. a)

    Factoriser x2x6x^2-x-6 et donner le domaine DfD_f.

    f(x)=x+5x2x6f(x)=\dfrac{x+5}{x^2-x-6}.

    x2x6=(x3)(x+2)x^2-x-6=(x-3)(x+2) (racines 33 et 2-2). Donc Df=R{2, 3}D_f=\mathbb{R}\setminus\{-2,\,3\}.

  2. b)

    Dresser le tableau de signes du dénominateur sur R\mathbb{R}.

    Tableau de signes de (x3)(x+2)(x-3)(x+2) (parabole tournée vers le haut) :

    xx-\infty2-233++\infty
    (x3)(x+2)(x-3)(x+2)++00-00++
  3. c)

    Étudier les limites latérales en x=3x=3 : limx3f\displaystyle\lim_{x\to 3^{-}} f et limx3+f\displaystyle\lim_{x\to 3^{+}} f.

    En 33 : numérateur 3+5=8>0\to 3+5=8>0. Le dénominateur passe de - (à gauche, 0\to 0^{-}) à ++ (à droite, 0+\to 0^{+}) :

    limx3f=80=,limx3+f=80+=+.\lim_{x\to 3^{-}} f=\frac{8}{0^{-}}=-\infty,\qquad \lim_{x\to 3^{+}} f=\frac{8}{0^{+}}=+\infty.
  4. d)

    Étudier les limites latérales en x=2x=-2.

    En 2-2 : numérateur 2+5=3>0\to -2+5=3>0. Le dénominateur passe de ++ (à gauche, 0+\to 0^{+}) à - (à droite, 0\to 0^{-}) :

    limx2f=30+=+,limx2+f=30=.\lim_{x\to -2^{-}} f=\frac{3}{0^{+}}=+\infty,\qquad \lim_{x\to -2^{+}} f=\frac{3}{0^{-}}=-\infty.
  5. e)

    Conclure : combien d'asymptotes verticales ? Donner leurs équations.

    Deux asymptotes verticales : x=2x=-2 et x=3x=3. (ff n'a de limite (globale) ni en 2-2 ni en 33.)

Exercice 2contraste : multiplicité paire ou impaire

On compare deux fonctions en x=1x=1 :

f(x)=3x1etg(x)=3(x1)2.f(x)=\frac{3}{x-1}\qquad\text{et}\qquad g(x)=\frac{3}{(x-1)^2}.
  1. a)

    Calculer limx1f\displaystyle\lim_{x\to 1^{-}} f et limx1+f\displaystyle\lim_{x\to 1^{+}} f. ff a-t-elle une limite en 11 ?

    f=3x1f=\dfrac{3}{x-1} : x1x10x\to 1^{-}\Rightarrow x-1\to 0^{-}, donc 30=\dfrac{3}{0^{-}}=-\infty ; x1+30+=+x\to 1^{+}\Rightarrow \dfrac{3}{0^{+}}=+\infty. Côtés opposés : pas de limite en 11.

  2. b)

    Calculer limx1g\displaystyle\lim_{x\to 1^{-}} g et limx1+g\displaystyle\lim_{x\to 1^{+}} g. gg a-t-elle une limite en 11 ?

    g=3(x1)2g=\dfrac{3}{(x-1)^2} : (x1)20+(x-1)^2\to 0^{+} des deux côtés, donc limx1g=limx1+g=30+=+\displaystyle\lim_{x\to 1^{-}} g=\lim_{x\to 1^{+}} g=\dfrac{3}{0^{+}}=+\infty. gg a une limite globale : ++\infty.

  3. c)

    Expliquer, à l'aide du signe du dénominateur, pourquoi gg a une limite globale mais pas ff.

    Le dénominateur x1x-1 change de signe en 11 (puissance impaire) : les deux côtés donnent des infinis opposés, d'où l'absence de limite. Le dénominateur (x1)2(x-1)^2 garde un signe (puissance paire, toujours >0>0) : les deux côtés donnent le même infini, d'où une limite globale.

  4. d)

    Associer chaque fonction à l'une des deux allures ci-dessous près de l'asymptote x=1x=1.

    ff\leftrightarrow Allure A (une branche vers -\infty, l'autre vers ++\infty) ; gg\leftrightarrow Allure B (les deux branches vers ++\infty).

