✏️ Exercices — Limites de fonctions
Série avancée Terminale Spécialité : limites en un point et à l’infini, formes indéterminées, paramètres, compositions, logarithme, exponentielle, croissances comparées, asymptotes et raisonnement type Bac.
Rationnelle — degrés égaux et asymptote horizontale
Consigne. On considère \[ f(x)=\frac{5x^4-3x+1}{2x^4+x^2-7}. \]
- (a) Calculer \(\lim_{x\to +\infty}f(x)\) et \(\lim_{x\to -\infty}f(x)\).
- (b) En déduire une asymptote horizontale éventuelle.
Méthode guidée : identifier la forme, choisir l’outil, puis conclure avec une phrase mathématique claire.
- Comparer les termes dominants.
- Même degré au numérateur et au dénominateur.
Le numérateur et le dénominateur sont de degré 4. La limite vaut donc le quotient des coefficients dominants : \[ \frac{5}{2}. \] Ainsi, \[ \lim_{x\to +\infty}f(x)=\frac52 \qquad\text{et}\qquad \lim_{x\to -\infty}f(x)=\frac52. \]
La droite \(y=\frac52\) est donc une asymptote horizontale.
Conclusion : \(\boxed{y=\frac52}\).
Rationnelle — degré inférieur
Consigne. Étudier \[ \lim_{x\to +\infty}\frac{4x^2-7x+3}{x^3-5} \qquad\text{et}\qquad \lim_{x\to -\infty}\frac{4x^2-7x+3}{x^3-5}. \] Interpréter graphiquement.
Méthode guidée : identifier la forme, choisir l’outil, puis conclure avec une phrase mathématique claire.
- Le dénominateur a un degré strictement plus grand.
Comme le degré du numérateur est 2 et celui du dénominateur est 3, on a \[ \lim_{x\to +\infty}\frac{4x^2-7x+3}{x^3-5}=0 \qquad\text{et}\qquad \lim_{x\to -\infty}\frac{4x^2-7x+3}{x^3-5}=0. \]
La droite \(y=0\) est donc une asymptote horizontale aux deux infinis.
Conclusion : \(\boxed{y=0}\).
Forme \(\frac00\) — factorisation classique
Consigne. Calculer \[ \lim_{x\to 1}\frac{x^2-1}{x^2+x-2}. \]
Méthode guidée : identifier la forme, choisir l’outil, puis conclure avec une phrase mathématique claire.
- Factoriser le numérateur et le dénominateur.
On a une forme \(\frac00\). On factorise : \[ x^2-1=(x-1)(x+1), \qquad x^2+x-2=(x-1)(x+2). \] Pour \(x\neq 1\), \[ \frac{x^2-1}{x^2+x-2}=\frac{x+1}{x+2}. \] Donc \[ \lim_{x\to 1}\frac{x^2-1}{x^2+x-2}=\frac23. \]
Conclusion : \(\boxed{\frac23}\).
Forme \(\frac00\) — identité remarquable
Consigne. Calculer \[ \lim_{x\to 2}\frac{x^3-6x^2+12x-8}{x^2-4}. \]
Méthode guidée : identifier la forme, choisir l’outil, puis conclure avec une phrase mathématique claire.
- Reconnaître \((x-2)^3\).
On reconnaît \[ x^3-6x^2+12x-8=(x-2)^3 \] et \[ x^2-4=(x-2)(x+2). \] Donc, pour \(x\neq 2\), \[ \frac{x^3-6x^2+12x-8}{x^2-4} = \frac{(x-2)^3}{(x-2)(x+2)} = \frac{(x-2)^2}{x+2}. \] Par passage à la limite : \[ \lim_{x\to 2}\frac{(x-2)^2}{x+2}=0. \]
Conclusion : \(\boxed{0}\).
Conjugué — racine au voisinage de 1
Consigne. Calculer \[ \lim_{x\to 0}\frac{\sqrt{1+x}-1}{x}. \]
Méthode guidée : identifier la forme, choisir l’outil, puis conclure avec une phrase mathématique claire.
