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les-fonctions-2

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Thème 2
Les fonctions
Kartable.fr
Les fonctions
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Terminale S
Mathématiques
Les fonctions
Thème 2
Les fonctions
Terminale S
Mathématiques
Les fonctions
I
Limites de fonctions
A Limites et opérations
THÉORÊME
Limite d'une somme
α
+∞ −∞
On désigne par un réel,
ou
. On désigne par L et L' deux réels.
Les fonctions f, g et
sont dé nies au voisinage de .
f +g
α
Limite de g en α
Limite de f + g en α
Limite de f en
THÉORÊME
α
L
L'
L + L′
L
L
+∞
+∞
−∞
−∞
+∞
+∞
+∞
−∞
−∞
−∞
+∞
−∞
?
Limite d'un produit
α
+∞ −∞
On désigne par un réel,
ou
. On désigne par L et L' deux réels.
Les fonctions f, g et
sont dé nies au voisinage de .
f ×g
α
Limite de g en α
Limite de f × g en α
Limite de f en
THÉORÊME
L
L'
L × L′
L>0
+∞
+∞
α
L<0
+∞
−∞
L>0
−∞
−∞
L<0
−∞
+∞
+∞ −∞ +∞ 0
+∞ −∞ −∞ ±∞
+∞ +∞ −∞ ?
Limite d'un quotient
α un réel, +∞ ou −∞. On désigne par L et L' deux réels.
f
Les fonctions f, g et sont dé nies au voisinage de α.
g
Limite de f en α
L
L
+∞ +∞ −∞ −∞
Limite de g en α
L′ ±∞ L′ L′ L′ L′
≠0
>0 <0 >0 <0
L
f
0
+∞
−∞
−∞
+∞
Limite de en α
L′
g
On désigne par
PIÈGE
0
±∞ L > 0 ou +∞
±∞ 0+ 0−
?
?
0
+∞
−∞
L < 0 ou −∞
0+ 0−
−∞
+∞
∞
0
Il existe 4 formes indéterminées : " ∞ − ∞ " ; " 0 × ∞ " ; "
" ; " ".
∞
0
Les formes indéterminées, sont les con gurations pour lesquelles les règles opératoires sur les limites ne
permettent pas de conclure. Il faut alors modi er l'expression pour en déterminer la limite.
ASTUCE
Voici quelques techniques qui peuvent s'avérer utiles pour "lever une indétermination".
Lorsque est une fonction polynôme, en cas d'indétermination, on peut déterminer sa limite en
factorisant l'expression par le terme de plus haut degré.
Lorsque est une fonction rationnelle, en cas d'indétermination, on peut déterminer sa limite en
factorisant numérateur et dénominateur de l'expression par les termes de plus haut degré, puis en
simpli ant le résultat obtenu.
f
f
±∞ en
±∞ en
Dans le cas d'une indétermination du type
0 pour la limite en un réel a, on peut parfois montrer que
0
g(x)
−
g(a)
l'expression est du type
où g est une fonction dérivable de dérivée connue. Dans ce cas, la
x
−
a
dé nition de g′ (a) permet de conclure.
THÉORÊME
Limite d'une fonction composée
Soit f une fonction dé nie sur J, et g une fonction dé nie sur I à valeurs dans J.
La fonction
(se lit "f rond g") est la fonction dé nie sur I par
Si
et
alors
.
f ∘g
lim g(x) = β lim
x→α
x→β f (x) = γ
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f ∘ g(x) = f [g(x)].
lim f ∘ g(x) = γ
x→α
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Thème 2
Les fonctions
Les fonctions
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Mathématiques
B Limites et ordre
THÉORÊME
Théorème d'encadrement
α f (x) ≤ g(x) ≤ h(x).
Soient f, g et h trois fonctions telles que sur un voisinage de ,
Si
et
alors
.
lim
f
(x)
=
L
lim
h(x)
=
L
x→α
x→α
THÉORÊME
lim
g(x)
=
L
x→α
Théorème de comparaison (1)
α f (x) ≤ g(x).
Soient f et g deux fonctions telles que sur un voisinage de ,
′ alors
′.
