Limites : en route vers le supérieur

Limite du Sinus cardinal en 0 par approximation affine - Exercice 1

40 min
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Soit ff une fonction dérivable sur un intervalle II. Soit aIa \in I et hRh \in \mathbb{R}.
Question 1

A partir de la définition de la fonction dérivée ff', démontrer que f(a+h)=f(a)+hf(a)+e(h)f(a+h) = f(a) + h f'(a) + e(h).
La fonction e(h)e(h) vérifiant la condition limh0e(h)=0\lim_{h \longrightarrow 0} e(h) = 0.

Correction
Soit ff un fonction dérivable en aa. On a alors :
f(a)=limh0f(a+h)f(a)hf'(a) = \lim_{h \longrightarrow 0} \dfrac{f(a+h) - f(a)}{h}
En retirant la limite, l'égalité n'est plus vraie. Cela signifie qu'une erreur est commise (le terme f(a+h)f(a)h\dfrac{f(a+h) - f(a)}{h} n'est plus égale à f(a)f'(a)) et cette erreur est d'autant plus grande que hh est lui même grand. A l'inverse, lorsque hh est infiniment petit, cette erreur est elle même infime. Notons par E(h)E(h) cette erreur. On a alors :
f(a)+E(h)=f(a+h)f(a)hf(a+h)=f(a)+hf(a)+hE(h)f'(a) + E(h) = \dfrac{f(a+h) - f(a)}{h} \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, f(a+h) = f(a) + hf'(a) + hE(h)
Posons e(h)=hE(h)e(h) = hE(h) et on a bien limh0e(h)=0\lim_{h \longrightarrow 0} e(h) = 0, et on peut alors écrire la relation recherchée, à savoir :
f(a+h)=f(a)+hf(a)+e(h)f(a+h) = f(a) + hf'(a) + e(h)
Question 2

Lorsque h0h \longrightarrow 0, démontrer que limh0f(a+h)f(a)+hf(a)=1\lim_{h \longrightarrow 0}\dfrac{f(a+h)}{f(a) + h f'(a)} = 1. On dit alors que "f(a)+hf(a)f(a) + h f'(a) est équivalente à f(a+h)f(a+h) en aa". On note ceci de la manière suivante : f(a+h)af(a)+hf(a)f(a+h) \underset{a}{\sim} f(a) + h f'(a).

Correction
On a :
f(a+h)f(a)+hf(a)=f(a)+hf(a)+e(h)f(a)+hf(a)=f(a)+hf(a)f(a)+hf(a)+e(h)f(a)+hf(a)=1+e(h)f(a)+hf(a)\dfrac{f(a+h)}{f(a) + hf'(a)} = \dfrac{f(a) + hf'(a) + e(h)}{f(a) + hf'(a)} = \dfrac{f(a) + hf'(a)}{f(a) + hf'(a)} + \dfrac{e(h)}{f(a) + hf'(a)} = 1 + \dfrac{e(h)}{f(a) + hf'(a)}
En passant à la limite lorsque h0h \longrightarrow 0, on obtient :
limh0f(a+h)f(a)+hf(a)=limh0(1+e(h)f(a)+hf(a))=1+limh0e(h)f(a)+hf(a)=1+0=1\lim_{h \longrightarrow 0} \dfrac{f(a+h)}{f(a) + hf'(a)} = \lim_{h \longrightarrow 0} \left( 1 + \dfrac{e(h)}{f(a) + hf'(a)} \right) = 1 + \lim_{h \longrightarrow 0} \dfrac{e(h)}{f(a) + hf'(a)} = 1 + 0 = 1
Question 3

En déduire que sin(x)0x\sin(x) \underset{0}{\sim} x.

Correction
On pose f=sinf=\sin, et comme sin=cos\sin'=\cos, on obtient alors sin(a+h)=sin(a)+hcos(a)+e(h)\sin(a+h) = \sin(a) + h \, \cos(a) + e(h). Posons a=0a = 0, dans ce cas, on obtient sin(h)=sin(0)+hcos(0)+e(h)\sin(h) = \sin(0) + h \, \cos(0) + e(h). Or, sin(0)=0\sin(0) = 0 et cos(0)=1\cos(0) = 1. Ceci nous donne sin(h)=h+e(h)\sin(h) = h + e(h). Ainsi, en passant à la limite lorsque h0h \longrightarrow 0, on a donc limh0e(h)=0\lim_{h \longrightarrow 0} e(h) = 0, et de fait, on trouve que sin(h)0h\sin(h) \underset{0}{\sim} h. Finalement, en posant h=xh=x, on trouve que : sin(x)0x\sin(x) \underset{0}{\sim} x.
Question 4

Montrer que tan(x)0x\tan(x) \underset{0}{\sim} x.

