Thème Limites et continuité
Transcription
Thème Limites et continuité
Document Lycées Atelier N°1 Thème Limites et continuité 2008-2009 Programme officiel de Terminale S (extrait du BO hors série du 30 Contenus Limites Rappel de la définition de la limite d’une suite. Extension à la limite finie ou infinie d’une fonction en +∞ ou −∞. Notion de limite finie ou infinie d’une fonction en un réel a. Théorème ”des gendarmes” pour les fonctions. Limites de la somme, du produit, du quotient de deux suites ou de deux fonctions ; limite de la composée de deux fonctions, de la composée d’une suite et d’une fonction. Continuité Continuité en un point a. Continuité d’une fonction sur un intervalle. aout 2001) Modalités de mise en oeuvre Pour exprimer que f (x) tend vers L quand x tend vers +∞, on dira que :”tout intervalle ouvert contenant L contient toutes les valeurs f (x) pour x assez grand.” On montrera qu’une suite croissante non majorée tend vers l’infini. On reverra à cette occasion la notion d’asymptote oblique, en se limitant aux fonctions se mettant sous la forme ax + b + h(x), où h tend vers 0 à l’infini. On montrera sur des exemples que l’étude sur calculatrice ou au tableur d’une suite ou d’une fonction permet de conjecturer des limites qui devront ensuite être justifiées. On démontrera ce théorème lorsque la variable tend vers l’infini. On étendra ce théorème au cas des limites infinies. Il s’agit de prolonger le travail fait en première sur les suites. L’expression ”pour x assez grand” est l’analogue pour les fonctions de l’expression ”à partir d’un certain rang” utilisée pour les suites. Pour les limites en un réel a, aucune définition n’est exigée : on reprendra l’approche intuitive adoptée en classe de première. Sur un exemple, on fera le lien entre limite en un réel a et à l’infini. On pourra parler de limite à droite ou à gauche à l’occasion de certains exemples. Ces propriétés seront appliquées comme règles opératoires. On complétera les résultats énoncés en classe de première ; on se bornera à une justification intuitive (calculatoire ou graphique). On définira la continuité de f en un point a par lima f = f (a) ou lim0 f (a + h) = f (a) On illustrera la notion de continuité sur un intervalle en parlant de tracé sans lever le crayon. On présentera à titre de contre-exemple le cas de la fonction partie entière. Théorème (dit des valeurs intermédiaires) : ”soient f une fonction définie et continue sur un intervalle I et a et b deux réels dans I. Pour tout réel k compris entre f (a) et f (b), il existe un réel c compris entre a et b tel que f (c) = k”. Commentaires Ce théorème pourra être admis ou démontré à l’aide de suites adjacentes. On démontrera le corollaire suivant : ”si f est une fonction continue strictement monotone sur [a ;b], alors, pour tout réel k compris entre f (a) et f (b), l’équation f (x) = k a une solution unique dans [a ;b]”. On étendra ce corollaire au cas où f est définie sur un intervalle ouvert ou semi-ouvert, borné ou non, les limites de f aux bornes de l’intervalle étant supposées connues. On pourra approcher la solution de l’équation f (x) = k par dichotomie ou balayage avec la calculatrice ou au tableur. Les fonctions rencontrées en terminale sont le plus souvent continues sur leur intervalle d’étude ; on indiquera clairement que les fonctions construites à partir des fonctions polynômes, trigonométriques, logarithmes ou exponentielles sont continues. Démontrer qu’une fonction est continue en un point ou sur un intervalle n’est pas un objectif du programme. On conviendra, dans les tableaux de variations, que les flèches obliques traduisent la continuité et la stricte monotonie de