FICHE D'EXERCICES #3

Limites, asymptotes et théorèmes

13 exercices progressifs • Limites latérales • Composition • Asymptotes • Comparaison

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Objectif : interpréter une limite au voisinage d’un réel, déterminer des asymptotes, calculer des limites par composition et mobiliser les théorèmes de comparaison et des gendarmes.

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A. Limites en un réel et limites latérales

1

Limite en un réel : lecture du signe

Déterminer : \[ \lim_{x\to2^-}\frac1{x-2} \qquad\text{et}\qquad \lim_{x\to2^+}\frac1{x-2}. \]
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Lorsque \(x\to2^-\), \(x-2\to0^-\), donc \[ \boxed{\lim_{x\to2^-}\frac1{x-2}=-\infty}. \] Lorsque \(x\to2^+\), \(x-2\to0^+\), donc \[ \boxed{\lim_{x\to2^+}\frac1{x-2}=+\infty}. \]
2

Carré au dénominateur

Déterminer : \[ \lim_{x\to-1}\frac{3}{(x+1)^2}. \]
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Lorsque \(x\to-1\), \((x+1)^2\to0\) en restant strictement positif. Le numérateur vaut \(3>0\). Donc : \[ \boxed{\lim_{x\to-1}\frac3{(x+1)^2}=+\infty}. \] La limite est la même à gauche et à droite.
3

Étudier les deux côtés

Déterminer les limites à gauche et à droite de \(3\) de \[ f(x)=\frac{x+1}{x-3}. \]
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Le numérateur tend vers \(4>0\).
Si \(x\to3^-\), \(x-3\to0^-\), donc \[ \boxed{\lim_{x\to3^-}\frac{x+1}{x-3}=-\infty}. \] Si \(x\to3^+\), \(x-3\to0^+\), donc \[ \boxed{\lim_{x\to3^+}\frac{x+1}{x-3}=+\infty}. \]

B. Asymptotes

4

Reconnaître une asymptote verticale

Soit \[ f(x)=\frac{2x-1}{x+4}. \] Étudier les limites de \(f\) lorsque \(x\to-4^-\) et \(x\to-4^+\), puis interpréter graphiquement.
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Le numérateur tend vers \(-9<0\).
Lorsque \(x\to-4^-\), \(x+4\to0^-\), donc \[ \boxed{\lim_{x\to-4^-}f(x)=+\infty}. \] Lorsque \(x\to-4^+\), \(x+4\to0^+\), donc \[ \boxed{\lim_{x\to-4^+}f(x)=-\infty}. \] Ainsi, la droite \[ \boxed{x=-4} \] est une asymptote verticale à la courbe de \(f\).
5

Asymptote horizontale

Soit \[ f(x)=\frac{3x+5}{x-2}. \] Déterminer les limites de \(f\) en \(+\infty\) et en \(-\infty\), puis donner une éventuelle asymptote horizontale.
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Le numérateur et le dénominateur sont de même degré. Le quotient des termes dominants vaut \(3\). Ainsi : \[ \boxed{\lim_{x\to+\infty}\frac{3x+5}{x-2}=3} \] et \[ \boxed{\lim_{x\to-\infty}\frac{3x+5}{x-2}=3}. \] La courbe admet donc l'asymptote horizontale \[ \boxed{y=3}. \]
6

Deux asymptotes

Soit \[ f(x)=\frac{2x+3}{x-1}. \] Déterminer les limites utiles et en déduire les asymptotes de la courbe.
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Au voisinage de \(1\), le numérateur tend vers \(5>0\). Donc : \[ \boxed{\lim_{x\to1^-}f(x)=-\infty}, \qquad \boxed{\lim_{x\to1^+}f(x)=+\infty}. \] Ainsi, \(x=1\) est une asymptote verticale.

À l'infini, le quotient des termes dominants vaut \(2\) : \[ \boxed{\lim_{x\to+\infty}f(x)=2}, \qquad \boxed{\lim_{x\to-\infty}f(x)=2}. \] Ainsi, \(y=2\) est une asymptote horizontale.

