Aller au contenu
Topos Uranos

Infiniment petits et infiniment grands équivalents

Résumé

Cette leçon clôt l’unité des limites par une technique de calcul qui réunit presque tout ce qui précède : la comparaison des fonctions qui tendent vers zéro ou vers l’infini. On définit le petit oo, le grand OO, le même ordre et l’équivalence, et l’on démontre que, dans un produit ou un quotient, chaque facteur peut être remplacé par un autre qui lui est équivalent sans modifier la limite. Les limites trigonométriques, celles de l’exponentielle, du logarithme et des puissances, et celles des polynômes, démontrées dans les leçons qui précèdent, se rassemblent en un tableau d’équivalents, qui permet de calculer d’un coup d’œil des limites qui exigeaient auparavant plusieurs transformations. La leçon montre aussi l’erreur la plus courante avec cette technique, remplacer à l’intérieur d’une somme, dans quels cas une somme peut bel et bien être remplacée, et comment se comparent les puissances près de zéro et loin de l’origine.

Objectifs d’apprentissage

  1. Définir le petit oo, le grand OO, le même ordre et l’équivalence de fonctions en un point, d’un côté ou à l’infini, et démontrer leurs propriétés.
  2. Démontrer le théorème de substitution d’équivalents dans les produits et les quotients, et reconnaître pourquoi il ne vaut pas dans les sommes.
  3. Démontrer le tableau d’équivalents en zéro et l’utiliser, avec la composition, pour calculer des limites et déterminer l’ordre et la partie principale d’un infiniment petit.
  4. Comparer des infiniment grands et des infiniment petits de type puissance, et distinguer l’équivalence de l’existence d’une asymptote.

Comparer des fonctions

Les leçons sur le théorème des gendarmes et sur les limites infinies ont montré que les formes 00\frac{0}{0} et ∞∞\frac{\infty}{\infty} n’ont pas de résultat fixe : la limite d’un quotient de deux fonctions qui tendent vers zéro dépend de la rapidité avec laquelle elles le font. L’idée de cette leçon est de mesurer cette rapidité en comparant chaque fonction à une autre plus simple. Comme dans la leçon sur les limites infinies, PP désigne la cible de la variable (aa, a+a^+, a−a^-, ∞\infty ou −∞-\infty), et « au voisinage de PP » signifie dans un intervalle épointé, d’un côté ou sur une demi-droite. Si une fonction n’est définie que sur un ensemble AA dont aa est un point d’accumulation, « au voisinage de aa » signifie aux points de AA d’un intervalle épointé de centre aa, et les limites sont celles de la leçon sur la limite des fonctions d’une variable réelle, prises dans AA ; les définitions ci-dessous s’appliquent de la même façon dans ce cas.

DéfinitionComparaison des fonctions

Soient ff et gg des fonctions définies au voisinage de PP, avec g(x)≠0g(x) \neq 0 au voisinage de PP.

  • ff est négligeable devant gg en PP, et l’on écrit f=o⁡(g)f = \operatorname{o}(g), qui se lit « ff est un petit o de gg », si lim⁡x→Pf(x)g(x)=0\lim_{x \to P} \frac{f(x)}{g(x)} = 0.
  • ff est dominée par gg en PP, et l’on écrit f=O⁡(g)f = \operatorname{O}(g), qui se lit « ff est un grand O de gg », s’il existe C>0C > 0 tel que ∣f(x)∣≤C∣g(x)∣\abs{f(x)} \leq C\abs{g(x)} au voisinage de PP ; autrement dit, si le quotient f(x)g(x)\frac{f(x)}{g(x)} est borné au voisinage de PP.
  • ff et gg sont du même ordre en PP si f(x)g(x)\frac{f(x)}{g(x)} tend vers un nombre non nul.
  • ff et gg sont équivalentes en PP, et l’on écrit f∼gf \sim g, si lim⁡x→Pf(x)g(x)=1\lim_{x \to P} \frac{f(x)}{g(x)} = 1.

