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Le théorème des valeurs intermédiaires : niveau difficile - Exercice 1
15 min
20
Question 1
La fonction
f
f
f
est définie sur
R
\mathbb{R}
R
par :
f
(
x
)
=
2
x
3
−
3
x
2
−
1
f\left(x\right)=2x^{3} -3x^{2}-1
f
(
x
)
=
2
x
3
−
3
x
2
−
1
Déterminer les limites de
f
f
f
aux bornes de son domaine de définition.
Correction
D'une part, commençons par calculer la limite en
−
∞
-\infty
−
∞
.
lim
x
→
−
∞
2
x
3
=
−
∞
lim
x
→
−
∞
−
3
x
2
−
1
=
−
∞
}
\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{x\to -\infty } 2x^{3} } & {=} & {-\infty } \\ {\lim\limits_{x\to -\infty } -3x^{2}-1} & {=} & {-\infty } \end{array}\right\}
x
→
−
∞
lim
2
x
3
x
→
−
∞
lim
−
3
x
2
−
1
=
=
−
∞
−
∞
}
par somme :
lim
x
→
−
∞
2
x
3
−
3
x
2
−
1
=
−
∞
\lim\limits_{x\to -\infty } 2x^{3} -3x^{2}-1=-\infty
x
→
−
∞
lim
2
x
3
−
3
x
2
−
1
=
−
∞
D'autre part, la limite en
+
∞
+\infty
+
∞
.
lim
x
→
+
∞
2
x
3
=
+
∞
lim
x
→
+
∞
−
3
x
2
−
1
=
−
∞
}
\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{x\to +\infty } 2x^{3} } & {=} & {+\infty } \\ {\lim\limits_{x\to +\infty } -3x^{2}-1} & {=} & {-\infty } \end{array}\right\}
x
→
+
∞
lim
2
x
3
x
→
+
∞
lim
−
3
x
2
−
1
=
=
+
∞
−
∞
}
nous rencontrons une forme indéterminée de la forme
+
∞
−
∞
+\infty -\infty
+
∞
−
∞
Pour relever cette indétermination, nous allons factoriser par le monôme de plus haut degré.
Ici, en l'occurrence par
x
3
x^{3}
x
3
.
lim
x
→
+
∞
2
x
3
−
3
x
2
−
1
=
lim
x
→
+
∞
x
3
(
2
x
3
−
3
x
2
−
1
x
3
)
\lim\limits_{x\to +\infty } 2x^{3} -3x^{2}-1=\lim\limits_{x\to +\infty } x^{3} \left(\frac{2x^{3} -3x^{2}-1}{x^{3} } \right)
x
→
+
∞
lim
2
x
3
−
3
x
2
−
1
=
x
→
+
∞
lim
x
3
(
x
3
2
x
3
−
3
x
2
−
1
)
lim
x
→
+
∞
2
x
3
−
3
x
2
−
1
=
lim
x
→
+
∞
x
3
(
2
x
3
x
3
−
3
x
2
x
3
−
1
x
3
)
\lim\limits_{x\to +\infty } 2x^{3} -3x^{2}-1=\lim\limits_{x\to +\infty } x^{3} \left(\frac{2x^{3} }{x^{3} } -\frac{3x^{2}}{x^{3} } -\frac{1}{x^{3} } \right)
x
→
+
∞
lim
2
x
3
−
3
x
2
−
1
=
x
→
+
∞
lim
x
3
(
x
3
2
x
3
−
x
3
3
x
2
−
x
3
1
)
lim
x
→
+
∞
2
x
3
−
3
x
2
−
1
=
lim
x
→
+
∞
x
3
(
2
−
3
x
−
1
x
3
)
\lim\limits_{x\to +\infty } 2x^{3} -3x^{2}-1=\lim\limits_{x\to +\infty } x^{3} \left(2-\frac{3}{x} -\frac{1}{x^{3} } \right)
x
→
+
∞
lim
2
x
3
−
3
x
2
−
1
=
x
→
+
∞
lim
x
3
(
2
−
x
3
−
x
3
1
)
lim
x
→
+
∞
x
3
=
+
∞
lim
x
→
+
∞
2
−
3
x
−
1
x
3
=
2
}
\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{x\to +\infty } x^{3} } & {=} & {+\infty } \\ {\lim\limits_{x\to +\infty } 2-\frac{3}{x} -\frac{1}{x^{3}} } & {=} & {2} \end{array}\right\}
x
→
+
∞
lim
x
3
x
→
+
∞
lim
2
−
x
3
−
x
3
1
=
=
+
∞
2
}
par produit :
lim
x
→
+
∞
2
x
3
−
3
x
2
−
1
=
+
∞
\lim\limits_{x\to +\infty } 2x^{3} -3x^{2}-1=+\infty
x
→
+
∞
lim
2
x
3
−
3
x
2
−
1
=
+
∞
Question 2
Calculer
f
′
(
x
)
f'\left(x\right)
f
′
(
x
)
pour tout réel
x
x
x
, étudier son signe et en déduire le tableau de variation complet de
f
f
f
.