Si
et
lim f (x) = L x→α
lim g(x) = L
x→α
THÉORÊME
L≤L
Théorème de comparaison (2)
α f (x) ≤ g(x) :
Soient f et g deux fonctions telles que sur un voisinage de ,
Si
, alors
.
lim f (x) = +∞ x→α
lim g(x) = +∞
x→α
Si lim g(x) = −∞, alors lim f (x) = −∞.
x→α
x→α
C Asymptotes
±∞
La droite d'équation y = L est asymptote horizontale à C en +∞ (resp. en −∞ ) si et seulement si :
lim f (x) = L (resp. x→−∞
lim f (x) = L )
x→+∞
DÉFINITION
ASTUCE
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Asymptote horizontale en
Pour étudier la position relative entre la courbe d'une fonction f et une asymptote horizontale (à cette
courbe) d'équation
, on étudie le signe de
.
y=L
(f (x) − L)
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Les fonctions
Thème 2
Les fonctions
Les fonctions
DÉFINITION
Asymptote verticale
La droite d'équation
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Mathématiques
x = a est asymptote verticale à C si et seulement si :
lim f (x) = ±∞
x→a−
ou lim f (x) = ±∞
x→a+
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Thème 2
Les fonctions
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Les fonctions
II
Dérivation
Dérivées des fonctions usuelles
THÉORÊME
Soient un réel
dérivabilité.
λ et un entier naturel n ; on désigne par Df le domaine de dé nition de f et par Df ′ son domaine de
f (x)
λ
f ′ (x)
0
1
nxn−1
n
− xn+1
1⎯
2√x
x
xn (n ≥ 1)
1 (n ≥ 1)
xn
√⎯x
THÉORÊME
λ
Df
ℝ
ℝ
ℝ
ℝ∗
Df ′
ℝ
ℝ
ℝ
ℝ∗
ℝ+
ℝ+∗
Dérivées et opérations
Soit un réel , on désigne par
u et v deux fonctions dérivables sur un intervalle I .
f
λu
u+v
uv
1 (si u ne s'annule pas sur I )
u
u (si v ne s'annule pas sur I )
v
un (n ≥ 1)
1 (n ≥ 1, et u ne s'annulant pas sur I)
un
√⎯⎯u (soit u(x) > 0 pour tout x appartenant à I , soit u > 0 )
THÉORÊME
Dérivées et variations
f
f >0 I
I
f <0 I
I
f
I
I
Soit une fonction dérivable sur un intervalle , inclus dans son ensemble de dé nition.
Si ′
sur , sauf peut-être en un nombre ni de valeurs pour lesquelles ′ s'annule, alors
sur .
Si ′
sur , sauf peut-être en un nombre ni de valeurs pour lesquelles ′ s'annule, alors
sur .
Si ′ est nulle sur , alors est constante sur .
f
f
f
f′
λu′
u′ + v′
u′ v + uv′
′
u
− u2
u′ v–uv′
v2
nu′ un−1
−n × u′
un+1
u′ ⎯⎯
2√u
f est strictement croissante
f est strictement décroissante
I
La réciproque de chacune des assertions précédentes est vraie.
ASTUCE
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Thème 2
Les fonctions
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Mathématiques
Les fonctions
PROPRIÉTÉ
f
f (c)
f
I ℝ c
I
Soient une fonction dérivable sur un intervalle ouvert de et un réel de .
Si
est un extremum local, alors ′
.
Si ′ s'annule en en changeant de signe, alors
est un extremum local.
THÉORÊME
c
f (c) = 0
f (c)
Équation de la tangente à la courbe d'une fonction en un point donné
Soient f une fonction dérivable sur un intervalle I et a un réel de I.
Alors la courbe de f admet une tangente au point d'abscisse a.
Cette tangente admet pour équation :
y = f ′ (a)(x − a) + f (a)
ASTUCE
Kartable.fr
Après avoir déterminé l'équation de la tangente à la courbe d'une fonction f en un point d'abscisse a, on
demande souvent d'étudier la position relative entre courbe de f et sa tangente.
Si la tangente admet pour équation
, avec et réels, il s'agit alors d'étudier le signe de :
y = αx + β α β
f (x) − (αx + β)
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Thème 2
Les fonctions
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Les fonctions
III
Continuité
DÉFINITION
Fonction continue
Une fonction f est continue sur un intervalle I si et seulement s'il est possible de tracer sa courbe représentative sur I sans
lever le crayon.