Correction
On pose f=tanf=\tan, et comme tan=1+tan2\tan'=1 + \tan^2, on obtient alors tan(a+h)=tan(a)+hcos(a)+e(h)\tan(a+h) = \tan(a) + h \, \cos(a) + e(h). Posons a=0a = 0, dans ce cas, on obtient tan(h)=tan(0)+h(1+tan2(0))+e(h)\tan(h) = \tan(0) + h \, (1 + \tan^2(0)) + e(h). Or, tan(0)=0\tan(0) = 0 et donc 1+tan2(0)=11 + \tan^2(0) = 1. Ceci nous donne tan(h)=h+e(h)\tan(h) = h + e(h). Ainsi, en passant à la limite lorsque h0h \longrightarrow 0, on a donc limh0e(h)=0\lim_{h \longrightarrow 0} e(h) = 0, et de fait, on trouve que tan(h)0h\tan(h) \underset{0}{\sim} h. Finalement, en posant h=xh=x, on trouve que : tan(x)0x\tan(x) \underset{0}{\sim} x.
Question 5

Montrer que cos(x)01\cos(x) \underset{0}{\sim} 1.

Correction
On pose f=cosf=\cos, et comme cos=sin\cos'=-\sin, on obtient alors cos(a+h)=cos(a)hsin(a)+e(h)\cos(a+h) = \cos(a) - h \, \sin(a) + e(h). Posons a=0a = 0, dans ce cas, on obtient cos(h)=cos(0)hsin(0)+e(h)\cos(h) = \cos(0) - h \, \sin(0) + e(h). Or, sin(0)=0\sin(0) = 0 et cos(0)=1\cos(0) = 1. Ceci nous donne cos(h)=1+e(h)\cos(h) = 1 + e(h). Ainsi, en passant à la limite lorsque h0h \longrightarrow 0, on a donc limh0e(h)=0\lim_{h \longrightarrow 0} e(h) = 0, et de fait, on trouve que cos(h)01\cos(h) \underset{0}{\sim} 1. Finalement, en posant h=xh=x, on trouve que : cos(x)01\cos(x) \underset{0}{\sim} 1.
Question 6

Calculer limx0tan(x)x\lim_{x \longrightarrow 0} \dfrac{\tan(x)}{x}

Correction
On a :
limx0tan(x)x=limx0xx=limx01=1\lim_{x \longrightarrow 0} \dfrac{\tan(x)}{x} = \lim_{x \longrightarrow 0} \dfrac{x}{x} = \lim_{x \longrightarrow 0} 1 = 1
Question 7

Calculer limx0tan(3x)sin(2x)\lim_{x \longrightarrow 0} \dfrac{\tan(3x)}{\sin(2x)}

Correction
On a :
limx0tan(3x)sin(2x)=limx03x2x=limx032=32\lim_{x \longrightarrow 0} \dfrac{\tan(3x)}{\sin(2x)} = \lim_{x \longrightarrow 0} \dfrac{3x}{2x} = \lim_{x \longrightarrow 0} \dfrac{3}{2} = \dfrac{3}{2}
Question 8

Calculer limx0sin(πx)πx\lim_{x \longrightarrow 0} \dfrac{\sin(\pi x)}{\pi x}

Correction
On a :
limx0sin(πx)πx=limx0πxπx=limx01=1\lim_{x \longrightarrow 0} \dfrac{\sin(\pi x)}{\pi x} = \lim_{x \longrightarrow 0} \dfrac{\pi x}{\pi x} = \lim_{x \longrightarrow 0} 1 = 1
Question 9

Calculer limx0sin(x2)x\lim_{x \longrightarrow 0} \dfrac{\sin(x^2)}{x}

Correction
On a :
limx0sin(x2)x=limx0x2x=limx0x=0\lim_{x \longrightarrow 0} \dfrac{\sin(x^2)}{x} = \lim_{x \longrightarrow 0} \dfrac{x^2}{x} = \lim_{x \longrightarrow 0} x = 0
Question 10

Calculer limx0sin(x)x2\lim_{x \longrightarrow 0^-} \dfrac{\sin(x)}{x^2}

Correction
On a :
limx0sin(x)x2=limx0xx2=limx01x=\lim_{x \longrightarrow 0^-} \dfrac{\sin(x)}{x^2} = \lim_{x \longrightarrow 0^-} \dfrac{x}{x^2} = \lim_{x \longrightarrow 0^-} \dfrac{1}{x} = - \infty