- Multiplier par le conjugué \(\sqrt{1+x}+1\).
On a une forme \(\frac00\). On conjugue : \[ \frac{\sqrt{1+x}-1}{x} = \frac{(\sqrt{1+x}-1)(\sqrt{1+x}+1)}{x(\sqrt{1+x}+1)} = \frac{x}{x(\sqrt{1+x}+1)}. \] Pour \(x\neq 0\), \[ \frac{\sqrt{1+x}-1}{x}=\frac{1}{\sqrt{1+x}+1}. \] Donc \[ \lim_{x\to 0}\frac{\sqrt{1+x}-1}{x}=\frac12. \]
Conclusion : \(\boxed{\frac12}\).
Conjugué + terme dominant
Consigne. Calculer \[ \lim_{x\to +\infty}(\sqrt{x^2+5x}-x). \]
Méthode guidée : identifier la forme, choisir l’outil, puis conclure avec une phrase mathématique claire.
- Conjuguer d’abord.
- Puis factoriser \(x\) dans la racine.
On conjugue : \[ \sqrt{x^2+5x}-x = \frac{5x}{\sqrt{x^2+5x}+x}. \] Puis \[ \sqrt{x^2+5x}=x\sqrt{1+\frac5x}. \] Donc \[ \frac{5x}{\sqrt{x^2+5x}+x} = \frac{5}{\sqrt{1+\frac5x}+1}. \] Quand \(x\to +\infty\), \(\frac5x\to 0\), donc \[ \lim_{x\to +\infty}(\sqrt{x^2+5x}-x)=\frac52. \]
Conclusion : \(\boxed{\frac52}\).
Asymptote verticale — deux points interdits
Consigne. On considère \[ f(x)=\frac{x-4}{(x+1)(x-2)}. \]
- (a) Étudier les limites en \(-1\).
- (b) Étudier les limites en \(2\).
- (c) En déduire les asymptotes verticales.
Méthode guidée : identifier la forme, choisir l’outil, puis conclure avec une phrase mathématique claire.
- Étudier le signe de chaque facteur près de \(-1\) puis près de 2.
Au voisinage de \(-1\), on a \(x-4<0\) et \(x-2<0\). Seul \(x+1\) change de signe. Donc : \[ \lim_{x\to -1^-}f(x)=-\infty, \qquad \lim_{x\to -1^+}f(x)=+\infty. \]
Au voisinage de 2, on a \(x-4<0\) et \(x+1>0\). Seul \(x-2\) change de signe. Donc : \[ \lim_{x\to 2^-}f(x)=+\infty, \qquad \lim_{x\to 2^+}f(x)=-\infty. \]
Conclusion : asymptotes verticales \(\boxed{x=-1}\) et \(\boxed{x=2}\).
Asymptote oblique — division et position relative
Consigne. On considère \[ f(x)=\frac{x^2-2x+5}{x+1}. \]
- (a) Déterminer l’asymptote oblique éventuelle.
- (b) Étudier la position de la courbe par rapport à cette droite.
Méthode guidée : identifier la forme, choisir l’outil, puis conclure avec une phrase mathématique claire.
- Diviser \(x^2-2x+5\) par \(x+1\).
On écrit \[ x^2-2x+5=(x+1)(x-3)+8. \] Ainsi \[ f(x)=x-3+\frac{8}{x+1}. \] Donc la droite \(\boxed{y=x-3}\) est une asymptote oblique.
De plus, \[ f(x)-(x-3)=\frac{8}{x+1}. \] Donc :
- si \(x>-1\), la courbe est au-dessus ;
- si \(x<-1\), la courbe est au-dessous.
Conclusion : asymptote \(\boxed{y=x-3}\), courbe au-dessus pour \(x>-1\), au-dessous pour \(x<-1\).
Paramètre — asymptote horizontale imposée
Consigne. Soit \(a\in\mathbb R\) et \[ f_a(x)=\frac{(a-1)x^2+2x+3}{x^2+4x-1}. \]
- (a) Calculer \(\lim_{x\to \pm\infty}f_a(x)\).
