Limites et asymptotes

$\displaystyle \lim_{x\to a} f(x)=L$ signifie que $f(x)$ devient arbitrairement proche de $L$ quand $x$ se rapproche de $a$ (sans forcément prendre $x=a$).

$\displaystyle \lim_{x\to a} f(x)$ existe ssi $\lim_{x\to a^-} f(x)=\lim_{x\to a^+} f(x)$.

$\displaystyle \lim_{x\to a} f(x)=+\infty$ (ou $-\infty$) : les valeurs de $f(x)$ deviennent arbitrairement grandes (ou très négatives) près de $a$.

$\displaystyle \lim_{x\to +\infty} f(x)$ et $\displaystyle \lim_{x\to -\infty} f(x)$ décrivent le comportement très à droite / très à gauche.

la limite en $a$ existe et est finie, mais $f(a)$ n’existe pas ou $f(a)\neq \lim_{x\to a}f(x)$.

on étudie la limite quand $x$ s’approche d’une valeur frontière du domaine (souvent une seule limite unilatérale).

la droite $x=a$ est une AV si $\lim_{x\to a^-}f(x)=\pm\infty$ ou $\lim_{x\to a^+}f(x)=\pm\infty$.

la droite $y=mx+h$ est une AO si l’on peut écrire

si $f$ est continue en $a$, alors $\displaystyle \lim_{x\to a} f(x)=f(a)$.

si $\lim f=L$ et $\lim g=M$ (quand $x\to a$),

si $\lim f=L$ et $L\ge 0$, alors $\displaystyle \lim \sqrt{f}=\sqrt{L}$.

pour $\displaystyle f(x)=\frac{P(x)}{Q(x)}$ (polynômes) :

• si $\deg P < \deg Q$, alors $\displaystyle \lim_{x\to\pm\infty} f(x)=0$ \ \ $\Rightarrow$ \ asymptote horizontale $y=0$;
• si $\deg P = \deg Q$, alors $\displaystyle \lim_{x\to\pm\infty} f(x)=\frac{\text{coef. directeur de }P}{\text{coef. directeur de }Q}$ \ \ $\Rightarrow$ \ asymptote horizontale $y=\frac{a_n}{b_n}$;
• si $\deg P = \deg Q + 1$, alors AO : faire la division polynomiale $P=Q(mx+h)+r$;
• si $\deg P > \deg Q + 1$, pas d’AH/AO (la croissance est plus forte).

$\lim_{x\to a}f(x)$ (a fini) :

• Vérifier le domaine $\ED(f)$ (valeurs interdites, racines, dénominateur, etc.).
• Substitution directe : $x=a$ si possible (fonction continue en $a$).
• Si on obtient $\frac{0}{0}$ : factoriser et simplifier (ex. $(x-a)$), puis substituer.
• Si des racines créent $\frac{0}{0}$ : rationaliser (multiplier par le conjugué).
• Si le dénominateur $\to 0$ mais le numérateur $\not\to 0$ : calculer les limites à gauche et à droite (signe !) pour décider $+\infty$, $-\infty$ ou « non définie ».

• Chercher les valeurs interdites (souvent $Q(x)=0$ dans une fraction).
• Pour chaque $a$ interdit : calculer $\displaystyle \lim_{x\to a^-} f(x)$ et $\displaystyle \lim_{x\to a^+} f(x)$.
• Si au moins une des deux vaut $\pm\infty$, alors $x=a$ est une AV.
• Astuce signe (rationnelles) : étudier le signe de $Q(x)$ près de $a$ et celui du numérateur.

• Calculer $\displaystyle \lim_{x\to -\infty} f(x)$ et $\displaystyle \lim_{x\to +\infty} f(x)$.
• Si la limite vaut un réel $b$, alors $y=b$ est une AHG ou AHD.
• Pour une fonction rationnelle : comparer les degrés (voir Formules essentielles).

• Vérifier que $\deg P = \deg Q + 1$.
• Faire la division polynomiale : $\displaystyle \frac{P(x)}{Q(x)} = mx+h + \frac{r(x)}{Q(x)}$.
• Poser $\delta(x)=\frac{r(x)}{Q(x)}$ et vérifier $\lim_{x\to\pm\infty}\delta(x)=0$.
• Conclure : l’AO est $y=mx+h$.

• Trouver $\ED(f)$, zéros, signe (si possible), points faciles (ex. $x=0$).
• Placer AV/AH/AO et préciser le comportement (vers $+\infty$ ou $-\infty$).
• Ajouter la position par rapport à l’AH/AO via $\delta(x)=f(x)-(\text{asymptote})$.
• Compléter l’allure globale (continuité sur chaque intervalle du domaine).