Une fonction qui tend vers 00 en PP s’appelle un infiniment petit en PP, et une fonction qui tend vers ∞\infty ou vers −∞-\infty, un infiniment grand. Un infiniment petit en 00 est d’ordre k>0k > 0 s’il est du même ordre que xkx^k (en 0+0^+, si xkx^k n’est définie que pour x>0x > 0), et alors, si f(x)xk\frac{f(x)}{x^k} tend vers cc, la fonction c xkc\,x^k est sa partie principale : f∼c xkf \sim c\,x^k.

Le mot « infiniment petit » ne désigne pas un nombre très petit, mais une fonction qui tend vers zéro ; l’écriture o⁡(g)\operatorname{o}(g) ne désigne pas une fonction précise, mais n’importe laquelle de celles qui sont négligeables devant gg. Par exemple, x2=o⁡(x)x^2 = \operatorname{o}(x) en 00, car x2x=x\frac{x^2}{x} = x tend vers 00 ; en revanche, x=o⁡(x2)x = \operatorname{o}(x^2) en ∞\infty, car xx2=1x\frac{x}{x^2} = \frac{1}{x} tend vers 00. Un même couple de fonctions se compare de façon opposée selon la cible. Le même ordre et l’équivalence ne font, au fond, qu’une seule comparaison : si ff et gg sont du même ordre avec un quotient qui tend vers cc, alors f∼c gf \sim c\,g.

PropositionPropriétés de la comparaison

En une même cible PP :

  • l’équivalence est réflexive, symétrique et transitive : f∼ff \sim f ; si f∼gf \sim g, alors g∼fg \sim f ; et si f∼gf \sim g et g∼hg \sim h, alors f∼hf \sim h ;
  • f∼gf \sim g si et seulement si f−g=o⁡(g)f - g = \operatorname{o}(g) ; en particulier, si h=o⁡(g)h = \operatorname{o}(g), alors g+h∼gg + h \sim g ;
  • si f=o⁡(h)f = \operatorname{o}(h) et g=o⁡(h)g = \operatorname{o}(h), alors f+g=o⁡(h)f + g = \operatorname{o}(h) et c f=o⁡(h)c\,f = \operatorname{o}(h) pour tout réel cc.

Chaque affirmation est une règle des opérations sur les limites appliquée à un quotient.

Démonstration

  1. gf=1fg→1,fh=fg⋅gh→1⋅1=1\frac{g}{f} = \frac{1}{\frac{f}{g}} \to 1, \qquad \frac{f}{h} = \frac{f}{g} \cdot \frac{g}{h} \to 1 \cdot 1 = \resaltar{1}

    Le quotient de ff par elle-même vaut 11. Si fg\frac{f}{g} tend vers 11, son inverse tend vers 11=1\frac{1}{1} = 1, par la règle de l’inverse. Si fg\frac{f}{g} et gh\frac{g}{h} tendent vers 11, leur produit aussi, par la règle du produit.

  2. f−gg=fg−1→0⇔fg→1\frac{f - g}{g} = \frac{f}{g} - 1 \to 0 \Leftrightarrow \frac{f}{g} \to \resaltar{1}

    Le quotient de f−gf - g par gg est fg−1\frac{f}{g} - 1, qui tend vers 00 si et seulement si fg\frac{f}{g} tend vers 11. Avec f=g+hf = g + h, la différence est hh.

  3. f+gh=fh+gh→0+0=0\frac{f + g}{h} = \frac{f}{h} + \frac{g}{h} \to 0 + 0 = \resaltar{0}

    Si fh\frac{f}{h} et gh\frac{g}{h} tendent vers 00, leur somme et le produit de chacun par une constante aussi, par la règle de la combinaison linéaire.