Exercice 3mise en situation : dilution qui s'emballe

En pharmacologie, la concentration (en mg/L) d'un principe actif dans une cuve est modélisée, sur [0 ;5[[0\,;5[ (temps tt en heures), par

C(t)=205t.C(t)=\frac{20}{5-t}.
  1. a)

    Calculer C(0)C(0), C(3)C(3) et C(4,9)C(4{,}9). Que constate-t-on quand tt approche 55 ?

    C(t)=205tC(t)=\dfrac{20}{5-t} sur [0 ;5[[0\,;5[.

    C(0)=205=4C(0)=\dfrac{20}{5}=4 ; C(3)=202=10C(3)=\dfrac{20}{2}=10 ; C(4,9)=200,1=200C(4{,}9)=\dfrac{20}{0{,}1}=200. La concentration explose à mesure que tt approche 55.

  2. b)

    Calculer limt5C(t)\displaystyle\lim_{t\to 5^{-}} C(t) à l'aide de la règle a0±\frac{a}{0^{\pm}}.

    t5t\to 5^{-} : 5t0+5-t\to 0^{+} et le numérateur 20>020>0, donc limt5C(t)=200+=+\displaystyle\lim_{t\to 5^{-}} C(t)=\frac{20}{0^{+}}=+\infty.

  3. c)

    Interpréter : que traduit cette asymptote verticale t=5t=5 pour le modèle ? Est-il réaliste au-delà de t=5t=5 ?

    La droite t=5t=5 est une asymptote verticale : le modèle prévoit une concentration qui tend vers l'infini en t=5t=5. Ce n'est pas réaliste physiquement (une concentration reste bornée) : le modèle n'est valable que sur [0 ;5[[0\,;5[ et cesse d'avoir un sens en t=5t=5 et au-delà.

Exercice 4pôle simple contre pôle double

Soit f(x)=x3(x1)2(x+2)f(x)=\dfrac{x-3}{(x-1)^2(x+2)}.

  1. a)

    Donner le domaine DfD_f.

    f(x)=x3(x1)2(x+2)f(x)=\dfrac{x-3}{(x-1)^2(x+2)}.

    Df=R{2, 1}D_f=\mathbb{R}\setminus\{-2,\,1\}.

  2. b)

    Dresser le tableau de signes du dénominateur (x1)2(x+2)(x-1)^2(x+2) sur R\mathbb{R}.

    (x1)20(x-1)^2\geq 0 (nul en 11) et (x+2)(x+2) change de signe en 2-2 ; le signe du produit est donc celui de (x+2)(x+2) (sauf aux zéros) :

    xx-\infty2-211++\infty
    (x1)2(x-1)^2++++++00++
    x+2x+2-00++++++
    (x1)2(x+2)(x-1)^2(x+2)-00++00++
  3. c)

    Étudier les limites latérales en x=2x=-2.

    En 2-2 : numérateur 23=5<0\to -2-3=-5<0 ; (x1)29>0(x-1)^2\to 9>0, donc le dénominateur a le signe de (x+2)(x+2) : 0\to 0^{-} à gauche, 0+\to 0^{+} à droite.

    limx2f=50=+,limx2+f=50+=.\lim_{x\to -2^{-}} f=\frac{-5}{0^{-}}=+\infty,\qquad \lim_{x\to -2^{+}} f=\frac{-5}{0^{+}}=-\infty.
  4. d)

    Étudier les limites latérales en x=1x=1.

    En 11 : numérateur 13=2<0\to 1-3=-2<0 ; (x1)20+(x-1)^2\to 0^{+} et (x+2)3>0(x+2)\to 3>0, donc le dénominateur 0+\to 0^{+} des deux côtés.

    limx1f=20+==limx1+f.\lim_{x\to 1^{-}} f=\frac{-2}{0^{+}}=-\infty=\lim_{x\to 1^{+}} f.
  5. e)

    Combien d'asymptotes verticales ? En quoi le comportement en 2-2 diffère-t-il de celui en 11 ?

    Deux asymptotes verticales : x=2x=-2 et x=1x=1. En 2-2 (facteur simple) les infinis sont opposés : pas de limite globale. En 11 (facteur au carré) le même infini des deux côtés : ff a une limite globale limx1f=\displaystyle\lim_{x\to 1} f=-\infty.

Exercice 5trou ou asymptote : ne pas confondre avec 00\frac{0}{0}

Soit f(x)=x24x2x2f(x)=\dfrac{x^2-4}{x^2-x-2}.

