Dérivation et Calcul différentiel

La règle du marquis de L'Hôpital - Exercice 1

45 min
70
Calculer les limites proposées ci-dessous.
Question 1

limx11xarccos(x)\lim_{x \, \longrightarrow \, 1}\dfrac{1-x}{\arccos(x)}

Correction
On constate que cette limite est une forme indéterminée du type 00\dfrac{0}{0}.
La fonction présente au numérateur x1xx \longmapsto 1-x est dérivable, et donc continue, sur R\mathbb{R}.Donc, on a :
(1x)=1\left( 1-x \right)' = -1
Puis, la fonction qui est présente au dénominateur xarccos(x)x \longmapsto \arccos(x) est dérivable, et donc continue, sur l'intervalle ]1;1[]-1\,;\,1[. On a alors :
(arccos(x))=11x2(arccos(x))x=1R\left( \arccos(x) \right)' = - \dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}} \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \left( \arccos(x) \right)'_{x=1} \notin\mathbb{R}
Nous pouvons donc écrire (puisque lorsque x1x \longmapsto 1 cela signifie que x1x\neq 1) que :
limx1(1x)(arccos(x))=limx1111x2=limx11x2\lim_{x \, \longrightarrow \, 1}\dfrac{\left(1-x\right)'}{\left(\arccos(x)\right)'} = \lim_{x \, \longrightarrow \, 1}\dfrac{-1}{- \dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}}} = \lim_{x \, \longrightarrow \, 1} \sqrt{1-x^2}
On remarque que la fonction x1x2x \longmapsto \sqrt{1-x^2} est définie sur l'intervalle [1;1][-1\,;\,1]. Donc, dans le calcul de notre limite, xx tend vers 11^-, donc par valeur inférieure à 11. Donc, posons x=1εx=1-\varepsilon, avec ε>0\varepsilon > 0 et ε0\varepsilon \, \longrightarrow \, 0. Donc, on obtient :
limx11x2=limε01(1ε)2=limε01(12ε+ε2)=limε011+2εε2\lim_{x \, \longrightarrow \, 1} \sqrt{1-x^2} = \lim_{\varepsilon \, \longrightarrow \, 0} \sqrt{1-(1-\varepsilon)^2} = \lim_{\varepsilon \, \longrightarrow \, 0} \sqrt{1-(1 - 2\varepsilon + \varepsilon^2)} = \lim_{\varepsilon \, \longrightarrow \, 0} \sqrt{1-1 + 2\varepsilon - \varepsilon^2}
Ce qui nous donne :
limx11x2=limε02εε2=limε0ε(2ε)=0\lim_{x \, \longrightarrow \, 1} \sqrt{1-x^2} = \lim_{\varepsilon \, \longrightarrow \, 0} \sqrt{ 2\varepsilon - \varepsilon^2} = \lim_{\varepsilon \, \longrightarrow \, 0} \sqrt{ \varepsilon \left( 2- \varepsilon\right)} = 0
Ce qui nous permet d'écrire que :
limx1(1x)(arccos(x))=0\lim_{x \, \longrightarrow \, 1}\dfrac{\left(1-x\right)'}{\left(\arccos(x)\right)'} = 0
De fait, on obtient :
limx1(1x)(arccos(x))=0limx11xarccos(x)=0\lim_{x \, \longrightarrow \, 1}\dfrac{\left(1-x\right)'}{\left(\arccos(x)\right)'} = 0 \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \lim_{x \, \longrightarrow \, 1}\dfrac{1-x}{\arccos(x)} = 0
Finalement :
limx11xarccos(x)=0{\color{red}{\boxed{ \lim_{x \, \longrightarrow \, 1}\dfrac{1-x}{\arccos(x)} = 0 }}}
Graphiquement, cela se vérifie :

