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Topos Uranos

Résumé

Cette leçon démontre la règle de L’Hôpital : si ff et gg tendent vers 00, ou si gg tend vers l’infini, et si le quotient de leurs dérivées a une limite, alors le quotient fg\frac{f}{g} a la même limite. La démonstration applique le théorème des accroissements finis de Cauchy, de la leçon qui précède, sur un intervalle dont une extrémité est fixe et l’autre variable ; le cas où le dénominateur tend vers l’infini exige un argument plus fin, qui ne demande rien au numérateur. La règle vaut d’un côté d’un point, en ce point et en l’infini, et peut s’appliquer plusieurs fois de suite : c’est ainsi qu’on calcule la limite de f(x)−f(a)(x−a)n\frac{f(x) - f(a)}{(x - a)^n} lorsque les premières dérivées de ff s’annulent en aa. Les formes 0⋅∞0 \cdot \infty, ∞−∞\infty - \infty, 1∞1^\infty, 000^0 et ∞0\infty^0 se ramènent à un quotient. La leçon montre aussi quand la règle ne s’applique pas ou ne permet pas de conclure, pourquoi elle ne sert pas pour les limites qui ont permis de calculer les dérivées, et comment elle se combine avec les infiniment petits équivalents.

Objectifs d’apprentissage

  1. Démontrer la règle de L’Hôpital pour les formes 00\frac{0}{0} et ∞∞\frac{\infty}{\infty}, d’un côté d’un point, en ce point et en l’infini, à partir du théorème des accroissements finis de Cauchy.
  2. Calculer des limites de formes indéterminées en les ramenant à un quotient, et appliquer la règle plusieurs fois, en vérifiant ses hypothèses à chaque application.
  3. Reconnaître quand la règle ne s’applique pas ou ne permet pas de conclure : limites qui ne sont pas indéterminées, quotients de dérivées sans limite, dérivées du dénominateur qui s’annulent près du point, et les limites que le calcul des dérivées présuppose.
  4. Combiner la règle avec les infiniment petits équivalents et avec les opérations sur les limites, et choisir dans chaque cas le chemin le plus court.

La forme zéro sur zéro

Le corollaire de la limite d’un quotient, de la leçon sur les opérations sur les limites, exige que le dénominateur ait une limite non nulle. Si le numérateur et le dénominateur tendent tous deux vers 00, le quotient peut tendre vers n’importe quel nombre, ou vers l’infini, ou n’avoir aucune limite : 3xx\frac{3x}{x} tend vers 33, x2x\frac{x^2}{x} tend vers 00, et xsin⁡1xx\frac{x \sin \frac{1}{x}}{x} n’a pas de limite en 00. C’est pourquoi on dit que 00\frac{0}{0} est une forme indéterminée : la limite de chaque terme ne détermine pas celle du quotient. La leçon sur les infiniment petits équivalents a résolu beaucoup de ces limites, en remplaçant chaque facteur par un équivalent tiré de son tableau ; mais une différence comme x−sin⁡xx - \sin x n’est pas un produit de facteurs du tableau, et ses termes ne peuvent pas être remplacés.

La dérivée suggère un autre chemin. Si f(a)=g(a)=0f(a) = g(a) = 0, si ff et gg sont dérivables en aa et si g′(a)≠0g'(a) \neq 0, en divisant le numérateur et le dénominateur par x−ax - a, on transforme le quotient en un quotient de taux d’accroissement, et le corollaire de la limite d’un quotient donne :

f(x)g(x)=f(x)−f(a)x−ag(x)−g(a)x−a→f′(a)g′(a)\frac{f(x)}{g(x)} = \frac{\frac{f(x) - f(a)}{x - a}}{\frac{g(x) - g(a)}{x - a}} \to \frac{f'(a)}{g'(a)}