  1. a)

    Factoriser le numérateur et le dénominateur ; donner DfD_f.

    f(x)=x24x2x2f(x)=\dfrac{x^2-4}{x^2-x-2}.

    x24=(x2)(x+2)x^2-4=(x-2)(x+2) et x2x2=(x2)(x+1)x^2-x-2=(x-2)(x+1). Df=R{1, 2}D_f=\mathbb{R}\setminus\{-1,\,2\}.

  2. b)

    Simplifier f(x)f(x) pour x2x\neq 2.

    Pour x2x\neq 2 : f(x)=(x2)(x+2)(x2)(x+1)=x+2x+1f(x)=\dfrac{(x-2)(x+2)}{(x-2)(x+1)}=\dfrac{x+2}{x+1}.

  3. c)

    Étudier la limite en x=2x=2 : la droite x=2x=2 est-elle une asymptote verticale ?

    En 22, la forme brute est 00\dfrac{0}{0} (le facteur (x2)(x-2) s'annule en haut et en bas) : ce n'est pas une forme a0\frac{a}{0}. Après simplification, limx2f(x)=2+22+1=43\displaystyle\lim_{x\to 2} f(x)=\frac{2+2}{2+1}=\frac{4}{3} (fini). Donc x=2x=2 n'est pas une asymptote : c'est un « trou » (la valeur 22 est simplement exclue du domaine).

  4. d)

    Étudier les limites latérales en x=1x=-1.

    Sur la forme simplifiée x+2x+1\dfrac{x+2}{x+1}, le numérateur 10\to 1\neq 0 en 1-1 :

    limx1f=10=,limx1+f=10+=+.\lim_{x\to -1^{-}} f=\frac{1}{0^{-}}=-\infty,\qquad \lim_{x\to -1^{+}} f=\frac{1}{0^{+}}=+\infty.
  5. e)

    Conclure : combien d'asymptotes verticales ? Que se passe-t-il exactement en x=2x=2 ?

    Une seule asymptote verticale : x=1x=-1. En x=2x=2 la limite existe (=43=\tfrac43) : pas d'asymptote, seulement un point manquant.

Exercice 6mise en situation : objet au foyer d'une lentille

En optique, pour une lentille convergente de distance focale f=10f=10 (en cm), la position de l'image d'un objet placé à la distance dod_o (en cm, avec do>0d_o>0 et do10d_o\neq 10) est

di(do)=10dodo10.d_i(d_o)=\frac{10\,d_o}{d_o-10}.
  1. a)

    Calculer did_i pour do=30d_o=30, do=11d_o=11 et do=10,5d_o=10{,}5. Que constate-t-on quand dod_o approche 1010 par valeurs supérieures ?

    di(do)=10 dodo10d_i(d_o)=\dfrac{10\,d_o}{d_o-10}, numérateur 10 do>010\,d_o>0 pour do>0d_o>0.

    di(30)=30020=15d_i(30)=\dfrac{300}{20}=15 ; di(11)=1101=110d_i(11)=\dfrac{110}{1}=110 ; di(10,5)=1050,5=210d_i(10{,}5)=\dfrac{105}{0{,}5}=210. La position de l'image explose à mesure que dod_o approche 1010.

  2. b)

    Calculer limdo10+di(do)\displaystyle\lim_{d_o\to 10^{+}} d_i(d_o) à l'aide de la règle a0±\frac{a}{0^{\pm}}.

    do10+d_o\to 10^{+} : numérateur 100>0\to 100>0 et do100+d_o-10\to 0^{+}, donc limdo10+di=1000+=+\displaystyle\lim_{d_o\to 10^{+}} d_i=\frac{100}{0^{+}}=+\infty.

  3. c)

    Calculer limdo10di(do)\displaystyle\lim_{d_o\to 10^{-}} d_i(d_o).

    do10d_o\to 10^{-} : do100d_o-10\to 0^{-}, donc limdo10di=1000=\displaystyle\lim_{d_o\to 10^{-}} d_i=\frac{100}{0^{-}}=-\infty (image « virtuelle », de l'autre côté de la lentille).

  4. d)

    Interpréter : que devient l'image quand l'objet est au foyer (do=10d_o=10) ? La droite do=10d_o=10 est-elle une asymptote verticale ?

    Quand l'objet est au foyer, l'image part à l'infini (les rayons émergents deviennent parallèles) ; la droite do=10d_o=10 est une asymptote verticale : le modèle ne donne aucune position finie en do=10d_o=10.

