Limite (mathématiques élémentaires)

Limite (mathématiques élémentaires)
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La notion de limite est très intuitive malgré sa formulation abstraite. Pour les mathématiques élémentaires, il convient de distinguer une limite en un point réel fini (pour une fonction numérique) et une limite en +\infty ou -\infty (pour une fonction numérique ou une suite), ces deux cas apparemment différents pouvant être unifiés à travers la notion topologique de voisinage.

Les limites servent (entre autres) à définir les notions fondamentales de continuité et de dérivabilité.

Pour une présentation générale, plus complète et plus abstraite, se référer à Limite (mathématiques).

Sommaire

Limite d'une fonction en un point p

On s'intéresse ici à une fonction définie sur un ensemble Df et à un réel p situé au voisinage de Df, c'est-à-dire un réel p tel que Df contienne un intervalle de la forme ]p, p + h] ou [p - h, p[ ou [p - h, p + h] privé de p.

Ainsi, lorsque Df est un intervalle (ouvert ou fermé) dont les bornes sont a et b, on peut chercher une limite en tout point de l'intervalle fermé [a, b]. On peut aussi, par exemple, chercher la limite de la fonction x \mapsto 1/x en tout point de \R. En revanche, on ne cherchera pas de limite en 0 pour les fonctions x \mapsto \sqrt{x^2-1} ou x \mapsto \sqrt{x^4-x^2} car 0 n'est pas au voisinage du domaine de définition.

Limites finies

Pour tout x δ-proche de c, f(x) est ε-proche de L.

Si f\,\! est une fonction numérique et p\,\! un point de \R, on dira[1] que le réel L\,\! est la limite de f\,\! en p\,\! si :

  • intuitivement : f(x)\,\! se rapproche de L à mesure que x\,\! se rapproche de p\,\! ;
  • plus rigoureusement, pour tout « écart de tolérance » \epsilon > 0\,\! on peut trouver un « écart de confiance » \delta > 0\,\! tel que, dès que x\,\! (appartenant à D_f\,\!) est proche de p\,\! à \delta\,\! près, alors f(x)\,\! est proche de L à \epsilon\,\! près :

(x\in D_f~\textrm{et}~p-\delta\le x\le p+\delta)~\Rightarrow~L-\epsilon\le f(x)\le L+\epsilon

Autrement dit, on peut rendre f(x)\,\! aussi proche de L\,\! que souhaité sur un intervalle, si petit soit-il, autour de p\,\!.

Dans ce cas on écrira \lim_{x \to p}f(x)=L.

Limites infinies

Il se peut aussi qu'au point p\,\! la fonction f\,\! n'ait pas de limite finie mais une limite infinie : à mesure que l'on se rapproche de p\,\! la valeur de f\,\! devient de plus en plus « proche » de +\infty\,\! (respectivement -\infty\,\!), c'est-à-dire de plus en plus grande (resp. plus grande en valeur absolue mais avec un signe négatif). La formulation mathématique est alors la suivante : pour tout « seuil de tolérance » M\,\! on peut trouver un « écart de confiance » \delta > 0\,\! tel que, dès que x\,\! (appartenant à D_f\,\!) est proche de p\,\! à \delta\,\! près, alors f(x)\,\! est plus grande (resp. plus petite) que M\,\! :

(x\in D_f~\textrm{et}~p-\delta\le x\le p+\delta)~\Rightarrow~f(x)\ge M

(resp. (x\in D_f~\textrm{et}~p-\delta\le x\le p+\delta)~\Rightarrow~f(x)\le M)

Autrement dit, on peut rendre f(x)\,\! aussi proche de \pm\infty\,\! que souhaité sur un intervalle, si petit soit-il, autour de p\,\!.

Dans ce cas, on écrira \lim_{x \to p}f(x) = +\infty\,\! (ou \lim_{x \to p}f(x) = -\infty\,\!).