Une fonction f est continue en un réel a si et seulement si :
lim
f
(x)
=
f
(a)
.
x→a
REMARQUE
PROPRIÉTÉ
Toute fonction dérivable sur I est continue sur I. Attention, la réciproque est fausse.
THÉORÊME
Théorème des valeurs intermédiaires
Soient f une fonction continue sur un intervalle I, et a et b deux réels de cet intervalle.
Alors, pour tout réel k compris entre
et
, il existe au moins un réel c compris entre
f (a) f (b)
COROLLAIRE
a et b tel que : f (c) = k.
Corollaire du théorème des valeurs intermédiaires
[a;b]
f (a) f (b)
[a;b]
f (c) = k
Si f est continue sur
et si
et
sont de signes opposés, alors f s'annule au moins une fois entre a et b.
Si f est continue et strictement monotone sur
, alors pour tout réel k compris entre
et
, il existe un unique
réel c compris entre a et b tel que :
.
ASTUCE
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f (a) f (b)
On demande souvent de déterminer un encadrement d'amplitude donné (ou une valeur approchée à une
précision donnée) d'une solution d'une équation du type
.
On peut utiliser une méthode de balayage avec plusieurs tableaux de valeurs (de plus en plus précis) de la
fonction f obtenus avec la calculatrice.
On peut également utiliser la méthode de dichotomie vue en classe.
f (x) = k
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Thème 2
Les fonctions
Les fonctions
IV
Terminale S
Mathématiques
Fonction exponentielle
DÉFINITION
La fonction exponentielle
La fonction exponentielle est l'unique fonction f dérivable sur
x.
On la note
ou
exp x ↦ e
THÉORÊME
ℝ telle que f ′ = f et f (0) = 1.
Propriétés algébriques de la fonction exponentielle
Soient deux réels x et y, et un entier n.
exx = eyy ⇔ x = y
ex+y< e ⇔x yx < y
e =ee
e−x = e1x
x
e
x−y
e = ey
(ex )n = enx
THÉORÊME
Limites de la fonction exponentielle
THÉORÊME
Limites : croissances comparées
THÉORÊME
Limite : taux d'accroissement en 0
THÉORÊME
Dérivées
ℝ
La fonction exponentielle est dérivable sur .
Si u est une fonction dérivable sur un intervalle I, alors
Les dérivées sont données par :
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x=0
lim
e
x→−∞x
lim e = +∞
x→+∞
x=0
lim
x
e
x→−∞ x
e
lim x = +∞
x→+∞
x−1
e
lim
x→0 x = 1
eu = exp ∘ u est dérivable sur I.
Fonction
Dérivée
ex
eu
ex
u′ eu
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Thème 2
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Mathématiques
Les fonctions
V
Fonction logarithme népérien
DÉFINITION
Fonction logarithme népérien
x > 0, il existe un unique réel y tel que ey = x.
ln(x) et on appelle fonction logarithme népérien la fonction f dé nie sur ℝ+∗ par f (x) = ln(x).
Pour tout réel
Ce réel y est noté
PROPRIÉTÉ
ln(e ) = x
x
Pour tout réel x :
.
Pour tout réel x strictement positif :
THÉORÊME
eln(x) = x.
Propriétés algébriques de la fonction ln
Pour tous réels strictement positifs x et y, et tout entier relatif n :
ln(xy) = ln(x) + ln(y)
ln( 1x ) = −ln(x)
x
ln( y ) = ln(x) − ln(y)
ln(xn ) = nln(x)
1
⎯
ln(√x) = 2 ln(x)
THÉORÊME
Limites de la fonction ln
THÉORÊME
Limites : croissances comparées
THÉORÊME
Limite : taux d'accroissement en 1 et 0
THÉORÊME
Dérivées
lim
ln(x)
=
−∞
+
x→0
lim ln(x) = +∞
x→+∞
ln(x) = 0
lim
x→+∞ x
lim xln(x) = 0
x→0+
ln(x)
ln(1
+
x)
lim
x→1 x − 1 = 1 et lim
x→0 x = 1
ℝ
La fonction logarithme népérien est dérivable sur ⋆
+.
