Limites de fonctions

Théorème de comparaison - Exercice 1

15 min
25
Déterminer les limites des fonctions suivantes :
Question 1

limxsin(x)+x+2\lim\limits_{x\to -\infty }\sin \left(x\right)+x+2

Correction
Pour tout réel xx, on a :
1sin(x)1-1\le \sin \left(x\right) \le 1 équivaut successivement à :
1+x+2sin(x)+x+21+x+2-1+x+2\le \sin \left(x\right) +x+2\le 1+x+2
x+1sin(x)+x+2x+3x+1\le \sin \left(x\right) +x+2 \le x+3
D’une part :\red{\text{D'une part :}} limxx+1=\lim\limits_{x\to -\infty } x+1=-\infty
D’autre part :\red{\text{D'autre part :}} limxx+3=\lim\limits_{x\to -\infty } x+3=-\infty
Attention, ici on n'applique pas le théorème des gendarmes car les limites ne sont pas des valeurs finies.
On va garder l'inégalité de droite, ce qui donne : sin(x)+x+2x+3\sin \left(x\right) +x+2 \le x+3
Comme limxx+3=\lim\limits_{x\to -\infty } x+3=-\infty et sin(x)+x+2x+3\sin \left(x\right) +x+2 \le x+3 alors d'après le théorème de comparaison
limxsin(x)+x+2=\lim\limits_{x\to -\infty } \sin \left(x\right) +x+2=-\infty
Question 2

limx+cos(x)2x\lim\limits_{x\to +\infty }\cos \left(x\right)-2x

Correction
Pour tout réel xx, on a :
1cos(x)1-1\le \cos \left(x\right)\le 1 équivaut successivement à :
12xcos(x)2x12x-1-2x\le \cos \left(x\right)-2x\le 1-2x
D’une part :\red{\text{D'une part :}} limx+12x=\lim\limits_{x\to +\infty } -1-2x=-\infty
D’autre part :\red{\text{D'autre part :}} limx+12x=\lim\limits_{x\to +\infty } 1-2x=-\infty
Attention, ici on n'applique pas le théorème des gendarmes car les limites ne sont pas des valeurs finies.
On va garder l'inégalité de droite, ce qui donne : cos(x)2x12x\cos \left(x\right)-2x \le 1-2x
Comme limx+12x=\lim\limits_{x\to +\infty } 1-2x=-\infty et cos(x)2x12x\cos \left(x\right)-2x \le 1-2x alors d'après le théorème de comparaison
limx+cos(x)2x=\lim\limits_{x\to +\infty } \cos \left(x\right)-2x=-\infty
Question 3

limx+sin(x)+x2x+1\lim\limits_{x\to +\infty }\frac{\sin \left(x\right)+x^{2} }{x+1}