Limites à gauche, à droite

Il arrive que le comportement local de la fonction f\,\! soit différent « à gauche » de p\,\! (c'est-à-dire pour les x<p\,\!) et « à droite » de p\,\! (c'est-à-dire pour les x>p\,\!). Par exemple, une fonction peut admettre une limite à droite mais pas à gauche, ou alors admettre deux limites différentes de chaque côté.

On est donc amené à introduire les notions de limite à droite et à gauche ; la seule différence avec les limites épointées expliquées ci-dessus est qu'on impose la proximité de f(x)\,\! avec L\,\! ou \pm\infty\,\! seulement d'un seul côté de p\,\!. Les définitions et notations correspondantes deviennent donc :

  • pour la limite à gauche :
\lim_{x\to p,x<p}f(x)=L~\! (qu'on note aussi : \lim_{x\to p^-}f(x)=L~\!) lorsque
(x\in D_f~\textrm{et}~p-\delta\le x<p)~\Rightarrow~L-\epsilon\le f(x)\le L+\epsilon
\lim_{x\to p,x<p}f(x)=+\infty~\! (qu'on note aussi : \lim_{x\to p^-}f(x)=+\infty~\!) lorsque
(x\in D_f~\textrm{et}~p-\delta\le x<p)~\Rightarrow~f(x)\ge M
  • pour la limite à droite :
\lim_{x\to p,x>p}f(x)=L~\! (qu'on note aussi : \lim_{x\to p^+}f(x)=L~\!) lorsque
(x\in D_f~\textrm{et}~p<x\le p+\delta)~\Rightarrow~L-\epsilon\le f(x)\le L+\epsilon
\lim_{x\to p,x>p}f(x)=+\infty~\! (qu'on note aussi : \lim_{x\to p^+}f(x)=+\infty~\!) lorsque
(x\in D_f~\textrm{et}~p<x\le p+\delta)~\Rightarrow~f(x)\ge M

Les notions de limites à droite et à gauche sont moins restrictives que la notion classique de limite « bilatérale » : une fonction peut avoir une limite à gauche et une limite à droite sans avoir de limite ni même de limite épointée. En fait on a les propriétés suivantes :

  • pour une fonction non définie en p : une fonction a une limite en p \,\! si et seulement si elle a une limite (éventuellement infinie) à gauche L_g\,\! et une limite à droite L_d\,\! et qu'elles sont égales : L_g=L_d\,\!
  • pour une fonction définie en p : une fonction a une limite en p \,\! si et seulement si[1] elle a une limite à gauche L_g\,\! et une limite à droite L_d\,\! et qu'elles sont égales toutes deux à f(p) : L_g=L_d=f(p)\,\!

Exemple :

Limgauchedroite.png

Pour la fonction ci-contre, on a :

f(0)=-1,\qquad\lim_{x\to 0^-}f(x)=1,\qquad\lim_{x\to 0^+}f(x)=-1.

Absence de limite en un point

Sinus1surx.png

Une fonction peut très bien ne pas avoir de limite du tout en un point.

Par exemple, x \mapsto \sin(1/x) n'a pas de limite en 0 (ni même de limite à gauche ou à droite).

Limite d'une fonction en ±∞

On s'intéresse ici, non plus au comportement local d'une fonction en un point réel fini mais à son comportement « aux limites », soit quand x\,\! croît indéfiniment (limite en +\infty) soit quand x\,\! décroît indéfiniment (limite en -\infty). Cette étude ne concerne donc que des fonctions définies au voisinage de \pm \infty, c'est-à-dire des fonctions dont l'ensemble de définition contient un intervalle de la forme [M, + \infty[ ou ] - \infty, m].

On peut noter que dans ce cadre la notion de limite à droite ou à gauche n'a plus de sens ; en fait les limites en +\infty sont toujours des limites à gauche et les limites en -\infty sont toujours des limites à droite.

Limites finies

Pour tout x > S, f(x) est ε-proche de L.

Dire que la fonction f\,\! admet la limite finie L\,\! en +\infty revient à dire que f(x) \,\! se rapproche de L\,\! à mesure que x\,\! grandit (ou « tend vers plus l'infini »).