- (b) Pour quelle valeur de \(a\) la droite \(y=2\) est-elle asymptote horizontale ?
Méthode guidée : identifier la forme, choisir l’outil, puis conclure avec une phrase mathématique claire.
- Quotient des coefficients dominants.
On a \[ \lim_{x\to \pm\infty}f_a(x)=a-1. \] Pour que \(y=2\) soit asymptote horizontale, il faut \[ a-1=2, \] donc \[ a=3. \]
Conclusion : \(\boxed{a=3}\).
Paramètre — limite finie ou non en un point
Consigne. Soit \(a\in\mathbb R\) et \[ g_a(x)=\frac{x^2+(a-3)x-a}{x-1}. \]
- (a) Peut-on choisir \(a\) pour que \(\lim_{x\to 1}g_a(x)\) soit finie ?
- (b) Justifier soigneusement.
Méthode guidée : identifier la forme, choisir l’outil, puis conclure avec une phrase mathématique claire.
- Tester le numérateur en 1.
- S’il ne s’annule jamais, aucune simplification n’est possible.
Pour que la limite soit finie en 1, il faut que le numérateur tende aussi vers 0 : \[ 1+(a-3)-a=0. \] Or \[ 1+a-3-a=-2. \] Cette quantité vaut toujours \(-2\), quel que soit \(a\).
Le numérateur ne s’annule donc jamais en 1. La fraction se comporte toujours comme un non-zéro sur \(x-1\), donc la limite ne peut pas être finie.
Conclusion : \(\boxed{\text{aucune valeur de }a}\).
Composition — logarithme d’une fraction rationnelle
Consigne. Étudier \[ \lim_{x\to +\infty}\ln\left(\frac{2x+1}{x+3}\right). \]
Méthode guidée : identifier la forme, choisir l’outil, puis conclure avec une phrase mathématique claire.
- Étudier d’abord la limite de la fraction.
- Puis utiliser la continuité de \(\ln\).
On a \[ \lim_{x\to +\infty}\frac{2x+1}{x+3}=2. \] Par continuité du logarithme sur \(]0;+\infty[\), \[ \lim_{x\to +\infty}\ln\left(\frac{2x+1}{x+3}\right)=\ln(2). \]
Conclusion : \(\boxed{\ln(2)}\).
Composition — exponentielle et quotient
Consigne. Étudier \[ \lim_{x\to -\infty}\frac{e^x+1}{e^x-2}. \]
Méthode guidée : identifier la forme, choisir l’outil, puis conclure avec une phrase mathématique claire.
- Quand \(x\to -\infty\), \(e^x\to 0\).
Comme \(e^x\to 0\) quand \(x\to -\infty\), on a \[ e^x+1\to 1 \qquad\text{et}\qquad e^x-2\to -2. \] Donc \[ \lim_{x\to -\infty}\frac{e^x+1}{e^x-2}=-\frac12. \]
Conclusion : \(\boxed{-\frac12}\).
Logarithme — limite en \(+\infty\)
Consigne. Étudier \[ \lim_{x\to +\infty}\ln(x^2+1). \]
Méthode guidée : identifier la forme, choisir l’outil, puis conclure avec une phrase mathématique claire.
- Quand \(x\to +\infty\), \(x^2+1\to +\infty\).
On a \[ x^2+1\to +\infty. \] Comme \(\ln(u)\to +\infty\) quand \(u\to +\infty\), on obtient \[ \lim_{x\to +\infty}\ln(x^2+1)=+\infty. \]
Conclusion : \(\boxed{+\infty}\).
Trou ou asymptote ? — lecture graphique
Consigne. On considère \[ f(x)=\frac{x^2-3x+2}{x-1}. \]
- (a) Simplifier l’expression pour \(x\neq 1\).
- (b) Calculer \(\lim_{x\to 1}f(x)\).
- (c) En déduire l’interprétation graphique.
Méthode guidée : identifier la forme, choisir l’outil, puis conclure avec une phrase mathématique claire.
- Factoriser le numérateur.