Question 2

limx0cos(2x)1x2(x+5)\lim_{x \, \longrightarrow \, 0}\dfrac{\cos(2x)-1}{x^2(x+5)}

Correction
On a une limite qui se présente sous la forme d'une forme indéterminée du type 00\dfrac{0}{0}.
La fonction présente au numérateur xcos(2x)1x \longmapsto \cos(2x)-1 est dérivable, donc continue, sur R\mathbb{R}. Et on a :
(cos(2x)1)=2sin(2x)(cos(2x)1)x=0=2sin(2×0)=2×0=0\left( \cos(2x)-1 \right)' = -2\sin(2x) \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \left( \cos(2x)-1 \right)'_{x=0} = -2\sin(2\times 0) = -2 \times 0 = 0
Puis, la fonction présente au dénominateur xx2(x+5)=x3+5x2x \longmapsto x^2(x+5) = x^3 + 5x^2 est dérivable, donc continue, sur R\mathbb{R}. Et on a :
(x2(x+5))=3x2+10x(x2(x+5))x=0=3×02+10×0=0\left( x^2(x+5) \right)' = 3x^2 + 10x \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \left( x^2(x+5) \right)'_{x=0} = 3\times 0^2 + 10 \times 0 = 0
Ainsi, la limite limx0(cos(2x)1)(x2(x+5))\lim_{x \, \longrightarrow \, 0}\dfrac{\left(\cos(2x)-1\right)'}{\left(x^2(x+5)\right)'} se présente sous la forme d'une forme indéterminée du type 00\dfrac{0}{0}. On va donc réitérer la procédure. La fonction présente au numérateur xcos(2x)1x \longmapsto \cos(2x)-1 est deux fois dérivable, donc continue, sur R\mathbb{R}. Et on a :
(cos(2x)1)=(2sin(2x))=4cos(2x)(cos(2x)1)x=0=4cos(2×0)=4×1=4\left( \cos(2x)-1 \right)'' = \left(-2\sin(2x)\right)' = -4\cos(2x) \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \left( \cos(2x)-1 \right)''_{x=0} = -4\cos(2\times 0) = -4 \times 1 = -4
Puis, la fonction présente au dénominateur xx2(x+5)=x3+5x2x \longmapsto x^2(x+5) = x^3 + 5x^2 est deux fois dérivable, donc continue, sur R\mathbb{R}. Et on a :
(x2(x+5))=(3x2+10x)=6x+10(x2(x+5))x=0=6×0+10=10\left( x^2(x+5) \right)'' = \left(3x^2 + 10x\right)' = 6x + 10 \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \left( x^2(x+5) \right)''_{x=0} = 6\times 0 + 10 = 10
On en déduit donc que :
limx0(cos(2x)1)(x2(x+5))=410=25\lim_{x \, \longrightarrow \, 0}\dfrac{\left(\cos(2x)-1\right)''}{\left(x^2(x+5)\right)''} = \dfrac{-4}{10} = - \dfrac{2}{5}
Ainsi :
limx0(cos(2x)1)(x2(x+5))=25limx0(cos(2x)1)(x2(x+5))=25limx0cos(2x)1x2(x+5)=25\lim_{x \, \longrightarrow \, 0}\dfrac{\left(\cos(2x)-1\right)''}{\left(x^2(x+5)\right)''} = - \dfrac{2}{5} \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \lim_{x \, \longrightarrow \, 0}\dfrac{\left(\cos(2x)-1\right)'}{\left(x^2(x+5)\right)'} = - \dfrac{2}{5} \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \lim_{x \, \longrightarrow \, 0}\dfrac{\cos(2x)-1}{x^2(x+5)} = - \dfrac{2}{5}
Finalement :
limx0cos(2x)1x2(x+5)=25{\color{red}{\boxed{ \lim_{x \, \longrightarrow \, 0}\dfrac{\cos(2x)-1}{x^2(x+5)} = - \dfrac{2}{5} }}}
Question 3

limx0arctan(2x)sin(3x)\lim_{x \, \longrightarrow \, 0}\dfrac{\arctan(2x)}{\sin(3x)}

Correction
On a à faire à une forme indéterminée du type 00\dfrac{0}{0}.
La fonction du numérateur xarctan(2x)x \longmapsto \arctan(2x) est dérivable sur R\mathbb{R}, donc y est continue également. De plus :
(arctan(2x))=21+4x2(arctan(2x))x=0=21+4×02=2\left(\arctan(2x)\right)' = \dfrac{2}{1+4x^2} \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \left(\arctan(2x)\right)'_{x=0} = \dfrac{2}{1+4 \times 0^2} = 2
Puis, la fonction du dénominateur xsin(3x)x \longmapsto \sin(3x) est dérivable sur R\mathbb{R}, donc y est continue également. De plus :
(sin(3x))=3cos(x)(sin(3x))x=0=3cos(0)=3×1=3\left(\sin(3x)\right)' = 3\cos(x) \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \left(\sin(3x)\right)'_{x=0} = 3\cos(0) = 3\times 1 = 3
Ceci nous permet d'écrire que :
limx0(arctan(2x))(sin(3x))=23\lim_{x \, \longrightarrow \, 0}\dfrac{\left(\arctan(2x)\right)'}{\left(\sin(3x)\right)'} = \dfrac{2}{3}
Donc :
limx0(arctan(2x))(sin(3x))=23limx0arctan(2x)sin(3x)=23\lim_{x \, \longrightarrow \, 0}\dfrac{\left(\arctan(2x)\right)'}{\left(\sin(3x)\right)'} = \dfrac{2}{3} \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \lim_{x \, \longrightarrow \, 0}\dfrac{\arctan(2x)}{\sin(3x)} = \dfrac{2}{3}
Finalement :
limx0arctan(2x)sin(3x)=23{\color{red}{\boxed{ \lim_{x \, \longrightarrow \, 0}\dfrac{\arctan(2x)}{\sin(3x)} = \dfrac{2}{3} }}}
Question 4

limx01cos(5x)x(x2)tan(3x)\lim_{x \, \longrightarrow \, 0}\dfrac{1-\cos(5x)}{x(x-2)\tan(3x)}

