Dérivation et Calcul différentiel

Pour le plaisir - Exercice 1

20 min
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Un exercice pour vérifier si l'on maîtrise l'art de la limite.
Déterminer la limite ci-dessous :
Question 1

limx0tanh(sinh(x))arctan(ex1)\lim_{x\, \longrightarrow \,0} \dfrac{\tanh\left( \sinh\left( x \right) \right)}{\arctan\left( e^x - 1 \right)}

Correction
La fonction xtanh(sinh(x))x \,\longmapsto \, \tanh\left( \sinh\left( x \right) \right) est dérivable sur R\mathbb{R}, en tant que composée de fonction elles mêmes dérivables sur R\mathbb{R}.
Puis, la fonction xarctan(ex1)x \,\longmapsto \, \arctan\left( e^x - 1 \right) est également dérivable sur R\mathbb{R}, en tant que composée de fonction elles mêmes dérivables sur R\mathbb{R}.
De plus on a la dérivée du dénominateur qui est donnée par :
(arctan(ex1))=ex1+(ex1)2\left( \arctan\left( e^x - 1 \right) \right)' = \dfrac{e^x}{1 + \left( e^x - 1 \right)^2}
Donc, pris en x=0x=0, on trouve que :
(arctan(ex1))=(ex1+(ex1)2)x=0=e01+(e01)2=11+(11)2=11+02=11=10\left( \arctan\left( e^x - 1 \right) \right)' = \left(\dfrac{e^x}{1 + \left( e^x - 1 \right)^2}\right)_{x=0} = \dfrac{e^0}{1 + \left( e^0 - 1 \right)^2} = \dfrac{1}{1 + \left( 1 - 1 \right)^2} = \dfrac{1}{1 + 0^2} = \dfrac{1}{1} = 1 \neq 0
En outre, on constate que :
(tanh(sinh(x)))x=0=0\bullet \,\, \left( \tanh\left( \sinh\left( x \right) \right) \right)_{x = 0} = 0
(arctan(ex1)))x=0=0\bullet \bullet \,\, \left( \arctan\left( e^x - 1 \right)) \right)_{x = 0} = 0
Nous avons donc une limite à déterminer qui se trouve être une forme indéterminée du type 00\dfrac{0}{0}. Nous allons donc appliquer la règle de l'Ho^pitalHôpital. On a donc :
limx0(tanh(sinh(x)))(arctan(ex1))=limx0cosh(x)cosh2(sinh(x))ex1+(ex1)2=11=1\lim_{x\, \longrightarrow \,0} \dfrac{\left(\tanh\left( \sinh\left( x \right) \right)\right)'}{\left(\arctan\left( e^x - 1 \right)\right)'} = \lim_{x\, \longrightarrow \,0} \dfrac{\dfrac{\cosh(x)}{\cosh^2\left( \sinh\left( x \right)\right)}}{\dfrac{e^x}{1 + \left( e^x - 1 \right)^2}} = \dfrac{1}{1} = 1
Dans ce cas, ce dernier résultat implique que la limite recherchée vaut :
limx0tanh(sinh(x))arctan(ex1)=1{\color{red}{\boxed{\lim_{x\, \longrightarrow \,0} \dfrac{\tanh\left( \sinh\left( x \right) \right)}{\arctan\left( e^x - 1 \right)} = 1}}}
Graphiquement, on obtient :