la fonction sur l’intervalle considéré. Dans la rédaction de la solution à un problème, une simple référence au tableau de variations suffira pour justifier l’existence et l’unicité d’une solution d’une équation du type f (x) = k. - Page 1/4 - Extraits de cours Limites Définition 1 Soit f une fonction f a pour limite +∞ en +∞ si tout intervalle ouvert ]M ; +∞[ contient tous les f (x) pour x suffisamment grand (c’est à dire pour les x plus grands qu’une valeur A). Les valeurs de f (x) finissent par dépasser n’importe quel nombre M . Définition 2 Soit f une fonction f a pour limite +∞ en a si tout intervalle ouvert ]M ; +∞[ contient tous les f (x) pour x suffisamment proche de a (x ∈ ]a − α; a + α[). Interprétation graphique : La droite d’équation x = a est une asymptote verticale à la courbe. Exemple : lim+ x7→0 1 = +∞ x2 Théorème 1 Soient f , g et h trois fonctions définies sur I =]b; +∞[, et l un réel. Si, pour tout x dans I on a : g(x) ≤ f (x) ≤ h(x) et si g et h ont la même limite l en +∞, alors lim f (x) existe et vaut l. x7→+∞ Preuve : Soit un intervalle ouvert centré en l. Puisque g tend vers l en +∞, il existe un réel A à partir duquel tous les g(x) seront dans cet intervalle. De même il existe un réel B à partir duquel tous les h(x) seront dans cet intervalle. Donc dès que x dépasse max(A, B), et puisque g(x) ≤ f (x) ≤ h(x) on peut en déduire que les f (x) sont dans l’intervalle ouvert centré en l. continuité f est une fonction et I un intervalle inclus dans Df . Définition 3 Soit a ∈ I, on dit que f est continue en a si f a une limite en a (et cette limite vaut alors forcément f (a)). lim f (x) = f (a) x7→a Théorème 2 Si f est dérivable en a alors f est continue en a. f (x) − f (a) Preuve : Si f est dérivable en a alors son taux d’accroissement en a, T (x) = a pour limite f 0 (a) x−a en a. Pour x 6= a, T (x)(x − a) = f (x) − f (a) et donc f (x) = f (a) + T (x)(x − a). Or lim T (x) = f 0 (a) et lim (x − a) = 0 donc lim f (x) = f (a) ce qui prouve la continuité. x7→a x7→a x7→a - Page 2/4 - Extrait d’un Devoir surveillé Partie B Soit g la fonction définie sur R∗+ par : g(x) = x + 1 + ln x 1. Etudier les variations de g et calculer ses limites en 0 et en +∞. 2. Montrer que l’équation g(x) = 0 admet une solution unique α. Prouver que 0, 2 < α < 0, 3. 3. En déduire le signe de g sur R∗+ . Partie C On considère la fonction f définie sur R+ par : f (0) = 0 x ln x f (x) = x+1 si x > 0 On souhaite retrouver les renseignements visibles sur la courbes de f . Cette courbe est fournie en annexe et sera complétée par tous les renseignements graphiques que vous jugerez nécessaires. 1. Montrer que f est continue en 0. 2. Calculer la limite de f en +∞. 3. Montrer que f (α) = −α. 4. Calculer la dérivée de f et étudier son signe.En déduire le tableau de variations de f . 5. Déterminer une équation de la tangente à la courbe au point d’abscisse 1. Ce résultat est-il compatible avec le graphique ? 6. Déterminer la limite en +∞ de f (x) − ln x. Que peut-on en déduire au sujet des courbes de f et de ln ? Exercices • Déterminer si elle existe : lim x sin x→0 x6=0 1 x 3x + cos x 3x + 7 ≤ f (x) ≤ . Quelle est la limite de f en +∞ ? • On sait que pour tout x > 1 on a : x x−1 r −x + 1 • Calculer : lim x→−∞ x2 + 1 2x + sin x lim • Déterminer si elle existe : x→−∞ x−1 2 x + 3x − 10 • Calculer lim 2 − 9x + 14 x→2 x x>2 • On considère la fonction f définie sur R \ {4} par : f (x) = 2x2 − 7x − 3 x−4 c x−4 2. En déduire une asymptote oblique à la courbe en +∞ et −∞ 1. Déterminer a, b et c tels que f (x) = ax + b + 3. Etudier la position relative de la courbe et de son asymptote. • Calculer lim x→0 x6=0 sin x x - Page 3/4 - Sujets de Bac • Asie, juin 2008 A - Restitution organisée de connaissances ex On suppose connu le résultat suivant : lim = +∞. x→+∞ x Démontrer que : lim xe−x = 0. x→+∞ B - Etude d’une fonction On considère la fonction f définie sur R par : f (x) = (x + 1)e−x On note (C) sa représentation graphique dans un repère orthonormé (O;~i, ~j) du plan. On prendra 4 cm pour unité graphique. 