On factorise : \[ x^2-3x+2=(x-1)(x-2). \] Donc, pour \(x\neq 1\), \[ f(x)=x-2. \] Ainsi \[ \lim_{x\to 1}f(x)=1-2=-1. \]
La fonction n’est pas définie en 1 mais tend vers \(-1\). Il y a donc un trou au point \((1;-1)\).
Conclusion : discontinuité amovible, point manquant \(\boxed{(1;-1)}\).
Gendarmes — fonction oscillante
Consigne. Calculer \[ \lim_{x\to 0}x^2\sin\left(\frac{1}{x}\right). \]
Méthode guidée : identifier la forme, choisir l’outil, puis conclure avec une phrase mathématique claire.
- Encadrer \(\sin(1/x)\) entre -1 et 1.
On sait que \[ -1\le \sin\left(\frac1x\right)\le 1. \] En multipliant par \(x^2\ge 0\), on obtient \[ -x^2\le x^2\sin\left(\frac1x\right)\le x^2. \] Les deux bornes tendent vers 0, donc par le théorème des gendarmes : \[ \lim_{x\to 0}x^2\sin\left(\frac1x\right)=0. \]
Conclusion : \(\boxed{0}\).
Limite usuelle trigonométrique — composée
Consigne. Calculer \[ \lim_{x\to 0}\frac{\sin(7x)}{x}. \]
Méthode guidée : identifier la forme, choisir l’outil, puis conclure avec une phrase mathématique claire.
- Faire apparaître \(\frac{\sin(7x)}{7x}\).
On écrit \[ \frac{\sin(7x)}{x}=7\cdot\frac{\sin(7x)}{7x}. \] Comme \(\frac{\sin u}{u}\to 1\) quand \(u\to 0\), on obtient \[ \lim_{x\to 0}\frac{\sin(7x)}{x}=7. \]
Conclusion : \(\boxed{7}\).
Quotient trigonométrique — vrai raisonnement type sujet
Consigne. Calculer \[ \lim_{x\to 0}\frac{\sin(2x)}{\sin(5x)}. \]
Méthode guidée : identifier la forme, choisir l’outil, puis conclure avec une phrase mathématique claire.
- Faire apparaître \(\frac{\sin(2x)}{2x}\) et \(\frac{\sin(5x)}{5x}\).
On écrit \[ \frac{\sin(2x)}{\sin(5x)} = \frac{\sin(2x)}{2x}\cdot\frac{2x}{5x}\cdot\frac{5x}{\sin(5x)}. \] Donc \[ \frac{\sin(2x)}{\sin(5x)} = \frac{\sin(2x)}{2x}\cdot\frac25\cdot\frac{5x}{\sin(5x)}. \] Les deux quotients trigonométriques tendent vers 1, d’où \[ \lim_{x\to 0}\frac{\sin(2x)}{\sin(5x)}=\frac25. \]
Conclusion : \(\boxed{\frac25}\).
Exponentielle translatée — interprétation graphique
Consigne. On considère \[ f(x)=e^{-x}+3. \]
- (a) Calculer \(\lim_{x\to +\infty}f(x)\).
- (b) Calculer \(\lim_{x\to -\infty}f(x)\).
- (c) Interpréter graphiquement.
Méthode guidée : identifier la forme, choisir l’outil, puis conclure avec une phrase mathématique claire.
- Quand \(x\to +\infty\), \(e^{-x}\to 0\).
Quand \(x\to +\infty\), on a \[ e^{-x}\to 0, \] donc \[ \lim_{x\to +\infty}f(x)=3. \] Quand \(x\to -\infty\), \(-x\to +\infty\), donc \[ e^{-x}\to +\infty \quad\Rightarrow\quad \lim_{x\to -\infty}f(x)=+\infty. \]
La droite \(y=3\) est donc une asymptote horizontale en \(+\infty\).
Conclusion : asymptote horizontale \(\boxed{y=3}\) en \(+\infty\).
