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Les limites : vers quelle valeur tend une fonction ?

Une limite nous dit vers quel nombre f(x) se rapproche quand x se rapproche d'un point. On marche vers le point par la gauche puis par la droite. Si les deux côtés arrivent au même nombre, ce nombre est la limite. Tu verras les limites des fonctions polynômes, rationnelles, trigonométriques, exponentielles et logarithmes, avec les résultats usuels à connaître.

🎬 L'histoire pas à pas

  1. Avance vers x = 2 sur y = (x² − 4)/(x − 2). Il y a un trou en x = 2, mais des deux côtés f(x) se rapproche de 4. La limite est donc 4.
  2. La limite à gauche et la limite à droite doivent être égales. Le graphique rouge arrive à 1 par la gauche et à 3 par la droite, donc il n'y a pas de limite. Pour un polynôme comme x² + 1, on remplace simplement par la valeur.
  3. Une fonction rationnelle peut donner 0/0 quand on remplace par la valeur. On factorise, on simplifie le facteur commun, puis on remplace. Cela donne aussi la règle (xⁿ − aⁿ)/(x − a) → n·aⁿ⁻¹.
  4. Limite trigonométrique : pour x petit (en radians), sin x est presque égal à x. Donc sin x / x se rapproche de 1.
  5. Exponentielle et logarithme : (eˣ − 1)/x → 1 et ln(1 + x)/x → 1 quand x → 0. Les deux courbes arrivent au même trou en (0, 1).
  6. Jeu libre : choisis une fonction, rends l'écart h tout petit et lis les valeurs des deux côtés.

Astuce : fais glisser la scène 3D pour la tourner. Utilise deux doigts pour zoomer.

🤔 Les doutes courants, éclaircis

Si f(2) n'est pas définie, comment la limite en 2 peut-elle être 4 ?

La limite demande seulement vers quoi va f(x) quand x s'approche de 2. En 3D, les deux points marchent vers le trou à la hauteur 4. Le trou lui-même n'a pas d'importance.

Quand une limite n'existe-t-elle pas ?

Quand le côté gauche va vers un nombre et le côté droit vers un autre. Le graphique rouge avec un saut va vers 1 par la gauche et vers 3 par la droite, donc pas de limite.

0/0 est-il égal à 0 ou à 1 ?

Ni l'un ni l'autre. 0/0 veut dire « pas encore décidé ». Factorise et simplifie, comme la 3D le montre pour (x³ − 1)/(x − 1), et tu obtiens une vraie réponse, 3.

Pourquoi sin x / x tend-il vers 1 ?

Pour x petit en radians, sin x et x sont presque égaux. En 3D, la courbe bleue de sin colle à la droite grise y = x près de 0, et le rapport violet monte vers 1.

Pourquoi (eˣ − 1)/x est-il égal à 1 près de 0 ?

Près de 0, eˣ est presque 1 + x. Donc eˣ − 1 est presque x, et le rapport est presque 1. L'affichage de la 3D montre 1.0517, 1.005, 1.00005.

Puis-je simplement mettre un nombre très petit au lieu de chercher la limite ?

Cela aide à deviner, mais ce n'est pas une preuve. Essaie en jeu libre : les nombres ne font que s'approcher. L'algèbre ou une limite usuelle donne la valeur exacte.

Qu'est-ce qu'une limite ? (l'idée intuitive)

Imagine un point qui se déplace sur un graphique. On rapproche x de plus en plus d'un nombre a. On regarde la hauteur f(x).

Si f(x) se rapproche de plus en plus d'un seul nombre L, on écrit lim(x→a) f(x) = L. On lit : « la limite de f(x) quand x tend vers a est L ».

Important : la limite ne s'occupe pas de la valeur en a. La fonction peut même avoir un trou à cet endroit. Elle s'occupe seulement des valeurs proches de a.

Limite à gauche et limite à droite

Si on vient de nombres plus petits (comme 1.9, 1.99), on obtient la limite à gauche, notée x → a⁻. Si on vient de nombres plus grands (2.1, 2.01), on obtient la limite à droite, notée x → a⁺.

La limite existe seulement si les deux sont égales. Si le graphique fait un saut, les deux côtés sont différents, donc il n'y a pas de limite.

Règles de calcul sur les limites

Si lim f(x) et lim g(x) existent toutes les deux quand x → a, alors :

Ces règles permettent de couper une limite difficile en petits morceaux faciles.

Limites des fonctions polynômes

Un polynôme n'a ni trou ni saut. Sa limite est donc simplement sa valeur.

Exemple : lim(x→2) (3x² − x + 1) = 3(4) − 2 + 1 = 11.

Limites des fonctions rationnelles

Une fonction rationnelle est un polynôme divisé par un autre, p(x)/q(x).

Un résultat très utile

lim(x→a) (xⁿ − aⁿ)/(x − a) = n·aⁿ⁻¹. Par exemple lim(x→2) (x⁵ − 32)/(x − 2) = 5 × 2⁴ = 80.

Limites des fonctions trigonométriques

sin x et cos x sont des fonctions lisses, donc lim(x→a) sin x = sin a et lim(x→a) cos x = cos a.

Deux résultats usuels (x en radians) :

Pourquoi le premier est-il vrai ? Sur un cercle de rayon 1, pour un petit angle x, l'arc (de longueur x) et la demi-corde (de longueur sin x) sont presque pareils. Un argument d'encadrement avec les aires le prouve : cos x ≤ sin x / x ≤ 1, et les deux extrémités tendent vers 1.

Astuce : fais correspondre l'angle et le dénominateur. lim sin 5x / x = 5 × lim (sin 5x)/(5x) = 5.