1. Cette question demande le développement d’une certaine démarche comportant plusieurs étapes. La clarté du plan d’étude, la rigueur des raisonnements ainsi que la qualité de la rédaction seront prises en compte clans la notation. Etudier les variations de la fonction f et les limites aux bornes de son ensemble de définition. Résumer ces éléments dans un tableau de variations le plus complet possible. 2. Tracer la courbe (C). On fera apparaı̂tre les résultats obtenus précédemment. • Amérique du Sud, novembre 2008 Dans cet exercice, on demande aux candidats d’établir, en suivant la démarche proposée, deux résultats de cours. On rappelle que la fonction ln est définie et dérivable sur ]0 ; +∞[, positive sur [1 ; +∞[, et vérifie : ln 1 = 0 Pour tous réels strictement positifs x et y, ln(xy) = ln x + ln y 1 0 Pour tout réel strictement positifx, [ln(x)] = x ln(2) ≈ 0, 69 à 10−2 près √ 1. On considère la fonction f définie sur ]0 ; +∞[ par : f (x) = x − ln x (a) Etudier les variations de f et en déduire que f admet un minimum sur ]0 ; +∞[. √ ln x x (b) En déduire le signe de f puis que, pour tout x > 1, 0 < < . x x ln x = 0. (c) En déduire que lim x→+∞ x 2. Soit n un entier naturel non nul. On considère la fonction fn définie sur ]0 ; +∞[ par : fn (x) = ln x 1 xn En utilisant la question 1., déterminer, si elle existe, la limite en +∞ de la fonction fn . • Amérique du Sud, novembre 2006 Question 1 x Pour tout entier naturel n non nul, on considère la fonction fn définie sur ]0 ; +∞[ par : fn (x) = ln x + − 1 n 1. Déterminer les limites de fn en 0 et en +∞ puis étudier le sens de variations de fn . 2. Montrer que l’équation fn (x) = 0 admet une unique solution dans ]0 ; +∞[. On note αn cette solution. Montrer qu’elle appartient à l’intervalle [1 ; e]. • Nouvelle Calédonie, décembre 2007 Partie A : question de cours 1. Soit f une fonction réelle définie sur [a ; +∞[. Compléter la phrase suivante : « On dit que f admet une limite finie ` en +∞ si . . . » 2. Démontrer le théorème « des gendarmes » : soient f, g et h trois fonctions définies sur [a ; +∞[ et ` un nombre réel. Si g et h ont pour limite commune ` quand x tend vers +∞, et si pour tout x assez grand g(x) 6 f (x) 6 h(x), alors la limite de f quand x tend vers +∞ est égale à `. - Page 4/4 - Extraits de copies Document Lycées Atelier N°2 Thème Equations différentielles et primitives 2008-2009 Extrait du programme Certaines propriétés sont considérées comme règles opératoires (par exemple, si deux fonctions admettent une limite en un point, la limite de leur somme est la somme de leurs limites). Dire qu’une propriété est utilisée comme règle opératoire signifie qu’on n’est pas tenu d’en justifier l’usage dans une démonstration ou dans un calcul. L’étude des suites et fonctions sera motivée par la résolution de problèmes : elle n’est pas une fin en soi. Ces problèmes pourront être d’origine mathématique, physique, biologique, économique ou autre et amèneront à des recherches d’extrema, des comparaisons de fonctions, des résolutions graphiques d’équations ou d’inéquations, etc. Une bonne maîtrise des fonctions classiques (dérivées, extrema, comportements asymptotiques, courbes représentatives) est nécessaire ; elle doit permettre une certaine aisance dans les problèmes qui les mettent en jeu. La notion de