Mais souvent g′(a)g'(a) est nul lui aussi, ou ff et gg ne sont pas définies en aa. La règle de L’Hôpital remplace les valeurs des dérivées en aa par la limite de leur quotient près de aa. L’outil est le théorème des accroissements finis de Cauchy, de la leçon sur les théorèmes de Fermat, Rolle, Lagrange et Cauchy : si ff et gg sont continues sur [a,b]\icc{a}{b}, avec a<ba < b, et dérivables en tout point de (a,b)\ioo{a}{b}, et si g′(x)≠0g'(x) \neq 0 pour tout xx de (a,b)\ioo{a}{b}, alors g(b)≠g(a)g(b) \neq g(a) et il existe un cc dans (a,b)\ioo{a}{b} tel que f(b)−f(a)g(b)−g(a)=f′(c)g′(c)\frac{f(b) - f(a)}{g(b) - g(a)} = \frac{f'(c)}{g'(c)}. À la différence de deux applications du théorème de Lagrange, qui donneraient deux points distincts, le théorème de Cauchy donne un même point pour le numérateur et pour le dénominateur.

ThéorèmeRègle de L’Hôpital pour la forme zéro sur zéro

Soient a<ba < b, et soient ff et gg des fonctions dérivables en tout point de (a,b)\ioo{a}{b}, avec g′(x)≠0g'(x) \neq 0 pour tout xx de (a,b)\ioo{a}{b}. Supposons que f(x)f(x) et g(x)g(x) tendent vers 00 lorsque x→a+x \to a^+, et que

lim⁡x→a+f′(x)g′(x)=L\lim_{x \to a^+} \frac{f'(x)}{g'(x)} = L

où LL est un nombre réel, ∞\infty ou −∞-\infty. Alors g(x)≠0g(x) \neq 0 pour tout xx de (a,b)\ioo{a}{b}, et

lim⁡x→a+f(x)g(x)=L\lim_{x \to a^+} \frac{f(x)}{g(x)} = L

On prolonge ff et gg par la valeur 00 en aa, et on applique le théorème de Cauchy sur [a,x]\icc{a}{x} : le quotient f(x)g(x)\frac{f(x)}{g(x)} est un quotient d’accroissements, égal à celui des dérivées en un point situé entre aa et xx. La figure montre, avec f(x)=sin⁡xf(x) = \sin x, g(x)=ex−1g(x) = e^x - 1 et a=0a = 0, les points (g(t),f(t))\left(g(t), f(t)\right) : le quotient f(x)g(x)\frac{f(x)}{g(x)} est la pente de la corde qui joint l’origine au point correspondant à xx, et le quotient des dérivées en cc, celle de la tangente parallèle.

Démonstration

  1. F(a)=G(a)=0,F′(t)=f′(t),G′(t)=g′(t)≠0,a<t<xF(a) = G(a) = 0, \qquad F'(t) = f'(t), \quad G'(t) = g'(t) \neq 0, \qquad a < t < x

    Soient FF et GG les fonctions qui valent ff et gg sur (a,b)\ioo{a}{b} et 00 en aa. Soit xx dans (a,b)\ioo{a}{b}. Les deux sont continues sur [a,x]\icc{a}{x} : en aa, parce que leurs limites à droite valent 00 ; aux autres points, par le théorème selon lequel dérivable implique continue, de la leçon sur la dérivée comme limite. En tout point de (a,x)\ioo{a}{x} elles sont dérivables, avec les dérivées de ff et de gg, par le lemme du caractère local de la dérivée, de la leçon sur les règles de dérivation.

  2. f(x)g(x)=F(x)−F(a)G(x)−G(a)=f′(c)g′(c),a<c<x\frac{f(x)}{g(x)} = \frac{F(x) - F(a)}{G(x) - G(a)} = \dato{c}{\frac{f'(c)}{g'(c)}}, \qquad a < c < x

    Par le théorème des accroissements finis de Cauchy sur [a,x]\icc{a}{x}, G(x)≠G(a)G(x) \neq G(a), c’est-à-dire g(x)≠0g(x) \neq 0, et il existe un cc entre aa et xx tel que le quotient d’accroissements est celui des dérivées en cc.