Exercice 7avec un paramètre

Soit mm un réel et f(x)=x+mx2f(x)=\dfrac{x+m}{x-2}.

  1. a)

    Pour quelles valeurs de mm a-t-on limx2f(x)=+\displaystyle\lim_{x\to 2^{-}} f(x)=+\infty ?

    f(x)=x+mx2f(x)=\dfrac{x+m}{x-2}. En 22, le numérateur 2+m\to 2+m ; x2x20x\to 2^{-}\Rightarrow x-2\to 0^{-} et x2+x20+x\to 2^{+}\Rightarrow x-2\to 0^{+}.

    limx2f=2+m0=+\displaystyle\lim_{x\to 2^{-}} f=\frac{2+m}{0^{-}}=+\infty exige 2+m<02+m<0, soit m<2\boxed{m<-2}.

  2. b)

    Pour quelles valeurs de mm a-t-on limx2+f(x)=+\displaystyle\lim_{x\to 2^{+}} f(x)=+\infty ?

    limx2+f=2+m0+=+\displaystyle\lim_{x\to 2^{+}} f=\frac{2+m}{0^{+}}=+\infty exige 2+m>02+m>0, soit m>2\boxed{m>-2}.

  3. c)

    Étudier le cas particulier m=2m=-2 : que devient ff ? Y a-t-il une asymptote verticale en 22 ?

    Si m=2m=-2 : f(x)=x2x2=1f(x)=\dfrac{x-2}{x-2}=1 pour x2x\neq 2, donc limx2f=1\displaystyle\lim_{x\to 2} f=1 (fini). Le numérateur s'annule aussi en 22 (forme 00\tfrac00) : pas d'asymptote verticale, mais un trou en (2 ;1)(2\,;1).

Exercice 8grand tableau : trois pôles

Soit f(x)=x+1x(x2)(x+3)f(x)=\dfrac{x+1}{x(x-2)(x+3)}.

  1. a)

    Donner le domaine DfD_f.

    f(x)=x+1x(x2)(x+3)f(x)=\dfrac{x+1}{x(x-2)(x+3)}.

    Df=R{3, 0, 2}D_f=\mathbb{R}\setminus\{-3,\,0,\,2\}.

  2. b)

    Dresser le tableau de signes du dénominateur x(x2)(x+3)x(x-2)(x+3) sur R\mathbb{R}.

    Dénominateur x(x2)(x+3)x(x-2)(x+3) (degré 33, positif en ++\infty) :

    xx-\infty3-30022++\infty
    x(x2)(x+3)x(x-2)(x+3)-00++00-00++
  3. c)

    Étudier les limites latérales en x=3x=-3.

    En 3-3 : numérateur 2<0\to -2<0 ; dénominateur - à gauche (0\to 0^{-}), ++ à droite (0+\to 0^{+}).

    limx3f=20=+,limx3+f=20+=.\lim_{x\to -3^{-}} f=\frac{-2}{0^{-}}=+\infty,\qquad \lim_{x\to -3^{+}} f=\frac{-2}{0^{+}}=-\infty.
  4. d)

    Étudier les limites latérales en x=0x=0.

    En 00 : numérateur 1>0\to 1>0 ; dénominateur ++ à gauche (0+\to 0^{+}), - à droite (0\to 0^{-}).

    limx0f=10+=+,limx0+f=10=.\lim_{x\to 0^{-}} f=\frac{1}{0^{+}}=+\infty,\qquad \lim_{x\to 0^{+}} f=\frac{1}{0^{-}}=-\infty.
  5. e)

    Étudier les limites latérales en x=2x=2.

    En 22 : numérateur 3>0\to 3>0 ; dénominateur - à gauche (0\to 0^{-}), ++ à droite (0+\to 0^{+}).

    limx2f=30=,limx2+f=30+=+.\lim_{x\to 2^{-}} f=\frac{3}{0^{-}}=-\infty,\qquad \lim_{x\to 2^{+}} f=\frac{3}{0^{+}}=+\infty.
  6. f)

    Combien d'asymptotes verticales ? Donner leurs équations.

    Trois asymptotes verticales : x=3x=-3, x=0x=0 et x=2x=2.