Correction
Pour tout réel xx, on a :
1sin(x)1-1\le \sin \left(x\right)\le 1 équivaut successivement à :
1+x2sin(x)+x21+x2-1+x^{2}\le \sin \left(x\right)+x^{2} \le 1+x^{2} , on va ensuite diviser par x+1x+1 qui est strictement positif car nous sommes au voisinage de ++\infty
1+x2x+1sin(x)+x2x+11+x2x+1\frac{-1+x^{2} }{x+1} \le \frac{\sin \left(x\right)+x^{2} }{x+1} \le \frac{1+x^{2} }{x+1}
Calculons d’une part :\red{\text{Calculons d'une part :}} limx+1+x2x+1\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{-1+x^{2} }{x+1}
Pour relever cette indétermination, nous factoriserons par x2x^{2} au numérateur et par xx au dénominateur.
C'est-à-dire que l'on factorise le numérateur par son monôme de plus haut degré ici x2x^{2} et on factorise le dénominateur par son monôme de plus haut degré ici xx.
limx+1+x2x+1=limx+x2(1+x2x2)x(x+1x)\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{-1+x^{2} }{x+1} =\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{x^{2} \left(\frac{-1+x^{2} }{x^{2} } \right)}{x\left(\frac{x+1}{x} \right)}
limx+1+x2x+1=limx+x2(1x2+x2x2)x(xx+1x)\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{-1+x^{2} }{x+1} =\mathop{\lim }\limits_{x\to +\infty } \frac{x^{2} \left(-\frac{1}{x^{2} } +\frac{x^{2} }{x^{2} } \right)}{x\left(\frac{x}{x} +\frac{1}{x} \right)}
limx+1+x2x+1=limx+x2(1x2+1)x(1+1x)\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{-1+x^{2} }{x+1} =\mathop{\lim }\limits_{x\to +\infty } \frac{x^{2} \left(-\frac{1}{x^{2} } +1\right)}{x\left(1+\frac{1}{x} \right)} . Nous allons simplifier le numérateur et le dénominateur par xx .
limx+1+x2x+1=limx+x(1x2+1)1+1x\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{-1+x^{2} }{x+1} =\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{x\left(\frac{-1}{x^{2} } +1\right)}{1+\frac{1}{x} }
limx+x(1x2+1)=+limx+2+1x=2}\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{x\to +\infty } x\left(\frac{-1}{x^{2} } +1\right)} & {=} & {+\infty } \\ {\lim\limits_{x\to +\infty } 2+\frac{1}{x} } & {=} & {2} \end{array}\right\} par quotient, limx+x(1x2+1)1+1x=+\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{x\left(\frac{-1}{x^{2} } +1\right)}{1+\frac{1}{x} } =+\infty
Finalement : limx+1+x2x+1=+\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{-1+x^{2} }{x+1} =+\infty
Nous effectuons les mêmes étapes pour calculer limx+1+x2x+1\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{1+x^{2} }{x+1} , nous obtiendrons limx+1+x2x+1=+\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{1+x^{2} }{x+1} =+\infty
Attention, ici on n'applique pas le théorème des gendarmes car les limites ne sont pas des valeurs finies.
On va garder l'inégalité de gauche, ce qui donne : 1+x2x+1sin(x)+x2x+1\frac{-1+x^{2} }{x+1} \le \frac{\sin \left(x\right)+x^{2} }{x+1}
Comme limx+1+x2x+1=+\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{-1+x^{2} }{x+1} =+\infty et sin(x)+x2x+11+x2x+1\frac{\sin \left(x\right)+x^{2} }{x+1} \ge \frac{-1+x^{2} }{x+1} alors d'après le théorème de comparaison
limx+sin(x)+x2x+1=+\lim\limits_{x\to +\infty }\frac{\sin \left(x\right)+x^{2} }{x+1}=+\infty
Question 4

limx+x2+cos(x)×x\lim\limits_{x\to +\infty }x^{2} +\cos \left(x\right)\times x

Correction
Pour tout réel xx, on a :
1cos(x)1-1\le \cos \left(x\right) \le 1 équivaut successivement à :
xcos(x)×xx-x\le \cos \left(x\right)\times x \le x . Ici, nous avons multiplié par x>0x>0 car nous sommes au voisinage de ++\infty donc le sens de l'inégalite ne change pas.
x2xx2+cos(x)×xx2+xx^{2} -x\le x^{2} +\cos \left(x\right)\times x \le x^{2} +x
Or : limx+x2x=+\lim\limits_{x\to +\infty } x^{2} -x =+\infty et limx+x2+x=+\lim\limits_{x\to +\infty } x^{2} +x =+\infty
Attention, ici on n'applique pas le théorème des gendarmes car les limites ne sont pas des valeurs finies.
On va garder l'inégalité de gauche, ce qui donne : x2xx2+cos(x)×xx^{2} -x\le x^{2} +\cos \left(x\right)\times x
Comme :
limx+x2x=+\lim\limits_{x\to +\infty } x^{2} -x =+\infty et x2+cos(x)×xx2xx^{2} +\cos \left(x\right)\times x \ge x^{2} -x alors d'après le théorème de comparaison
limx+x2+cos(x)×x=+\lim\limits_{x\to +\infty }x^{2} +\cos \left(x\right)\times x=+\infty