Limites de fonctions

Etude de fonctions - Exercice 2

20 min
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On considère la fonction ff définie par f(x)=4x2+4x2+x+5f\left(x\right)=\frac{4x^{2}+4}{x^{2}+x+5} et on note Cf\mathscr{C}_{f} la courbe représentative de ff .
Question 1

Déterminer le domaine de définition de ff .

Correction
ff est une fonction rationnelle .
ff est alors définie pour tous les réels tels que x2+x+50x^{2}+x+5\ne 0
Nous allons utiliser le discriminant pour cela.
Δ=124×1×5\Delta=1^2-4\times1\times5 ainsi Δ<0\Delta<0
Il en résulte qu'il n'y a pas de solutions réelles à l'équation x2+x+5=0x^{2}+x+5=0. Autrement dit, il n'y a pas de valeurs interdites.
Finalement, le domaine de définition de ff s'écrit alors : Df=];+[Df=\left]-\infty ;+\infty\right[ que l'on peut aussi écrire Df=RDf=\mathbb{R}
Question 2

Montrer que ff possède, au voisinage de ++\infty, une asymptote horizontale et préciser son équation. La représentation graphique de cette asymptote est notée (d)\left(d\right).

Correction
  • Si limx+f(x)=l\lim\limits_{x\to +\infty } f(x) =lll est une valeur finie alors la fonction ff admet une asymptote horizontale d'équation y=ly=l
Il nous faut calculer limx+4x2+4x2+x+5{\mathop{\lim }\limits_{x\to +\infty }} \frac{4x^{2} +4}{x^{2} +x+5} .
limx+4x2+4=+limx+x2+x+5=+}\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{x\to +\infty } 4x^{2}+4} & {=} & {+\infty } \\ {\lim\limits_{x\to +\infty } x^{2} +x+5} & {=} & {+\infty } \end{array}\right\} on obtient une forme indéterminée \frac{\infty }{\infty }
Pour lever cette indeˊtermination\blue{\text{Pour lever cette indétermination}}
 On va factoriser le numeˊrateur par le monoˆme de plus haut degreˊ c’est aˋ dire par \blue{\text{ On va factoriser le numérateur par le monôme de plus haut degré c'est à dire par }} x2\blue{x^{2}}  et le deˊnominateur par le monoˆme de plus haut degreˊ c’est aˋ dire par \blue{\text{ et le dénominateur par le monôme de plus haut degré c'est à dire par }} x2\blue{x^{2}}
Il vient alors :
limx+4x2+4x2+x+5=limx+x2(4x2+4x2)x2(x2+x+5x2){\mathop{\lim }\limits_{x\to +\infty }} \frac{4x^{2} +4}{x^{2} +x+5} ={\mathop{\lim }\limits_{x\to +\infty }} \frac{x^{2} \left(\frac{4x^{2} +4}{x^{2} } \right)}{x^{2} \left(\frac{x^{2} +x+5}{x^{2} } \right)}
limx+4x2+4x2+x+5=limx+x2(4x2x2+4x2)x2(x2x2+xx2+5x2){\mathop{\lim }\limits_{x\to +\infty }} \frac{4x^{2} +4}{x^{2} +x+5} ={\mathop{\lim }\limits_{x\to +\infty }} \frac{x^{2} \left(\frac{4x^{2} }{x^{2} } +\frac{4}{x^{2} } \right)}{x^{2} \left(\frac{x^{2} }{x^{2} } +\frac{x}{x^{2} } +\frac{5}{x^{2} } \right)}
limx+4x2+4x2+x+5=limx+x2(4+4x2)x2(1+1x+5x2){\mathop{\lim }\limits_{x\to +\infty }} \frac{4x^{2} +4}{x^{2} +x+5} ={\mathop{\lim }\limits_{x\to +\infty }} \frac{x^{2} \left(4+\frac{4}{x^{2} } \right)}{x^{2} \left(1+\frac{1}{x} +\frac{5}{x^{2} } \right)} . On simplifie maintenant le numérateur et le dénominateur par x2x^{2} .
limx+4x2+4x2+x+5=limx+4+4x21+1x+5x2{\mathop{\lim }\limits_{x\to +\infty }} \frac{4x^{2} +4}{x^{2} +x+5} ={\mathop{\lim }\limits_{x\to +\infty }} \frac{4+\frac{4}{x^{2} } }{1+\frac{1}{x} +\frac{5}{x^{2} } }
Ainsi : limx+4+4x2=4limx+1+1x+5x2=1}\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{x\to +\infty } 4+\frac{4}{x^{2}}} & {=} & {4} \\ {\lim\limits_{x\to +\infty } 1+\frac{1}{x} +\frac{5}{x^{2} } } & {=} & {1} \end{array}\right\} par quotient :\text{\red{par quotient :}}
limx+4+4x21+1x+5x2=4\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{4+\frac{4}{x^{2} } }{1+\frac{1}{x} +\frac{5}{x^{2} } } =4