  3. a<x<a+δ→∣f(x)g(x)−L∣=∣f′(c)g′(c)−L∣<εa < x < a + \delta \rightarrow \abs{\frac{f(x)}{g(x)} - L} = \abs{\frac{f'(c)}{g'(c)} - L} < \resaltar{\varepsilon}

    Soient LL réel et ε>0\varepsilon > 0. Par la définition de la limite à droite, de la leçon sur les limites à gauche et à droite, il existe un δ>0\delta > 0, que l’on peut prendre inférieur ou égal à b−ab - a, tel que ∣f′(t)g′(t)−L∣<ε\abs{\frac{f'(t)}{g'(t)} - L} < \varepsilon si a<t<a+δa < t < a + \delta. Si a<x<a+δa < x < a + \delta, le point cc du deuxième temps vérifie a<c<x<a+δa < c < x < a + \delta. Si L=∞L = \infty, le même argument avec un défi NN donne f(x)g(x)>N\frac{f(x)}{g(x)} > N ; si L=−∞L = -\infty, il donne f(x)g(x)<N\frac{f(x)}{g(x)} < N.

Il n’est pas nécessaire de savoir comment cc dépend de xx, ni qu’il soit unique : il suffit qu’il soit situé entre aa et xx. L’hypothèse g′≠0g' \neq 0 est exigée sur tout l’intervalle (a,b)\ioo{a}{b}, parce que le théorème de Cauchy l’utilise sur chaque [a,x]\icc{a}{x} ; comme la limite ne dépend que des valeurs proches, il suffit de trouver un intervalle (a,b)\ioo{a}{b} où elle soit satisfaite, si petit soit-il. Il ne suffit pas, en revanche, que la dérivée du dénominateur ne s’annule qu’en des points isolés qui s’accumulent au point, ou qui ne sont pas bornés si la variable tend vers l’infini, comme le montre le problème résolu 5. Si ff et gg sont définies sur un ensemble plus grand, on applique le théorème à leurs restrictions à (a,b)\ioo{a}{b}, qui ont la même limite à droite en aa.

Il en va de même à gauche, avec un intervalle (b,a)\ioo{b}{a}, b<ab < a, et x→a−x \to a^- : il suffit d’appliquer le théorème à f(−t)f(-t) et à g(−t)g(-t) près de −a-a à droite, par la proposition de translation et symétrie, de la leçon sur les limites à gauche et à droite ; la règle de dérivation en chaîne change le signe des deux dérivées et n’altère pas leur quotient. Si les hypothèses sont satisfaites des deux côtés de aa, sur (a−r,a)\ioo{a - r}{a} et sur (a,a+r)\ioo{a}{a + r}, le théorème reliant la limite à la limite à gauche et à la limite à droite, de cette même leçon, donne la limite lorsque x→ax \to a (si LL est infini, avec le même argument du plus petit des deux rayons). La fonction peut être définie en aa ou non ; sa valeur en ce point n’intervient pas.

ExempleTrois applications de suite

Considérons lim⁡x→0x−sin⁡xx3\lim_{x \to 0} \frac{x - \sin x}{x^3}. Le numérateur et le dénominateur tendent vers 00, et la dérivée du dénominateur, 3x23x^2, ne s’annule pas en dehors de 00. Le quotient des dérivées est 1−cos⁡x3x2\frac{1 - \cos x}{3x^2}, de nouveau de la forme 00\frac{0}{0}, avec un dénominateur de dérivée 6x6x, qui ne s’annule pas non plus en dehors de 00 ; et le nouveau quotient, sin⁡x6x\frac{\sin x}{6x}, tend vers 16\frac{1}{6} par la limite trigonométrique fondamentale :

lim⁡x→0x−sin⁡xx3=lim⁡x→01−cos⁡x3x2=lim⁡x→0sin⁡x6x=16\lim_{x \to 0} \frac{x - \sin x}{x^3} = \lim_{x \to 0} \frac{1 - \cos x}{3x^2} = \lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{6x} = \frac{1}{6}

La suite d’égalités se lit de droite à gauche : la dernière limite existe, et la règle, appliquée deux fois, transmet sa valeur vers l’arrière. Écrire le premier signe égal avant de savoir que la deuxième limite existe n’est qu’une manière de noter le calcul, qui se justifie une fois celui-ci terminé. La deuxième limite découle aussi du tableau d’équivalents, avec 1−cos⁡x∼x221 - \cos x \sim \frac{x^2}{2} ; la première, non.