continuité est introduite et permet de disposer du langage nécessaire pour énoncer les théorèmes de façon satisfaisante. L’étude théorique de la continuité des fonctions classiques est exclue. Exemple de démonstration L'existence et l'unicité de la fonction exponentielle Th : Il existe une seule et unique fonction f, dérivable sur ℝ telle que f'=f et f (0)=1. Preuve (Terracher TS): L'existence : On désigne par S(t) l'aire du domaine défini par 1 1x t et 0 y . t On interprète S t −S t 0 en terme d'aire, on encadre cette aire par celle de rectangles de hauteur respective t et t 0 . 1 1 S t −S t 0 1 On en déduit et donc que S est dérivable et que S ' t = . t t t −t 0 t0 On vérifie ensuite que la fonction inverse de S vérifie nos conditions ce qui prouve l'existence de l'exponentielle. L'unicité repose sur le théorème admis : « Si g'=0 Alors g est constante ». - Page 1/4 - Exemples d'exercices Exemple 1 Résolution de l’équation différentielle (1) : y '− 2 y = xe x 1. Résoudre l’équation différentielle (2) : y '− 2 y = 0 , où y désigne une fonction dérivable sur IR. 2. Soient soit u la fonction définie sur IR par u ( x) = − ( x + 1)e x . a) Montrer que u est solution de l’équation (1). b) Montrer que v est une solution de (1) si, et seulement si, v – u est solution de (2). c) En déduire l’ensemble des solutions de (1). 3. Déterminer la solution de l’équation (1) qui s’annule en 0. Exemple 2 Calculer l’intégrale : I = ∫ 2 1 1 − 1t e d t , puis, à l’aide d’une intégration par parties : J = t2 ∫ 2 1 1 − 1t e dt t3 Exemple 3 On se propose de calculer I = ∫ 2 1 x[ln( x + 1) − ln( x )]dx x dx ( On pourra chercher deux réels a et b tels que x = a + b ) 1+ x 1+ x 1+ x Calculer I en utilisant une intégration par parties. 1) Calculer J = 2) ∫ 2 1 Exemple 4 1 n 1− x dx Soit I n =∫ x e 0 1) Montrer que , pour tout x de [0,1], x n x n e 1−x e x n 1 n 2) Exprimer, en fonction de l'entier n, J n=∫ x dx 0 1 e In ? ≤ In ≤ 3) En déduire que . Que vaut xlim → +∞ n+ 1 n+ 1 - Page 2/4 - Sujets de BAC France 2007: France 2006 - Page 3/4 - Amérique du Sud 2008 - Page 4/4 - Document Lycées Atelier N°3 Thème Géométrie 2008-2009 Géométrie en terminale S Programme officiel. Enseignement obligatoire : CONTENUS Produit scalaire dans l’espace Rappels sur le produit scalaire dans le plan. Définition du produit scalaire de deux vecteurs dans l’espace. Propriétés, expression en repère orthonormal. Droites et plans dans l’espace Caractérisation barycentrique d’une droite, d’un plan, d’un segment, d’un triangle. Représentation paramétrique d’une droite de l’espace. Intersection de deux plans, d’une droite et d’un plan, de trois plans. Discussion géométrique; discussion algébrique MODALITÉS DE MISE EN OEUVRE COMMENTAIRE S Expression en repère orthonormal de la distance d’un point à une droite dans le plan. Plan orthogonal à un vecteur passant par un point. Equation cartésienne en repère orthonormal. Expression de la distance à un plan. Inéquation définissant un demi-espace. On généralisera aux vecteurs de l’espace la définition du produit scalaire donnée dans le plan; à cette occasion, on présentera la projection orthogonale sur une droite ou sur un plan. On reprendra les problèmes d’alignement et de concours déjà abordés en classe de première. On fera clairement apparaître que les problèmes géométriques considérés ici sont aussi l’étude des systèmes d’équations linéaires, que l’on résoudra algébriquement. On traitera aussi quelques situations numériques (issues de l’analyse, de situations économiques ou autres) s’y ramenant. Les élèves doivent aussi savoir qu’une droite de l’espace peut être représentée par un système de deux équations linéaires. Sections