Finalement :\purple{\text{Finalement :}}
limx+4x2+4x2+x+5=4{\mathop{\lim }\limits_{x\to +\infty }} \frac{4x^{2} +4}{x^{2} +x+5} =4

La courbe Cf\mathscr{C}_{f} admet au voisinage de ++\infty une asymptote horizontale\pink{\text{asymptote horizontale}} d'équation y=4y=4.
Question 3

Etudier le signe de f(x)4f\left(x\right)-4

Correction
f(x)4=4x2+4x2+x+54f\left(x\right)-4=\frac{4x^{2} +4}{x^{2} +x+5} -4
f(x)4=4x2+4x2+x+54(x2+x+5)x2+x+5f\left(x\right)-4=\frac{4x^{2} +4}{x^{2} +x+5} -\frac{4\left(x^{2} +x+5\right)}{x^{2} +x+5}
f(x)4=4x2+44(x2+x+5)x2+x+5f\left(x\right)-4=\frac{4x^{2} +4-4\left(x^{2} +x+5\right)}{x^{2} +x+5}
f(x)4=4x2+44x24x20x2+x+5f\left(x\right)-4=\frac{4x^{2} +4-4x^{2} -4x-20}{x^{2} +x+5}
f(x)4=4x16x2+x+5f\left(x\right)-4=\frac{-4x-16}{x^{2} +x+5}
Nous allons étudier le signe de l'expression 4x16x2+x+5\frac{-4x-16}{x^{2} +x+5}
Pour le numeˊrateur :\red{\text{Pour le numérateur :}}
4x1604x16x164x4-4x-16\ge 0\Leftrightarrow -4x\ge 16\Leftrightarrow x\le \frac{16}{-4} \Leftrightarrow x\le -4
Cela signifie que l'on va mettre le signe ++ dans la ligne de 4x16-4x-16 lorsque xx sera inférieur ou égale à 4-4.
Pour le deˊnominateur :\red{\text{Pour le dénominateur :}} nous avons vu, d'après la question 11, que Δ<0\Delta<0 donc le dénominateur est du signe de aa. Pour tout réel xx, on a alors : x2+x+5>0x^{2} +x+5>0
On dresse le tableau de signe ci-dessous :
Question 4

Interpréter géométriquement le résultat de la question 33.

Correction
D'après la question 33, nous avons déterminé le tableau de signe de l'expression de f(x)4f\left(x\right)-4 .
  • Sur l'intervalle ];4[\left]-\infty;-4\right[ nous avons 4x16x2+x+5>0\frac{-4x-16}{x^{2} +x+5}>0 autrement dit f(x)4>0f\left(x\right)-4>0 ou encore f(x)>4f\left(x\right) >4. Cela signifie que la courbe Cf\mathscr{C_{f}} est strictement au-dessus\red{\text{strictement au-dessus}} de la droite (d)\left(d\right).
  • Sur l'intervalle ]4;+[\left]-4;+\infty\right[ nous avons 4x16x2+x+5<0\frac{-4x-16}{x^{2} +x+5}<0 autrement dit f(x)4<0f\left(x\right)-4<0 ou encore f(x)<4f\left(x\right) <4. Cela signifie que la courbe Cf\mathscr{C_{f}} est strictement en dessous\red{\text{strictement en dessous}} de la droite (d)\left(d\right).
  • Au point d'abscisse x=4x=-4 la courbe Cf\mathscr{C_{f}} et la droite (d)\left(d\right) sont seˊcantes.\red{\text{sécantes.}}