Correction
Pour tout réel
x
x
x
, on a :
f
′
(
x
)
=
6
x
2
−
6
x
f'\left(x\right)=6x^{2} -6x
f
′
(
x
)
=
6
x
2
−
6
x
f
′
(
x
)
=
6
x
(
x
−
1
)
f'\left(x\right)=6x\left(x-1\right)
f
′
(
x
)
=
6
x
(
x
−
1
)
. Ainsi :
si
x
≥
0
x\ge 0
x
≥
0
alors
6
x
≥
0
6x\ge 0
6
x
≥
0
et
x
≥
1
x\ge 1
x
≥
1
alors
x
−
1
≥
0
x-1\ge 0
x
−
1
≥
0
. Nous allons traduire cela dans un tableau de variation pour la fonction
f
f
f
.
Question 3
Démontrer que l'équation
f
(
x
)
=
2
f\left(x\right)=2
f
(
x
)
=
2
admet une unique solution sur
R
\mathbb{R}
R
.
On notera
α
\alpha
α
cette solution.
Correction
On reprend le tableau de variation fait à la question
2
2
2
. On fera apparaître dans le tableau la valeur deux que l'on recherche.
Sur
]
−
∞
;
1
]
\left]-\infty;1\right]
]
−
∞
;
1
]
, la fonction
f
f
f
est continue et admet
−
1
-1
−
1
comme maximum.
La fonction
f
f
f
est strictement négative. Donc l'équation
f
(
x
)
=
2
f\left(x\right)=2
f
(
x
)
=
2
n'a pas de solution sur cet intervalle.
Sur
[
1
;
+
∞
[
\left[1;+\infty\right[
[
1
;
+
∞
[
, la fonction
f
f
f
est continue et strictement croissante.
De plus,
f
(
1
)
=
−
2
f\left(1\right)=-2
f
(
1
)
=
−
2
et
lim
x
→
+
∞
f
(
x
)
=
+
∞
\lim\limits_{x\to +\infty } f\left(x\right)=+\infty
x
→
+
∞
lim
f
(
x
)
=
+
∞
. Or
2
∈
[
−
2
;
+
∞
[
2\in \left[-2;+\infty \right[
2
∈
[
−
2
;
+
∞
[
, donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires, il existe une unique solution
α
\alpha
α
appartenant à
R
\mathbb{R}
R
tel que
f
(
x
)
=
2
f\left(x\right)=2
f
(
x
)
=
2
.
Question 4
Déterminer un encadrement de
α
\alpha
α
à
1
0
−
2
10^{-2}
1
0
−
2
près.
Correction
A la calculatrice, on vérifie que :
f
(
1
,
91
)
≈
1
,
9914
f(1,91)\approx1,9914
f
(
1
,
91
)
≈
1
,
9914
et
f
(
1
,
92
)
≈
2
,
0965
f(1,92)\approx2,0965
f
(
1
,
92
)
≈
2
,
0965
Or
2
∈
[
1
,
9914
;
2
,
0965
]
2 \in \left[1,9914;2,0965\right]
2
∈
[
1
,
9914
;
2
,
0965
]
, donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires on en déduit que :
1
,
91
≤
α
≤
1
,
92
1,91\le\alpha\le1,92
1
,
91
≤
α
≤
1
,
92