de cônes et cylindres illimités d’axes (Oz) par des plans parallèles aux plans de coordonnées. L’objectif est de montrer qu’une fonction de deux variables peut être représentée par une surface et que des études de coupes par des plans permettent leur étude à l’aide des outils déjà vus pour les fonctions d’une variable. Pour les sections de cônes, on pourra faire le lien avec les hyperboles d’équations xy=k. Surfaces d’équation z=x2+y2 ou z=xy coupées par des plans parallèles de coordonnées. On visualisera sur écran les surfaces aux plans étudiées. On entraînera à la reconnaissance des surfaces à partir de coupes parallèles à un plan, et on associera les visions géométrique et analytique. Enseignement de spécialité : Sections planes de surfaces - Page 1/4 - Exemples de TD : (Extrait de Math’x pour les 3 premiers) TD 1 : Barycentre : constructions et lieux. Objectif : Utiliser l’homogénéité et l’associativité du barycentre, l’appartenance à un plan, à une droite, à un segment. On considère un cube ABCDA’B’C’D’, I est le centre de la face A’B’C’D’ et m un réel. Soit Gm le barycentre des points pondérés (B’ ; m), (C’ ; 4m), (D’ ; m) et (B ; 6 – 6m). 1) a. Justifier l’existence de Gm pour tout réel m. b. Représenter la figure et placer les points G0 , G1, G0,5 et G2. 2) Montrer que Gm appartient au plan (BA’C’). 3) a. Montrer que pour tout réel m non nul, Gm est le barycentre des points B et G1. b. Déterminer l’ensemble de points Gm quand m décrit IR . c. Quel ensemble doit décrire m pour que Gm décrive le segment [BG1] ? TD2 : Intersections de droites et plans de l’espace. Objectif : Etudier l’intersection de deux droites, d’une droite et d’un plan par l’utilisation des représentations géométriques. ABCDEFGH est un cube d’arête égale à 1. On note I et J les milieux respectifs des segments [AB] et [CG]. On prend pour repère orthonormal de l’espace le repère 1) a. Reproduire la figure et la compléter au fur et à mesure. b. Donner les sommets des huit sommets du cube et des points I et J. c. Ecrire une représentation paramétrique des droites (BH) et (IJ). d. Etudier l’intersection de ces deux droites. 2) Soit L le point d’intersection du plan (FIJ) et de la droite (BH). a. Justifier l’existence de réels λ et µ tels que : Montrer que les coordonnées (x, y, z) du point L sont : b. En utilisant les questions 1c et 2a, déterminer les coordonnées du point L. 3) a. Ecrire une représentation graphique de la droite (FL). b. Déterminer les coordonnées du point P, intersection des droites (IJ) et (FL). c. Montrer que P est le centre de gravité du triangle ABJ. - Page 2/4 - TD3 : Produit scalaire et maximum. Objectif : Optimiser la mesure d’un angle. ABCDEFGH est un cube d’arête a. M un point de la diagonale [HB]. On souhaite déterminer la position du point M pour que l’angle AMˆ C soit maximum. 1) A l’aide d’un logiciel de géométrie dynamique, réaliser la figure puis émettre une conjecture. 2) a. Montrer que MA = MC. 3) a2 ˆ b. On pose x = AMC . Montrer que = 1 − cos( x) . MA 2 a. Déterminer les variations de la fonction x → 1 − cos( x) sur [0; π ] . b. En déduire que x est maximal lorsque MA est minimale. Que représente alors le point M sur la droite (HB) pour le point A ? c. Montrer que x est maximal pour MA 2 = 2a 2 3 d. En déduire la valeur maximale de AMˆ C . TD4 : Enseignement de spécialité (Collection Indice) - Page 3/4 - Exercice type-bac. Juin 2007 – Liban Pour chacune des 5 propositions suivantes, indiquer si elle est vraie ou fausse et donner une démonstration de la réponse choisie. Une réponse non démontrée ne rapporte aucun point. L’espace est muni d’un repère orthonormal (O; i , j , k ) . t x = 2− 2 On considère la