Exercice 9associer trois fonctions à leur allure

Près de leur asymptote x=1x=1, on considère

f(x)=2x1,g(x)=2x1,h(x)=2(x1)2.f(x)=\frac{2}{x-1},\qquad g(x)=\frac{-2}{x-1},\qquad h(x)=\frac{2}{(x-1)^2}.
  1. a)

    Déterminer limx1\displaystyle\lim_{x\to 1^{-}} et limx1+\displaystyle\lim_{x\to 1^{+}} pour chacune des trois fonctions.

    f=2x1f=\dfrac{2}{x-1} : x120=x\to 1^{-}\Rightarrow \dfrac{2}{0^{-}}=-\infty et x1+20+=+x\to 1^{+}\Rightarrow \dfrac{2}{0^{+}}=+\infty (infinis opposés).
    g=2x1g=\dfrac{-2}{x-1} : x120=+x\to 1^{-}\Rightarrow \dfrac{-2}{0^{-}}=+\infty et x1+20+=x\to 1^{+}\Rightarrow \dfrac{-2}{0^{+}}=-\infty (miroir de ff).
    h=2(x1)2h=\dfrac{2}{(x-1)^2} : (x1)20+(x-1)^2\to 0^{+} des deux côtés, donc 20+=+\dfrac{2}{0^{+}}=+\infty des deux côtés.

  2. b)

    Associer chaque fonction à l'une des trois allures A, B, C ci-dessous.

    ff\leftrightarrow Allure A (branche gauche vers -\infty, droite vers ++\infty) ; gg\leftrightarrow Allure B (branche gauche vers ++\infty, droite vers -\infty) ; hh\leftrightarrow Allure C (les deux branches vers ++\infty).

Exercice 10rôle de la parité de l'exposant

Pour un entier n1n\geq 1, on pose fn(x)=2(x1)nf_n(x)=\dfrac{2}{(x-1)^n}.

  1. a)

    Pour n=1n=1 : calculer limx1f1\displaystyle\lim_{x\to 1^{-}} f_1 et limx1+f1\displaystyle\lim_{x\to 1^{+}} f_1. f1f_1 a-t-elle une limite en 11 ?

    fn(x)=2(x1)nf_n(x)=\dfrac{2}{(x-1)^n}.

    n=1n=1 : (x1)(x-1) change de signe en 11 : x120=x\to 1^{-}\Rightarrow \dfrac{2}{0^{-}}=-\infty, x1+20+=+x\to 1^{+}\Rightarrow \dfrac{2}{0^{+}}=+\infty. Côtés opposés : pas de limite globale.

  2. b)

    Pour n=2n=2 : mêmes questions pour f2f_2.

    n=2n=2 : (x1)20+(x-1)^2\to 0^{+} des deux côtés, donc 20+=+\dfrac{2}{0^{+}}=+\infty des deux côtés : limite globale ++\infty.

  3. c)

    Pour n=3n=3 : mêmes questions pour f3f_3.

    n=3n=3 : (x1)3(x-1)^3 (puissance impaire) change de signe : x120=x\to 1^{-}\Rightarrow \dfrac{2}{0^{-}}=-\infty, x1+20+=+x\to 1^{+}\Rightarrow \dfrac{2}{0^{+}}=+\infty. Pas de limite globale.

  4. d)

    Énoncer la règle générale : selon la parité de nn, fnf_n admet-elle une limite globale en 11 ? Justifier par le signe de (x1)n(x-1)^n.

    Si nn est pair, (x1)n>0(x-1)^n>0 des deux côtés : même infini, donc limite globale (++\infty ici, du signe de 2>02>0). Si nn est impair, (x1)n(x-1)^n change de signe : infinis opposés, donc pas de limite globale. Dans tous les cas, x=1x=1 est asymptote verticale.

Exercice 11mise en situation : saturation d'une file d'attente

Le temps moyen d'attente (en heures) à un guichet qui traite 1212 clients par heure est modélisé, en fonction du taux d'arrivée λ\lambda (clients/heure), par

W(λ)=112λ,0λ<12.W(\lambda)=\frac{1}{12-\lambda},\qquad 0\leq\lambda<12.
  1. a)

    Calculer W(6)W(6), W(10)W(10) et W(11,5)W(11{,}5). Que constate-t-on quand λ\lambda approche 1212 ?

    W(λ)=112λW(\lambda)=\dfrac{1}{12-\lambda}, numérateur 1>01>0.

    W(6)=16W(6)=\dfrac{1}{6} ; W(10)=12W(10)=\dfrac{1}{2} ; W(11,5)=10,5=2W(11{,}5)=\dfrac{1}{0{,}5}=2 (heures). Le temps d'attente explose quand λ\lambda approche 1212.