Le grand OO n’exige pas que le quotient ait une limite, mais seulement qu’il ne croisse pas sans contrôle. Par exemple, sin⁡x=O⁡(1)\sin x = \operatorname{O}(1) en ∞\infty, bien que sin⁡x\sin x n’y ait pas de limite, et xsin⁡1x=O⁡(x)x \sin \frac{1}{x} = \operatorname{O}(x) en 00, car ∣xsin⁡1x∣≤∣x∣\abs{x \sin \frac{1}{x}} \leq \abs{x}. Pour calculer des limites, le petit oo suffit ; le grand OO servira à mesurer des erreurs d’approximation, comme celle du polynôme de Taylor, qui sera étudiée en Analyse II. Ses règles sont énoncées ci-dessous.

PropositionRègles du grand O

En une même cible PP :

  • si fg\frac{f}{g} a une limite finie en PP, alors f=O⁡(g)f = \operatorname{O}(g) ; en particulier, si f=o⁡(g)f = \operatorname{o}(g) ou si f∼gf \sim g ;
  • si f=O⁡(h)f = \operatorname{O}(h) et g=O⁡(h)g = \operatorname{O}(h), alors f+g=O⁡(h)f + g = \operatorname{O}(h) et c f=O⁡(h)c\,f = \operatorname{O}(h) pour tout réel cc ;
  • si f1=O⁡(g1)f_1 = \operatorname{O}(g_1) et f2=O⁡(g2)f_2 = \operatorname{O}(g_2), alors f1f2=O⁡(g1g2)f_1 f_2 = \operatorname{O}(g_1 g_2) ;
  • si f1=O⁡(g1)f_1 = \operatorname{O}(g_1) et f2=o⁡(g2)f_2 = \operatorname{o}(g_2), alors f1f2=o⁡(g1g2)f_1 f_2 = \operatorname{o}(g_1 g_2).

Chaque règle est une inégalité entre valeurs absolues ; la dernière combine une majoration avec un quotient qui tend vers zéro.

Démonstration

  1. ∣f(x)g(x)∣≤∣f(x)g(x)−L∣+∣L∣<∣L∣+1\abs{\frac{f(x)}{g(x)}} \leq \abs{\frac{f(x)}{g(x)} - L} + \abs{L} < \resaltar{\abs{L} + 1}

    Si fg\frac{f}{g} tend vers LL, le défi ε=1\varepsilon = 1 a une réponse : au voisinage de PP, le quotient est à une distance de LL strictement inférieure à 11, et par l’inégalité triangulaire sa valeur absolue ne dépasse pas ∣L∣+1\abs{L} + 1.

  2. ∣f(x)+g(x)∣≤C1∣h(x)∣+C2∣h(x)∣=(C1+C2)∣h(x)∣\abs{f(x) + g(x)} \leq C_1\abs{h(x)} + C_2\abs{h(x)} = \resaltar{(C_1 + C_2)\abs{h(x)}}

    Les constantes de majoration C1C_1 de ff et C2C_2 de gg valent à la fois au voisinage de PP, dans l’intersection des deux voisinages. L’inégalité triangulaire majore la somme ; le multiple a la constante de majoration ∣c∣ C1\abs{c}\,C_1.

  3. ∣f1(x)f2(x)∣≤C1∣g1(x)∣⋅C2∣g2(x)∣=C1C2∣g1(x)g2(x)∣\abs{f_1(x) f_2(x)} \leq C_1\abs{g_1(x)} \cdot C_2\abs{g_2(x)} = \resaltar{C_1 C_2 \abs{g_1(x) g_2(x)}}

    Les majorations des deux facteurs se multiplient.

  4. 0≤∣f1(x)f2(x)g1(x)g2(x)∣≤C1∣f2(x)g2(x)∣→00 \leq \abs{\frac{f_1(x) f_2(x)}{g_1(x) g_2(x)}} \leq C_1 \abs{\frac{f_2(x)}{g_2(x)}} \to \resaltar{0}

    Le quotient du produit par g1g2g_1 g_2 est le produit d’un quotient majoré en valeur absolue par C1C_1 et d’un autre qui tend vers 00 ; par le théorème des gendarmes, il tend vers 00.