droite (d) dont un système d’équations paramétriques est : y = 1 3t z = 5− 2 ( t ∈ IR ) On note A le point de coordonnées (2 ; -1 ; 1), B le point de coordonnées (4 ; -2 ; 2) et C le point de (d) d’abscisse 1. Proposition 1. « La droite (d) est parallèle à l’axe (O; j ) » Proposition 2. « Le plan (P) d’équation x + 3z – 5 = 0 est le plan passant par A et orthogonal à (d) » Proposition 3. « La mesure de l’angle géométrique BAˆ C est de π radians. » 3 Soit G le barycentre des points pondérés (A ; -1), (B ; 1) et (C ; 1). Proposition 4. « Les segments [AG]et [BC) ont le même milieu. » Proposition 5. « La sphère de centre C et passant par B coupe le plan (P) d’équation x + 3z – 5 = 0 .» - Page 4/4 - Document Lycées Atelier N°4 Thème Les TICE et l ’usage de la calculatrice 2008-2009 TICE & Mathématiques Objectifs, Logiciels & thèmes thè Par Agnés Lenfant & Mustapha Rachidi Février 2009 1 Contenu z z z z 2 Tice : quels objectifs ? Comment s'intègre les Tice en classe ? Q l logiciels Quels l i i l ? Eléments pour le montage d’une séquence Tice 2 Terminologie TICE = Technologies de l'Information et de la Communication pour l'Éducation. Il s’agit d’actions visant à introduire les nouvelles technologies dans l'enseignement (TICE=TIC+Education). (TICE=TIC+Education) 3 3 Quels Objectifs? Extrait du texte de l'IG de mathématiques z z L objectif de l'enseignement L'objectif l enseignement des mathématiques est de développer conjointement et progressivement les capacités d'expérimentation et de raisonnement, d'imagination et d'analyse critique. …. Par ses spécificités, l'outil i f informatique ti complète lèt les l moyens à la disposition des enseignants et des élèves pour mettre en œuvre ces différents aspects d'une d une véritable activité mathématique…… Extrait du texte de l'IGM : "Les technologies de ll'information information et de la communication dans l'enseignement des mathématiques au collège et au lycée" 4 4 Quels objectifs? Un outil pédagogique z La pratique de l’enseignant l enseignant lors des séquences de cours (visualisation de propriétés, explications, …) z Familiariser l’élève avec une autre façon de travailler les mathématiques : visualisation de propriétés propriétés, conjecture conjecture, preuve. z Familiariser l’élève avec le travail en autonomie z Faire acquérir aux élèves des techniques de travail avec des logiciels 5 5 Les Tice en classe z z En salle de cours avec un vidéo projecteur: j t z Aborder les notions difficiles du cours z Familiariser les élèves avec un logiciel En salle informatique : z z z Approfondir des propriétés du cours; Découvrir de nouvelles propriétés; Conjecturer des résultats. z Devoirs maison avec une partie utilisant un logiciel; z 6 Thèmes è de travail en groupe sur des problèmes ouverts avec utilisation d’un logiciel. 6 Phases proposées z z z z 7 Phase 1 – Modélisation du problème posé Phase 2 – Expérimentation : Mise en place avec un logiciel adapté. Phase 3 – Formulation d’une conjecture. Phase 4 – Approfondissement de la validité de la conjecture Phase 5 – Validation de la conjecture par une démonstration. 7 Quels logiciels? Tableurs z z z z z z z 8 OpenOffice (libre) Excel Star Office Pour traiter Etude des données statistique Etude des fonctions Simulation & Probabilité Etc… 8 Quels logiciels? Logiciels de géométrie dynamique z z z z z z z 9 Geogebra (libre) Geoplan (libre) Geospce (libre) Pour traiter Géométrie Géométrie dans l’espace Etudes de fonctions Etc… 9 Quelques sites utiles Le site académique http://www.ac-reims.fr/ (prise en charge de l’élève puis discipline) ¾ Eduscol http://eduscol.education.fr/ ¾ Educnet htt // d http://educnet.education.fr/ t d ti f / ¾ 1 0 10