Mathématiquement, cela se traduit par le fait que pour tout « écart de tolérance » \epsilon>0 \,\! on peut donner un « seuil de confiance » M>0 \,\! au-delà duquel la fonction restera dans l'intervalle de tolérance, de centre L\,\! et de rayon \epsilon \,\! : (x\in D_f~\textrm{et}~x\geq M)~\Rightarrow~L-\epsilon\le f(x)\le L+\epsilon

Autrement dit, on peut rendre f(x)\,\! aussi proche de L\,\! que souhaité à partir d'un certain seuil, si lointain soit-il.

Dans ce cas on écrira \lim_{x\to+\infty}f(x)=L\,\!.

Tout ceci s'adapte facilement dans le cas d'une limite en -\infty : on dit que f(x)\,\! tend vers L\,\! quand x tend vers -\infty si pour un écart \epsilon > 0 \,\! on peut trouver un seuil M < 0 \,\! tel que : (x\in D_f~\textrm{et}~x\le M)~\Rightarrow~L-\epsilon\le f(x)\le L+\epsilon et on écrira alors \lim_{x\to-\infty}f(x)=L\,\!.

Limites infinies

Cas où la limite de f est +∞ quand x tend vers +∞

Limite x to +infty f(x) to +infty.png
\lim_{x\to+\infty}f(x) = +\infty

Idée intuitive : On dit que f(x) tend vers +\infty quand x tend vers +\infty lorsque pour x suffisamment grand, f(x) peut devenir aussi grand que l'on veut.

Formulation mathématique : On dit que f(x) tend vers +\infty quand x tend vers +\infty lorsque quel que soit le réel M, il existe x0 tel que quel que soit x > x0, f(x) > M.

Notation : Dans ce cas, on note \lim_{x\to+\infty}f(x) = +\infty.

Autres cas

Les autres cas sont résumés par les trois graphiques suivants :

Limite x to +infty f(x) to -infty.png Limite x to -infty f(x) to +infty.png Limite x to -infty f(x) to -infty.png
\lim_{x\to+\infty}f(x) = -\infty \lim_{x\to-\infty}f(x) = +\infty \lim_{x\to-\infty}f(x) = -\infty

Absence de limite en l'infini

Sinuspetit.png

Une fonction peut très bien ne pas avoir de limite en l'infini. La fonction sinus en est un exemple typique.

Limite d'une suite

Article détaillé : Limite de suite.

Introduction

Les suites sont le type particulier des fonctions dont le domaine de définition est \N \,\! ou une partie de \N \,\!. Il est donc inutile de considérer la limite éventuelle d'une suite en un point a\,\! négatif, ou non-entier, ou encore en -\infty \,\!. Ce qui nous laisse comme possibilités a priori, les entiers naturels et +\infty \,\!.

Mais on voit rapidement que l'étude de la limite d'une suite en un entier n\,\! serait inintéressante ; en effet l'ensemble \N \,\! est discret c'est-à-dire que ses points « ne sont pas voisins les uns des autres », et donc il est sans intérêt d'étudier le comportement local d'une suite. Ainsi le seul cas de figure envisageable est le cas de la limite d'une suite en +\infty \,\!, et on parlera donc de « limite d'une suite » sans préciser qu'il s'agit d'une limite en +\infty \,\!. On pourra même noter \lim (u_n) \,\! au lieu de \lim_{n \to +\infty} (u_n) \,\!.

Définition, convergence, divergence

La définition d'une suite découle assez naturellement de la restriction à une fonction définie sur \N \,\! de la définition de la limite en +\infty \,\! d'une fonction quelconque.

  • Cas d'une limite finie l \,\! : pour tout « écart de tolérance » \epsilon > 0 \,\! il existe un « rang de confiance » N_0 \in \N \,\! tel que, pour n \,\! à partir du rang N_0 \,\!, la valeur u_n \,\! est proche de l \,\! à \epsilon \,\! près :

n \geq N_0 \ \Rightarrow l-\epsilon \leq u_n \leq l+\epsilon \,\!

