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Leçon 5

Limites et courbe

Vidéo 5 : Limites et courbe · 3 min 21 s · sous-titres en français

Le cours écrit

5.1 Limite en +∞+\infty

lim⁡x→+∞ln⁡x=+∞.\lim_{x\to+\infty} \ln x = +\infty.

Pourquoi. Soit AA un réel. Comme ln⁡\ln est croissante, ln⁡x≥A  ⟺  x≥eA\ln x \geq A \iff x \geq \mathrm{e}^A. Donc l'intervalle [A ;+∞[[A\,;+\infty[ contient tous les ln⁡x\ln x dès que x≥eAx \geq \mathrm{e}^A : c'est la définition du chapitre 4.

La croissance est très lente : pour que ln⁡x\ln x dépasse 1010, il faut x≥e10≈22 026x \geq \mathrm{e}^{10} \approx 22\,026.

5.2 Limite en 00

lim⁡x→0+ln⁡x=−∞.\lim_{x\to0^+} \ln x = -\infty.

Pourquoi. Soit BB un réel. Pour x>0x > 0, ln⁡x≤B  ⟺  x≤eB\ln x \leq B \iff x \leq \mathrm{e}^B. Donc l'intervalle ]−∞ ;B]]-\infty\,;B] contient tous les ln⁡x\ln x dès que 0<x≤eB0 < x \leq \mathrm{e}^B.

Interprétation. L'axe des ordonnées (la droite d'équation x=0x = 0) est asymptote verticale à la courbe de ln⁡\ln. Par exemple, ln⁡(10−6)≈−13,8\ln\left(10^{-6}\right) \approx -13{,}8.

5.3 Tableau de variations complet

xx 00 11 e\mathrm{e} +∞+\infty
ln⁡′(x)=1x\ln'(x) = \frac1x ‖ ++ ++ ++
ln⁡\ln −∞-\infty croissante 00 croissante 11 croissante +∞+\infty

La double barre rappelle que ln⁡\ln n'est pas définie en 00.

5.4 La courbe

  • Elle passe par les points (1 ;0)(1\,;0) et (e ;1)(\mathrm{e}\,;1).
  • Sa tangente au point (1 ;0)(1\,;0) a pour équation y=x−1y = x - 1.
  • Sa tangente au point (e ;1)(\mathrm{e}\,;1) a pour coefficient directeur ln⁡′(e)=1e\ln'(\mathrm{e}) = \frac1{\mathrm{e}} et pour équation y=1+1e(x−e)y = 1 + \frac1{\mathrm{e}}(x - \mathrm{e}), soit y=xey = \dfrac{x}{\mathrm{e}} : elle passe par l'origine.
  • La fonction est concave : la courbe est en dessous de ses tangentes.
  • Quelques valeurs : ln⁡2≈0,69\ln 2 \approx 0{,}69, ln⁡5≈1,61\ln 5 \approx 1{,}61, ln⁡10≈2,30\ln 10 \approx 2{,}30, ln⁡0,5≈−0,69\ln 0{,}5 \approx -0{,}69.

5.5 Lien avec la courbe de l'exponentielle

Propriété. Dans un repère orthonormé, les courbes des fonctions exp⁡\exp et ln⁡\ln sont symétriques par rapport à la droite d'équation y=xy = x.

Pourquoi. Pour tout réel aa et tout réel b>0b > 0 : M(a ;b) est sur la courbe de exp⁡  ⟺  b=ea  ⟺  a=ln⁡b  ⟺  M′(b ;a) est sur la courbe de ln⁡.M(a\,;b) \text{ est sur la courbe de } \exp \iff b = \mathrm{e}^a \iff a = \ln b \iff M'(b\,;a) \text{ est sur la courbe de } \ln. Or le point M′(b ;a)M'(b\,;a) est le symétrique de M(a ;b)M(a\,;b) par rapport à la droite y=xy = x.

Courbe de exp⁡\exp Courbe de ln⁡\ln
point (0 ;1)(0\,;1) point (1 ;0)(1\,;0)
point (1 ;e)(1\,;\mathrm{e}) point (e ;1)(\mathrm{e}\,;1)
tangente y=x+1y = x + 1 en (0 ;1)(0\,;1) tangente y=x−1y = x - 1 en (1 ;0)(1\,;0)
asymptote horizontale y=0y = 0 en −∞-\infty asymptote verticale x=0x = 0
convexe, au-dessus de la droite y=xy = x concave, en dessous de la droite y=xy = x

Le programme demande de s'appuyer sur ces « images mentales » : il suffit de connaître la courbe de l'exponentielle et de la retourner autour de la droite y=xy = x. Les deux inégalités ex≥x+1\mathrm{e}^x \geq x + 1 (chapitre 4) et ln⁡x≤x−1\ln x \leq x - 1 (leçon 4) se correspondent aussi par cette symétrie.

5.6 Limites de fonctions composées

On pose X=u(x)X = u(x), comme au chapitre 4.

Exemple 21. f(x)=ln⁡(x−2)f(x) = \ln(x - 2) sur ]2 ;+∞[]2\,;+\infty[.

  • Quand x→2+x \to 2^+, X=x−2→0+X = x - 2 \to 0^+ et ln⁡X→−∞\ln X \to -\infty : lim⁡x→2+f(x)=−∞\lim\limits_{x\to2^+} f(x) = -\infty. La droite x=2x = 2 est asymptote verticale.
  • Quand x→+∞x \to +\infty, X→+∞X \to +\infty et ln⁡X→+∞\ln X \to +\infty : lim⁡x→+∞f(x)=+∞\lim\limits_{x\to+\infty} f(x) = +\infty.

Exemple 22. g(x)=x+ln⁡xg(x) = x + \ln x sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[. En 0+0^+ : x→0x \to 0 et ln⁡x→−∞\ln x \to -\infty, donc par somme g(x)→−∞g(x) \to -\infty. En +∞+\infty : g(x)→+∞g(x) \to +\infty par somme.

Exemple 23. h(x)=ln⁡(1+1x)h(x) = \ln\left(1 + \dfrac1x\right) sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[. Quand x→+∞x \to +\infty, X=1+1x→1X = 1 + \frac1x \to 1, et ln⁡X→ln⁡1=0\ln X \to \ln 1 = 0 (ln⁡\ln est continue en 11, car dérivable) : lim⁡x→+∞h(x)=0\lim\limits_{x\to+\infty} h(x) = 0.

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Exercices 9 et 10

  • Exercice 9 : limites
  • Exercice 10 : deux courbes symétriques

Exercices du chapitre (PDF, 141 Ko)

Corrigés

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Corrigés du chapitre (PDF, 164 Ko)

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