Composition logarithmique plus fine
Consigne. Étudier \[ \lim_{x\to +\infty}\ln\left(\frac{x^2+1}{x^2+3}\right). \]
Méthode guidée : identifier la forme, choisir l’outil, puis conclure avec une phrase mathématique claire.
- Étudier d’abord la limite de la fraction.
- La fraction tend vers 1.
Comme les deux polynômes sont de degré 2 et ont le même coefficient dominant 1, on a \[ \lim_{x\to +\infty}\frac{x^2+1}{x^2+3}=1. \] Par continuité de \(\ln\), \[ \lim_{x\to +\infty}\ln\left(\frac{x^2+1}{x^2+3}\right)=\ln(1)=0. \]
Conclusion : \(\boxed{0}\).
Exercice de synthèse — type sujet complet
Consigne. On considère \[ f(x)=\frac{x^2+1}{x-1}. \]
- (a) Déterminer le domaine de définition de \(f\).
- (b) Étudier \(\lim_{x\to 1^-}f(x)\) et \(\lim_{x\to 1^+}f(x)\).
- (c) Déterminer une asymptote oblique éventuelle.
- (d) Étudier la position relative de la courbe par rapport à cette asymptote.
Méthode guidée : identifier la forme, choisir l’outil, puis conclure avec une phrase mathématique claire.
- Pour le domaine : regarder le dénominateur.
- Pour l’asymptote oblique : faire une division euclidienne.
(a)
La fonction est définie pour \(x\neq 1\), donc \[ \mathcal D_f=\mathbb R\setminus\{1\}. \]
(b)
Le numérateur tend vers \[ 1^2+1=2>0. \] Donc : \[ \lim_{x\to 1^-}f(x)=-\infty, \qquad \lim_{x\to 1^+}f(x)=+\infty. \] La droite \(x=1\) est une asymptote verticale.
(c)
On effectue la division : \[ x^2+1=(x-1)(x+1)+2. \] Donc \[ f(x)=x+1+\frac{2}{x-1}. \] Comme \(\frac{2}{x-1}\to 0\) quand \(x\to \pm\infty\), la droite \[ y=x+1 \] est une asymptote oblique.
(d)
On compare : \[ f(x)-(x+1)=\frac{2}{x-1}. \] Ainsi :
- si \(x>1\), la courbe est au-dessus de la droite ;
- si \(x<1\), la courbe est au-dessous.
Conclusion : asymptote verticale \(\boxed{x=1}\), asymptote oblique \(\boxed{y=x+1}\), courbe au-dessus pour \(x>1\) et au-dessous pour \(x<1\).
Croissances comparées — exponentielle contre polynôme-logarithme
Consigne. Calculer et justifier soigneusement \[ \lim_{x\to +\infty}\left(\frac{e^x}{x^3}-\ln(x^2+1)\right). \]
Méthode guidée : identifier la forme, choisir l’outil, puis conclure avec une phrase mathématique claire.
- Factoriser par le terme dominant \(\frac{e^x}{x^3}\).
- Montrer que \(\frac{x^3\ln(x^2+1)}{e^x}\to0\).
- Conclure que le premier terme impose la limite.
On factorise par le terme dominant : \[ \frac{e^x}{x^3}-\ln(x^2+1) =\frac{e^x}{x^3}\left(1-\frac{x^3\ln(x^2+1)}{e^x}\right). \]
Par croissances comparées, l’exponentielle domine tout produit polynomial-logarithmique : \[ \frac{x^3\ln(x^2+1)}{e^x}\to0. \] Donc le facteur entre parenthèses tend vers \(1\).
Or \(\frac{e^x}{x^3}\to +\infty\). Ainsi \[ \lim_{x\to +\infty}\left(\frac{e^x}{x^3}-\ln(x^2+1)\right)=+\infty. \]
Paramètre — asymptote oblique imposée
Consigne. Soit \(a,b\in\mathbb R\) et \[ f(x)=\frac{x^2+ax+b}{x-1}. \] On veut que la courbe admette la droite \(\Delta:y=x+3\) comme asymptote oblique.
- (a) Écrire \(f(x)\) sous la forme \(x+c+\frac{r}{x-1}\).