• $x\to a$ : on zoome autour de $a$ ; si la courbe se rapproche d’une hauteur $L$, alors $\lim_{x\to a}f(x)=L$.
• $x\to a^\pm$ : on lit séparément le comportement à gauche et à droite de $a$.
• $x\to\pm\infty$ : on regarde très à droite / très à gauche : « la courbe plafonne » (AH) ou « suit une droite » (AO).

si $x=a$ est AV, la courbe « monte/descend sans borne » près de $a$.

si $y=b$ est AH, la courbe se rapproche de la droite $y=b$ quand $x\to\pm\infty$ (elle peut la couper).

si $f(x)=mx+h+\delta(x)$ avec $\delta(x)\to0$, alors la courbe se comporte « comme » $y=mx+h$ à l’infini.

• Par rapport à une AO $y=mx+h$ : $\delta(x)=f(x)-(mx+h)$. Si $\delta(x)>0$, la courbe est au-dessus ; si $\delta(x)<0$, en dessous.
• Par rapport à une AH $y=b$ : $\delta(x)=f(x)-b$ (même lecture).

Graphique 1 : exemple avec AV et AO
On considère $f(x)=\dfrac{3x^2-x+1}{x-1}=3x+2+\dfrac{3}{x-1}$ : AV en $x=1$ et AO $y=3x+2$.

Graphique 2 : exemple avec AH
On considère $g(x)=\dfrac{x^2-4}{x^2+1}$ : AH $y=1$ (car degrés égaux et rapport des coefficients directeurs $=1$).

$\mathbf{0/0}$) :
Calculer $\displaystyle \lim_{x\to 2}\frac{x^2-5x+6}{x^2-x-2}$ et interpréter.

Étudier $\displaystyle \lim_{x\to 1^-}\frac{3}{1-x}$ et $\displaystyle \lim_{x\to 1^+}\frac{3}{1-x}$.

Si $x\to 1^-$, alors $1-x\to 0^+$ (positif très petit), donc $\dfrac{3}{1-x}\to +\infty$.

Si $x\to 1^+$, alors $1-x\to 0^-$ (négatif très petit), donc $\dfrac{3}{1-x}\to -\infty$.

$x=1$ est une asymptote verticale. Les deux limites unilatérales sont différentes ($+\infty$ et $-\infty$), donc la limite $\lim_{x\to 1}\frac{3}{1-x}$ n’est pas une limite finie (on décrit le comportement avec les unilatérales).

Calculer $\displaystyle \lim_{x\to +\infty}\frac{2x^2-3x+1}{x^2+5}$ et en déduire l’asymptote.

Déterminer l’AO et l’AV de $f(x)=\dfrac{3x^2-x+1}{x-1}$.

Domaine : $x\neq 1$. On suspecte une AV en $x=1$ (valeur interdite).

Division :

Comme $\displaystyle \lim_{x\to \pm\infty}\frac{3}{x-1}=0$, on a une AO : $y=3x+2$.

Pour l’AV : $\displaystyle \frac{3}{x-1}\to \pm\infty$ quand $x\to 1^\pm$, donc $x=1$ est une AV.

Position par rapport à l’AO : $\delta(x)=\dfrac{3}{x-1}$.

• Si $x>1$, alors $\delta(x)>0$ : la courbe est au-dessus de l’AO.
• Si $x<1$, alors $\delta(x)<0$ : la courbe est en dessous de l’AO.

$\lim_{x\to a}f(x)$ : la limite peut exister même si $f(a)$ n’existe pas (trou).

indispensable si $a$ est un bord du domaine ou une valeur interdite.

$\frac{0}{0}$ n’est pas une réponse, c’est un signal : il faut transformer l’expression.

toujours analyser le signe de $(x-a)$ (ou du facteur qui s’annule) à gauche et à droite.

simplifier par $(x-a)$ est correct pour le calcul de limite (avec $x\neq a$), mais cela ne rend pas la fonction définie en $a$.

pour les rationnelles, seuls les plus hauts degrés comptent (après factorisation par la plus grande puissance de $x$).

pour $\frac{P}{Q}$ :

• $\deg P \le \deg Q$ : AH (limite finie, éventuellement 0).
• $\deg P = \deg Q + 1$ : AO (division polynomiale).

ex. $\sqrt{2-x}$ : on étudie $x\to 2^-$ (pas de limite à droite car hors domaine).

ce n’est pas une contradiction (sauf pour une AV, qu’elle ne peut pas traverser car $x=a$ interdit).

Je sais définir $\lim_{x\to a}f(x)$ et les limites à gauche/droite.

Je vérifie toujours le domaine $\ED(f)$ avant un calcul.

Si $f$ est continue en $a$, j’utilise $\lim_{x\to a}f(x)=f(a)$.

En cas de $\frac{0}{0}$, je factorise/simplifie ou je rationalise.

Si le dénominateur $\to 0$ et le numérateur $\not\to 0$, je calcule les limites unilatérales (signe !).

Je sais trouver les AV : valeurs interdites + limites infinies.

Je sais trouver les AH : limites en $\pm\infty$ (degrés pour les rationnelles).

Je sais trouver une AO : division polynomiale et $\delta(x)\to 0$.

Je sais lire la position au-dessus/dessous via $\delta(x)$.

Je peux esquisser un graphe en combinant domaine, asymptotes et comportement.