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Le théorème des valeurs intermédiaires : niveau difficile - Exercice 1

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Question 1
La fonction ff est définie sur R\mathbb{R} par : f(x)=2x33x21f\left(x\right)=2x^{3} -3x^{2}-1

Déterminer les limites de ff aux bornes de son domaine de définition.

Correction
D'une part, commençons par calculer la limite en -\infty.
limx2x3=limx3x21=}\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{x\to -\infty } 2x^{3} } & {=} & {-\infty } \\ {\lim\limits_{x\to -\infty } -3x^{2}-1} & {=} & {-\infty } \end{array}\right\} par somme :
limx2x33x21=\lim\limits_{x\to -\infty } 2x^{3} -3x^{2}-1=-\infty

D'autre part, la limite en ++\infty.
limx+2x3=+limx+3x21=}\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{x\to +\infty } 2x^{3} } & {=} & {+\infty } \\ {\lim\limits_{x\to +\infty } -3x^{2}-1} & {=} & {-\infty } \end{array}\right\} 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 x3x^{3} .
limx+2x33x21=limx+x3(2x33x21x3)\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)
limx+2x33x21=limx+x3(2x3x33x2x31x3)\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)
limx+2x33x21=limx+x3(23x1x3)\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)
limx+x3=+limx+23x1x3=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\} par produit :
limx+2x33x21=+\lim\limits_{x\to +\infty } 2x^{3} -3x^{2}-1=+\infty

Question 2

Calculer f(x)f'\left(x\right) pour tout réel xx, étudier son signe et en déduire le tableau de variation complet de ff.

Correction
Pour tout réel xx, on a :
f(x)=6x26xf'\left(x\right)=6x^{2} -6x
f(x)=6x(x1)f'\left(x\right)=6x\left(x-1\right). Ainsi :
si x0x\ge 0 alors 6x06x\ge 0 et x1x\ge 1 alors x10x-1\ge 0. Nous allons traduire cela dans un tableau de variation pour la fonction ff.
Question 3

Démontrer que l'équation f(x)=2f\left(x\right)=2 admet une unique solution sur R\mathbb{R}.
On notera α\alpha cette solution.

Correction
On reprend le tableau de variation fait à la question 22. On fera apparaître dans le tableau la valeur deux que l'on recherche.

  • Sur ];1]\left]-\infty;1\right], la fonction ff est continue et admet 1-1 comme maximum.
    La fonction ff est strictement négative. Donc l'équation f(x)=2f\left(x\right)=2 n'a pas de solution sur cet intervalle.
  • Sur [1;+[\left[1;+\infty\right[, la fonction ff est continue et strictement croissante.
    De plus, f(1)=2f\left(1\right)=-2 et limx+f(x)=+\lim\limits_{x\to +\infty } f\left(x\right)=+\infty . Or 2[2;+[2\in \left[-2;+\infty \right[, donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires, il existe une unique solution α\alpha appartenant à R\mathbb{R} tel que f(x)=2f\left(x\right)=2.
Question 4

Déterminer un encadrement de α\alpha à 10210^{-2} près.

Correction
A la calculatrice, on vérifie que :
f(1,91)1,9914f(1,91)\approx1,9914 et f(1,92)2,0965f(1,92)\approx2,0965
Or 2[1,9914;2,0965]2 \in \left[1,9914;2,0965\right], donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires on en déduit que : 1,91α1,921,91\le\alpha\le1,92