Limites des fonctions exponentielle et logarithme

eˣ et ln x sont lisses là où elles sont définies, donc on peut remplacer par la valeur (pour ln x il faut x > 0).

Deux résultats usuels :

Là encore, fais correspondre l'intérieur et le dénominateur : lim (e³ˣ − 1)/x = 3 × lim (e³ˣ − 1)/(3x) = 3.

Des limites aux dérivées

Pour trouver la pente d'une courbe en un seul point, il faudrait un écart nul, et on ne peut pas diviser par zéro. On prend donc un petit écart h et on fait tendre h → 0. Cette limite est la dérivée. Tu l'étudieras dans la prochaine leçon.

À toi de jouer

Utilise une calculatrice en mode radians. Calcule sin(0.1)/0.1, sin(0.01)/0.01 et sin(0.001)/0.001. Prévois vers quelle valeur vont les résultats. Ouvre ensuite le jeu libre en 3D, choisis sin x / x et rends h très petit pour vérifier.

Formules et définitions clés

Exemples résolus

1. Trouve lim(x→3) (x² + 2x − 1).

C'est un polynôme, donc on remplace x = 3 : 9 + 6 − 1 = 14.

2. Trouve lim(x→2) (x² − 4)/(x − 2).

Pour x = 2 on obtient 0/0. On factorise : (x − 2)(x + 2)/(x − 2). On simplifie (x − 2) : x + 2. On remplace x = 2 : réponse 4.

3. f(x) = x + 1 pour x < 1 et f(x) = 3x pour x ≥ 1. La limite lim(x→1) f(x) existe-t-elle ?

Limite à gauche : 1 + 1 = 2. Limite à droite : 3 × 1 = 3. Elles ne sont pas égales, donc la limite n'existe pas.

4. Trouve lim(x→1) (x¹⁰ − 1)/(x − 1).

On utilise (xⁿ − aⁿ)/(x − a) → n·aⁿ⁻¹ avec n = 10, a = 1 : 10 × 1⁹ = 10.

5. Trouve lim(x→0) sin 4x / sin 2x.

On l'écrit [sin 4x/(4x)] × 4x ÷ ([sin 2x/(2x)] × 2x). Les deux crochets → 1. La réponse est donc 4x/2x = 2.

6. Trouve lim(x→0) (e²ˣ − 1)/x.

On multiplie et on divise par 2 : 2 × (e²ˣ − 1)/(2x). La fraction → 1, donc la réponse est 2.

7. Trouve lim(x→0) ln(1 + 3x)/x.

On l'écrit 3 × ln(1 + 3x)/(3x). La fraction → 1 quand 3x → 0. Réponse : 3.

8. Trouve lim(x→0) (1 − cos 2x)/x².

1 − cos 2x = 2 sin²x. La limite est donc 2 × (sin x / x)² → 2 × 1 = 2.

Erreurs fréquentes

Quiz d'entraînement

1. lim(x→2) (x² − 4)/(x − 2) =
2. lim(x→0) sin x / x (x en radians) =
3. Une limite existe en x = a quand :
4. lim(x→0) (eˣ − 1)/x =
5. lim(x→2) (x³ − 8)/(x − 2) =

Entraînement : réponds toi-même

Écris ou choisis ta réponse, puis appuie sur Vérifier. Prends un indice si tu bloques ; la solution complète s'affiche après ta réponse.

Questions fréquentes

Que voit-on dans le chapitre Limites et dérivées en classe de première ?

L'idée intuitive de limite, les limites des fonctions polynômes, rationnelles, trigonométriques, exponentielles et logarithmes, la dérivée comme pente et taux de variation, et les dérivées d'une somme, d'une différence, d'un produit et d'un quotient.

Quelles sont les formules de limites les plus importantes en première ?

(xⁿ − aⁿ)/(x − a) → n·aⁿ⁻¹, sin x/x → 1, (1 − cos x)/x → 0, (eˣ − 1)/x → 1 et ln(1 + x)/x → 1.

Quelle est la différence entre une limite et la valeur d'une fonction ?

La valeur f(a) est la hauteur exactement en a. La limite est la hauteur vers laquelle le graphique se dirige près de a. Elles peuvent être différentes, ou la valeur peut ne pas exister du tout.

Où c'est enseigné

Canada (Ontario)Grade 12A. Rate of Change
ItalySecondaria di secondo grado – classe 5ª (esame di Stato)Relations and functions
ItalySecondaria di secondo grado – classe 5ª (esame di Stato)Relations and functions
ItalySecondaria di secondo grado – classe 5ª (esame di Stato)Relations and functions
NetherlandsVWO 5Functions, graphs and equations (part 2)
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IISequences
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IVOptimisation and calculus
RomaniaClasa a XI-aElements of mathematical analysis
RomaniaClasa a XI-aElements of mathematical analysis
Spain1º BachilleratoMeasurement Sense
Spain1º BachilleratoMeasurement Sense
Ukraine10 класAlgebra: limit and continuity of a function (18 h)
Ukraine10 класAlgebra: limits, continuity and derivative (54 h)
CBSE (India)Class 11Calculus
CBSE (India)Class 11Calculus
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Limits and Continuity
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Contextual Applications of Differentiation
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Limits and Continuity
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Contextual Applications of Differentiation
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Sequences, series and limits
Japan高校(専門学科)1〜3年Advanced Mathematics II
Japan高校3年Limits
South Korea고등학교 2학년Limits and continuity
South Korea고등학교 3학년Differentiation techniques
South Korea고등학교 3학년Limits and continuity
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 11Rational functions: limits and asymptotes
FranceTerminaleAnalysis
Russia10 классElements of calculus
Russia11 классElements of calculus

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