  2. b)

    Calculer limλ12W(λ)\displaystyle\lim_{\lambda\to 12^{-}} W(\lambda) à l'aide de la règle a0±\frac{a}{0^{\pm}}.

    λ12\lambda\to 12^{-} : 12λ0+12-\lambda\to 0^{+}, donc limλ12W(λ)=10+=+\displaystyle\lim_{\lambda\to 12^{-}} W(\lambda)=\frac{1}{0^{+}}=+\infty.

  3. c)

    Interpréter : que traduit l'asymptote verticale λ=12\lambda=12 ? Le modèle a-t-il un sens pour λ12\lambda\geq 12 ?

    λ=12\lambda=12 correspond à la saturation (le taux d'arrivée égale la capacité) : l'attente tend vers l'infini, d'où l'asymptote verticale λ=12\lambda=12. Pour λ12\lambda\geq 12 le modèle n'a plus de sens (12λ012-\lambda\leq 0) : la file diverge.

Exercice 12retrouver la fonction à partir du graphe

La courbe ci-dessous représente une fonction ff de la forme f(x)=ax+1f(x)=\dfrac{a}{x+1}, où aa est un réel non nul.

  1. a)

    Lire graphiquement limx1f(x)\displaystyle\lim_{x\to -1^{-}} f(x) et limx1+f(x)\displaystyle\lim_{x\to -1^{+}} f(x).

    f(x)=ax+1f(x)=\dfrac{a}{x+1}.

    Le graphe donne limx1f(x)=\displaystyle\lim_{x\to -1^{-}} f(x)=-\infty (la branche de gauche plonge) et limx1+f(x)=+\displaystyle\lim_{x\to -1^{+}} f(x)=+\infty (la branche de droite monte).

  2. b)

    En déduire la nature du point x=1x=-1 (ff y a-t-elle une limite globale ?).

    Les deux infinis sont opposés : ff n'a pas de limite globale en 1-1 ; la droite x=1x=-1 est une asymptote verticale.

  3. c)

    Sachant que la courbe passe par le point (0 ;2)(0\,;2), déterminer aa. Vérifier avec le point (1 ;1)(1\,;1).

    f(0)=a0+1=a=2f(0)=\dfrac{a}{0+1}=a=2, donc a=2a=2. Vérification : f(1)=21+1=1f(1)=\dfrac{2}{1+1}=1, conforme au point (1 ;1)(1\,;1). Ainsi f(x)=2x+1f(x)=\dfrac{2}{x+1}.

Exercice 13chasse aux erreurs

Un étudiant calcule les limites latérales de f(x)=1x21f(x)=\dfrac{1}{x^2-1} (avec x21=(x1)(x+1)x^2-1=(x-1)(x+1)). Deux de ses quatre réponses sont fausses : les retrouver et les corriger.

  1. a)

    limx1+f(x)=+\displaystyle\lim_{x\to 1^{+}} f(x)=+\infty.

    f(x)=1x21f(x)=\dfrac{1}{x^2-1} : signe de x21x^2-1 positif si x>1|x|>1, négatif si x<1|x|<1 ; numérateur 1>01>0.

    x1+x\to 1^{+} : x>1|x|>1, donc x210+x^2-1\to 0^{+} et 10+=+\dfrac{1}{0^{+}}=+\infty. Correct.

  2. b)

    limx1f(x)=+\displaystyle\lim_{x\to 1^{-}} f(x)=+\infty.

    x1x\to 1^{-} : x<1|x|<1, donc x210x^2-1\to 0^{-} et 10=\dfrac{1}{0^{-}}=-\infty. Fausse : la bonne réponse est -\infty (et non ++\infty).

  3. c)

    limx1f(x)=+\displaystyle\lim_{x\to -1^{-}} f(x)=+\infty.

    x1x\to -1^{-} : x<1x<-1 donc x>1|x|>1, x210+x^2-1\to 0^{+} et 10+=+\dfrac{1}{0^{+}}=+\infty. Correct.

  4. d)

    limx1+f(x)=+\displaystyle\lim_{x\to -1^{+}} f(x)=+\infty.

    x1+x\to -1^{+} : xx proche de 1-1 avec x<1|x|<1, donc x210x^2-1\to 0^{-} et 10=\dfrac{1}{0^{-}}=-\infty. Fausse : la bonne réponse est -\infty.

    Les deux erreurs sont donc les affirmations b) et d).