Correction
On note I=[110;110]I = \left[ - \dfrac{1}{10} \,;\, \dfrac{1}{10} \right]. On constate que 0I0 \in I.
La limite étudiée est une forme indéterminée du type 00\dfrac{0}{0}.
La fonction x1cos(5x)x \longmapsto 1-\cos(5x) est dérivable, donc continue, sur II. On a alors :
(1cos(5x))=5sin(5x)(1cos(5x))x=0=5sin(5×0)=5×0=0\left( 1-\cos(5x) \right)' = 5\sin(5x) \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \left( 1-\cos(5x) \right)'_{x=0} = 5\sin(5 \times 0) = 5 \times 0 = 0
Puis, la fonction xx(x2)tan(3x)x \longmapsto x(x-2)\tan(3x) est dérivable, donc continue, sur II. On a alors :
(x(x2)tan(3x))=2(x1)tan(3x)+3x(x2)cos2(3x)(x(x2)tan(3x))x=0=0\left( x(x-2)\tan(3x) \right)' = 2(x-1) \tan(3x) + \dfrac{3x(x-2)}{\cos^2(3x)} \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \left( x(x-2)\tan(3x) \right)'_{x=0} = 0
De fait, la limite limx0(1cos(5x))(x(x2)tan(3x))\lim_{x \, \longrightarrow \, 0}\dfrac{\left(1-\cos(5x)\right)'}{\left(x(x-2)\tan(3x)\right)'} est également une forme indéterminée du type 00\dfrac{0}{0}. On va reconduire la procédure.
La fonction x1cos(5x)x \longmapsto 1-\cos(5x) est deux fois dérivable, donc continue, sur II. On a alors :
(1cos(5x))=(5sin(5x))=25cos(5x)(1cos(5x))x=0=25cos(5×0)=25×1=25\left( 1-\cos(5x) \right)'' = \left(5\sin(5x)\right)' = -25\cos(5x) \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \left( 1-\cos(5x) \right)''_{x=0} = -25\cos(5 \times 0) = -25 \times 1 = - 25
Puis, la fonction xx(x2)tan(3x)x \longmapsto x(x-2)\tan(3x) est deux fois dérivable, donc continue, sur II. On a alors :
(x(x2)tan(3x))=(2(x1)tan(3x)+3x(x2)cos2(3x))\left( x(x-2)\tan(3x) \right)'' = \left(2(x-1) \tan(3x) + \dfrac{3x(x-2)}{\cos^2(3x)}\right)'
Ce qui nous donne :
(x(x2)tan(3x))=2tan(3x)+18x(x2)tan(3x)cos2(3x)+12(x1)cos2(3x)\left( x(x-2)\tan(3x) \right)'' = 2\tan(3x) + \dfrac{18x(x-2) \tan(3x)}{\cos^2(3x)} + \dfrac{12(x-1) }{\cos^2(3x)}
Ce qui nous permet d'écrire :
(x(x2)tan(3x))x=0=2tan(3×0)+18×0(02)tan(3×0)cos2(3×0)+12(01)cos2(3×0)=12\left( x(x-2)\tan(3x) \right)''_{x=0} = 2\tan(3\times 0) + \dfrac{18\times 0(0-2) \tan(3\times 0)}{\cos^2(3\times 0)} + \dfrac{12(0-1) }{\cos^2(3\times 0)} = -12
Donc, on obtient :
limx0(1cos(5x))(x(x2)tan(3x))=2512=2512\lim_{x \, \longrightarrow \, 0}\dfrac{\left(1-\cos(5x)\right)''}{\left(x(x-2)\tan(3x)\right)''} = \dfrac{25}{-12} = - \dfrac{25}{12}
Dès lors :
limx0(1cos(5x))(x(x2)tan(3x))=2512limx0(1cos(5x))(x(x2)tan(3x))=2512\lim_{x \, \longrightarrow \, 0}\dfrac{\left(1-\cos(5x)\right)''}{\left(x(x-2)\tan(3x)\right)''} = - \dfrac{25}{12} \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \lim_{x \, \longrightarrow \, 0}\dfrac{\left(1-\cos(5x)\right)'}{\left(x(x-2)\tan(3x)\right)'} = - \dfrac{25}{12}
Puis :
limx0(1cos(5x))(x(x2)tan(3x))=2512limx01cos(5x)x(x2)tan(3x)=2512\lim_{x \, \longrightarrow \, 0}\dfrac{\left(1-\cos(5x)\right)'}{\left(x(x-2)\tan(3x)\right)'} = - \dfrac{25}{12} \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \lim_{x \, \longrightarrow \, 0}\dfrac{1-\cos(5x)}{x(x-2)\tan(3x)} = - \dfrac{25}{12}
Finalement :
limx01cos(5x)x(x2)tan(3x)=2512{\color{red}{\boxed{ \lim_{x \, \longrightarrow \, 0}\dfrac{1-\cos(5x)}{x(x-2)\tan(3x)} = - \dfrac{25}{12} }}}
En effet, graphiquement, on a :