Si u est une fonction dérivable et strictement positive sur un intervalle I, alors
Les dérivées sont données par :
THÉORÊME
Dérivées
Fonction
Dérivée
ln(x)
1
x
u′
u
ln(u)
DÉFINITION
Logarithme décimal
La fonction logarithme décimal, notée
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ln(u) = ln∘u est dérivable sur I.
log, est dé nie sur ℝ+∗ par :
ln(x)
log(x) = ln(10)
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Thème 2
Les fonctions
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VI
Terminale S
Mathématiques
Fonctions trigonométriques
A Parité et périodicité
DÉFINITION
f
Fonction paire
I
x ∈ I f (−x) = f (x)
f
Soit une fonction dé nie sur . Si :
est symétrique par rapport à 0
Et pour tout
,
Alors la fonction est paire.
La courbe représentative d'une fonction paire est symétrique par rapport à l'axe des ordonnées du repère.
I
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Thème 2
Les fonctions
Les fonctions
DÉFINITION
Terminale S
Mathématiques
Fonction impaire
Soit f une fonction dé nie sur I. Si :
I est symétrique par rapport à 0
Et pour tout
,
Alors la fonction f est impaire.
La courbe représentative d'une fonction impaire est symétrique par rapport à l'origine du repère.
x ∈ I f (−x) = −f (x)
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Les fonctions
Thème 2
Les fonctions
Les fonctions
DÉFINITION
Terminale S
Mathématiques
Fonction périodique
Soit f une fonction dé nie sur I. S'il existe un réel T strictement positif, tel que :
Pour tout
,
Et
Alors la fonction f est périodique de période T. On dit aussi qu'elle est T-périodique.
x ∈ I x+T ∈ I
f (x + T) = f (x)
B Fonction sinus
DÉFINITION
Fonction sinus
f
La fonction sinus , dé nie sur
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ℝ, est égale à :
f (x) = sin(x)
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Les fonctions
Thème 2
Les fonctions
Les fonctions
Terminale S
Mathématiques
PROPRIÉTÉ
La fonction sinus est impaire.
La fonction sinus est
-périodique.
La fonction sinus est toujours comprise entre −1 et 1.
La fonction sinus est dérivable et continue sur .
′
Pour tout réel x,
.
2π
ℝ
sin (x) = cos(x)
THÉORÊME
Taux d'accroissement et limite
En reconnaissant le taux d'accroissement de la fonction sinus en 0 :
sin(x) = sin′ (0) = cos(0) = 1
lim
x→0 x
C Fonction cosinus
DÉFINITION
Fonction cosinus
La fonction cosinus f, dé nie sur
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ℝ, est égale à :
f (x) = cos(x)
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Les fonctions
Thème 2
Les fonctions
Les fonctions
Terminale S
Mathématiques
PROPRIÉTÉ
La fonction cosinus est paire.
La fonction cosinus est
-périodique.
La fonction cosinus est toujours comprise entre −1 et 1.
La fonction cosinus est dérivable et continue sur .
′
Pour tout réel x,
.
2π
cos (x) = −sin(x)
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ℝ
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Thème 2
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VII
Terminale S
Mathématiques
Primitives
THÉORÊME
Primitives des fonctions usuelles
Soient un entier n, k un réel ; la fonction F est une primitive de f sur l'intervalle I.
f (x)
k
xn
1⎯
√x
1
x
ex
sin(x)
cos(x)
sin(ax + b)
cos(ax + b)
THÉORÊME
F(x)
kx
xn+1
n+1
2√⎯x
I
ℝ
n≥1 : ℝ
n ≤ −2 : ]−∞;0[ ou ]0;+∞[
]0;+∞[
si
si
ln(x)
]0;+∞[
ex
−cos(x)
sin(x)
− a1 cos(ax + b)
1 sin(ax + b)
a
ℝ
ℝ
ℝ
ℝ, avec a ≠ 0
ℝ, avec a ≠ 0
Opérations et primitives
Soit un entier n différent de 0 et −1. On désigne par u et v deux fonctions dérivables sur l'intervalle I ; la fonction F est une
primitive de f sur l'intervalle I.