- (b) Déterminer \(a\).
- (c) Le réel \(b\) est-il imposé ?
- (d) Étudier la position de la courbe par rapport à \(\Delta\).
Méthode guidée : identifier la forme, choisir l’outil, puis conclure avec une phrase mathématique claire.
- Pose \(x^2+ax+b=(x-1)(x+c)+r\).
- Développe \((x-1)(x+c)=x^2+(c-1)x-c\).
- Identifie le coefficient de \(x\), puis compare avec \(y=x+3\).
On pose \[ x^2+ax+b=(x-1)(x+c)+r. \] Or \[ (x-1)(x+c)=x^2+(c-1)x-c. \] Donc \(a=c-1\).
Comme l’asymptote demandée est \(y=x+3\), on veut \(c=3\), donc \[ a=2. \]
Le réel \(b\) n’est pas imposé par l’asymptote. Avec \(c=3\), on obtient \(r=b+3\), donc \[ f(x)-(x+3)=\frac{b+3}{x-1}. \]
- Si \(b=-3\), la courbe coïncide avec \(\Delta\) sauf au point interdit.
- Si \(b+3>0\), la courbe est au-dessus pour \(x>1\), au-dessous pour \(x<1\).
- Si \(b+3<0\), c’est l’inverse.
Limite fine — logarithme et sinus
Consigne. Calculer \[ \lim_{x\to0}\frac{\ln(1+4x)}{\sin(2x)}. \]
Méthode guidée : identifier la forme, choisir l’outil, puis conclure avec une phrase mathématique claire.
- Fais apparaître \(4x\) avec le logarithme.
- Fais apparaître \(2x\) avec le sinus.
- Le coefficient final vient du rapport \(\frac{4x}{2x}\).
On écrit \[ \frac{\ln(1+4x)}{\sin(2x)} =\frac{\ln(1+4x)}{4x}\cdot\frac{4x}{2x}\cdot\frac{2x}{\sin(2x)}. \]
Quand \(x\to0\), \(\frac{\ln(1+4x)}{4x}\to1\) et \(\frac{2x}{\sin(2x)}\to1\). Donc \[ \lim_{x\to0}\frac{\ln(1+4x)}{\sin(2x)}=1\cdot2\cdot1=2. \]
Synthèse — domaine, limites et asymptotes
Consigne. On considère \[ f(x)=\frac{x^2+2x+5}{x+1}+\ln(x+2). \]
- (a) Déterminer le domaine de définition.
- (b) Étudier la limite en \(-2^+\).
- (c) Étudier les limites en \(-1^-\) et \(-1^+\).
- (d) Étudier le comportement quand \(x\to+\infty\).
Méthode guidée : identifier la forme, choisir l’outil, puis conclure avec une phrase mathématique claire.
- Le logarithme impose \(x+2>0\).
- La fraction impose \(x+1\neq0\).
- Pour la fraction, utilise : \(x^2+2x+5=(x+1)(x+1)+4\).
Le logarithme impose \(x>-2\), et le quotient impose \(x\neq-1\). Donc \[ \mathcal D_f=]-2;-1[\cup]-1;+\infty[. \]
On effectue la division : \[ x^2+2x+5=(x+1)(x+1)+4, \] donc \[ f(x)=x+1+\frac4{x+1}+\ln(x+2). \]
Quand \(x\to-2^+\), la fraction tend vers \(-5\), tandis que \(\ln(x+2)\to-\infty\). Donc \[ \lim_{x\to-2^+}f(x)=-\infty. \]
Quand \(x\to-1\), \(\ln(x+2)\to0\), mais \(\frac4{x+1}\) domine. Donc \[ \lim_{x\to-1^-}f(x)=-\infty, \qquad \lim_{x\to-1^+}f(x)=+\infty. \]
Enfin, quand \(x\to+\infty\), \(x+1\to+\infty\), \(\frac4{x+1}\to0\), et \(\ln(x+2)\to+\infty\). Donc \[ \lim_{x\to+\infty}f(x)=+\infty. \]