C. Composition de limites

7

Composition simple

Déterminer : \[ \lim_{x\to+\infty}e^{-2x+3}. \]
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On commence par la fonction intérieure : \[ \lim_{x\to+\infty}(-2x+3)=-\infty. \] D'autre part, \[ \lim_{X\to-\infty}e^X=0. \] Donc, par composition : \[ \boxed{\lim_{x\to+\infty}e^{-2x+3}=0}. \]
8

Composition avec une racine carrée

Déterminer : \[ \lim_{x\to+\infty}\sqrt{4+\frac3x}. \]
Afficher la correction
On a \[ \lim_{x\to+\infty}\left(4+\frac3x\right)=4. \] De plus, \[ \lim_{X\to4}\sqrt X=2. \] Donc, par composition : \[ \boxed{\lim_{x\to+\infty}\sqrt{4+\frac3x}=2}. \]
9

Composition puis opération

Déterminer : \[ \lim_{x\to+\infty}\left(3-e^{-x}\right). \]
Afficher la correction
D'abord, \[ \lim_{x\to+\infty}(-x)=-\infty. \] Or \[ \lim_{X\to-\infty}e^X=0. \] Donc, par composition, \[ \lim_{x\to+\infty}e^{-x}=0. \] Finalement, par différence : \[ \boxed{\lim_{x\to+\infty}(3-e^{-x})=3}. \]

D. Théorèmes de comparaison et des gendarmes

10

Théorème de comparaison

Déterminer : \[ \lim_{x\to+\infty}\left(x^2-5x\sin x\right). \]
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Comme \[ -1\leq\sin x\leq1, \] on a \[ -5x\sin x\geq-5x \] pour \(x>0\). Ainsi \[ x^2-5x\sin x\geq x^2-5x=x(x-5). \] Or \[ \lim_{x\to+\infty}x(x-5)=+\infty. \] D'après le théorème de comparaison : \[ \boxed{\lim_{x\to+\infty}(x^2-5x\sin x)=+\infty}. \]
11

Théorème des gendarmes

Déterminer : \[ \lim_{x\to+\infty}\frac{\sin x}{x}. \]
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On sait que \[ -1\leq\sin x\leq1. \] Pour \(x>0\), \[ -\frac1x\leq\frac{\sin x}{x}\leq\frac1x. \] Or \[ \lim_{x\to+\infty}-\frac1x=0 \qquad\text{et}\qquad \lim_{x\to+\infty}\frac1x=0. \] D'après le théorème des gendarmes : \[ \boxed{\lim_{x\to+\infty}\frac{\sin x}{x}=0}. \]
12

Comparaison avec une puissance

Déterminer : \[ \lim_{x\to+\infty}\left(x^3+4x^2\cos x\right). \]
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Puisque \(-1\leq\cos x\leq1\), pour \(x>0\), \[ 4x^2\cos x\geq-4x^2. \] Donc \[ x^3+4x^2\cos x\geq x^3-4x^2=x^2(x-4). \] Or \[ \lim_{x\to+\infty}x^2(x-4)=+\infty. \] D'après le théorème de comparaison : \[ \boxed{\lim_{x\to+\infty}(x^3+4x^2\cos x)=+\infty}. \]

E. Exercice bilan

13

Exercice bilan

Soit \[ f(x)=\frac{x+2}{x-2}. \] 1. Déterminer les limites de \(f\) en \(2^-\) et en \(2^+\).
2. Déterminer les limites de \(f\) en \(+\infty\) et en \(-\infty\).
3. En déduire toutes les asymptotes à la courbe de \(f\).
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1. Le numérateur tend vers \(4>0\). Ainsi : \[ \boxed{\lim_{x\to2^-}f(x)=-\infty}, \qquad \boxed{\lim_{x\to2^+}f(x)=+\infty}. \] Donc \(x=2\) est une asymptote verticale.

2. À l'infini, numérateur et dénominateur ont le même degré et le quotient des coefficients dominants vaut \(1\) : \[ \boxed{\lim_{x\to+\infty}f(x)=1}, \qquad \boxed{\lim_{x\to-\infty}f(x)=1}. \] Donc \(y=1\) est une asymptote horizontale.

3. Les asymptotes sont donc : \[ \boxed{x=2\quad\text{et}\quad y=1}. \]