f
F
u′ un
un+1
n+1
ln(u)
2√⎯⎯u
u′
u
u′⎯⎯
√u
u′ eu
u′ sin(u)
u′ cos(u)
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Conditions
si
n ≤ −2 : u(x) ≠ 0
u>0
u>0
eu
−cos(u)
sin(u)
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Les fonctions
Thème 2
Les fonctions
Les fonctions
VIII
Terminale S
Mathématiques
Intégrales
A Aires et intégrales
DÉFINITION
Intégrale d'une fonction continue positive
Soient f une fonction continue et positive sur un intervalle
orthogonal.
b
[a;b](a < b), et C sa courbe représentative dans un repère
∫a f (x) dx de la fonction f sur [a;b] est égale à l'aire (en unités d'aire) de la partie du plan délimitée par la
courbe C, l'axe des abscisses, et les droites d'équation x = a et x = b.
L'intégrale
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Les fonctions
Thème 2
Les fonctions
Les fonctions
DÉFINITION
Intégrale d'une fonction continue négative
Soient f une fonction continue et négative sur un intervalle
orthogonal.
b
Terminale S
Mathématiques
[a;b](a < b), et C sa courbe représentative dans un repère
∫a f (x) dx de la fonction f sur [a;b] est égale à l'opposé de l'aire (en unités d'aire) de la partie du plan délimitée
par la courbe C, l'axe des abscisses, et les droites d'équation x = a et x = b.
L'intégrale
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Les fonctions
Thème 2
Les fonctions
Les fonctions
DÉFINITION
Terminale S
Mathématiques
Intégrale d'une fonction continue
[a;b](a
<
b)
, et C sa courbe représentative dans un repère orthogonal.
b
L'intégrale
∫a f (x) dx de la fonction f sur [a;b] est égale à la différence entre la somme des aires où f est positive et la
Soient f une fonction continue sur un intervalle
somme des aires où f est négative.
THÉORÊME
Aire entre deux courbes
[a;b]. L'aire située
entre les courbes de f et g sur [a;b] est égale à :
b
∫a |f (x) − g(x)| dx
Avec les notations précédentes, si sur l'intervalle [a;b], on a f (x) ≤ g(x) , alors l'aire (en unités d'aire) du
domaine délimité par les courbes des deux fonctions puis les droites d'équations x = a et x = b est égale à :
b
∫a (g(x) − f (x))dx
Soient f et g deux fonctions continues sur
ASTUCE
B Propriétés de l'intégrale
DÉFINITION
Valeur moyenne d'une fonction
On appelle valeur moyenne de f sur
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[a;b](a < b) le réel : b
1 f (x) dx
b − a ∫a
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Thème 2
Les fonctions
Terminale S
Mathématiques
Les fonctions
PROPRIÉTÉ
Soient f et g deux fonctions continues sur un intervalle I, a, b et c trois réels de I, et k un réel quelconque.
a
∫a a f (x) dx = 0 b
∫b b f (x) dx = − ∫a bf (x) dx
∫a kf (x) dx = k ∫a f b(x) dx
c
b
Relation de Chasles :
f
(x)
dx
=
f
(x)
dx
+
f
(x)
dx
∫
∫
∫
a
b
ba
bc
Linéarité :
∫a (f (x) + g(x)) dx = ∫a f (x) dx + ∫a g(x) dx
PROPRIÉTÉ
Soient f et g deux fonctions continues sur un intervalle I, a et b deux réels de I tels que
sur
.
m ≤ f ≤ M [a;b]
b
Positivité : si f ≥ 0 sur [a;b], alors
∫a f (x)b dx ≥ 0. b
Comparaison : si f ≤ g sur [a;b], alors
∫ab f (x) dx ≤ ∫a g(x) dx.
Inégalité de la moyenne : m(b − a) ≤
∫a f (x) dx ≤ M (b − a).
a ≤ b, m et M deux réels tels que
C Primitives et intégrales
THÉORÊME
Intégrale et primitive
Soient f une fonction continue sur I et F une primitive de f sur I, a et b deux réels de I :
b
THÉORÊME
Primitive qui s'annule en
a
∫a f (t) dt = F(b) − F(a)
Soient f une fonction continue sur I, et a un réel de I.
La fonction F dé nie ci-après est l'unique primitive de f qui s'annule en a :
x
F(x) = ∫a f (t) dt
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Les fonctions
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