On note alors \lim (u_n) = l \,\!, et on dit que (u_n) \,\! tend (ou plutôt converge) vers l \,\!.

Une suite qui admet une limite finie est dite convergente. On a la propriété suivante : Toute suite convergente est bornée.

  • Cas d'une limite infinie : pour tout « seuil de tolérance » M \,\! on peut trouver un « rang de confiance » à partir duquel les valeurs de (u_n) \,\! sont supérieures (resp. inférieures) à M \,\! :
    • n \geq N_0 \ \Rightarrow u_n \geq M \,\! pour \lim (u_n) = +\infty \,\!
    • n \geq N_0 \ \Rightarrow u_n \leq M \,\! pour \lim (u_n) = -\infty \,\!

On dit alors que (u_n) \,\! tend (ou plutôt diverge) vers +\infty \,\! (resp. vers -\infty \,\!).

NB : on parle de suite convergente seulement lorsqu'une suite admet une limite finie, et de suite divergente dans tous les autres cas, c'est-à-dire pour les suites divergeant vers \pm\infty \,\! ou pour les suites n'ayant pas de limite.

Exemples:

un = 1 / n tend vers 0
un = n tend vers +\infty
un = ( − 1)n prend alternativement les valeurs 1 et -1 et n'a aucune limite.

Théorèmes assurant la convergence

Théorème 1 : toute suite majorée croissante est convergente.

Théorème 2 : toute suite minorée décroissante est convergente.

Suites extraites

On appelle suite extraite de la suite (u_n) \,\! une suite qu'on construit en énumérant les termes de (u_n) \,\! sauf certains qu'on laisse de côté ; ainsi on ne garde qu'une partie de l'information. L'exemple le plus classique est celui des suites (u_{2n}) \,\! qui est formée par les termes de rang pair, et (u_{2n+1}) \,\! qui est formée par les termes de rang impair.

Plus généralement, on appelle « extraction » toute application \phi \ : \ \N \rightarrow \N \,\! strictement croissante. Alors une suite extraite est une suite de la forme (u_{\phi(n)}) \,\!.

Une propriété importante est que si une suite (u_n) \,\! admet une limite (finie ou infinie) alors toute suite extraite (u_{\phi(n)}) \,\! admet la même limite.

NB : la réciproque est en général fausse, ainsi qu'on peut le constater en prenant la suite (u_n) = (-1)^n \,\! ; alors (u_{2n}) \,\! est la suite constante égale à 1 \,\! et donc elle converge vers 1 \,\!, ce qui n'est pas le cas de la suite (u_n) \,\! qui est divergente.

On peut par contre affirmer : Si les suites (u_{2n}) \,\! et (u_{2n+1}) \,\! admettent la même limite, alors la suite (u_n) \,\! admet elle aussi cette limite commune. On peut donc ramener l'étude de la convergence d'une suite à celle des suites de rangs pair et impair qui peuvent s'avérer plus simples.

Notes

  1. ↑ a et b C'est cette définition de limite d'une fonction qui est désormais en vigueur en France (programmes - plus ou moins précis - régulièrement publiés au Bulletin officiel) dans l'enseignement secondaire et les classes préparatoires, supplantant la définition historique de Weierstrass qui correspond à celle appelée dès lors « limite épointée » ou « limite par valeurs différentes » ([1]). Mais dans les universités françaises (et dans les autres pays [2]), la définition « historique » reste parfois celle enseignée : cf par exemple Mathématiques L1, Cours complet avec 1000 tests et exercices corrigés sous la direction de J.-P. Marco et L. Lazzarini (2007) Pearson, ISBN 9782744072581, p. 691-692, ou encore Mathématiques. Tout-en-un pour la Licence. Niveau L1 sous la direction de J.-P. Ramis et A. Warusfel (2006) Dunod, ISBN 210049614X, p. 588.

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