Transcription de la vidéo
Limites dâune diffĂ©rence de puissances
Dans cette vidĂ©o, nous allons prĂ©senter et dĂ©montrer plusieurs rĂ©sultats permettant de calculer la limite dâune diffĂ©rence de puissances. Nous verrons Ă©galement plusieurs exemples et applications de ces rĂ©sultats. Avant de passer aux rĂ©sultats de cette vidĂ©o, commençons par un cas que nous avons dĂ©jĂ vu auparavant, la limite dâune fonction rationnelle. On rappelle que si đ de đ„ sur đ de đ„ est une fonction rationnelle â câest-Ă -dire que đ et đ sont des fonctions polynĂŽmes - alors on peut calculer sa limite par substitution directe. La limite de đ de đ„ sur đ de đ„ lorsque đ„ tend vers đ est Ă©gale Ă đ de đ sur đ de đ. Et cela, bien sĂ»r, Ă condition que le dĂ©nominateur đ de đ soit diffĂ©rent de zĂ©ro.
On peut le dĂ©montrer directement Ă partir des propriĂ©tĂ©s des limites. On utilise simplement la formule de la limite dâun quotient et le fait que lâon peut calculer la limite dâune fonction polynĂŽme par substitution directe. Et une fonction rationnelle est un exemple de quotient de puissances. Par exemple, đ„ puissance n sur đ„ puissance m est Ă©gal Ă đ„ puissance đ moins đ. Nous souhaitons alors gĂ©nĂ©raliser cela davantage. Mais concentrons-nous pour lâinstant sur le cas des fonctions rationnelles. Plus prĂ©cisĂ©ment sur la condition selon laquelle đ de đ doit ĂȘtre diffĂ©rent de zĂ©ro.
Pour voir comment nous pourrions contourner cette condition, commençons par rappeler la dĂ©finition dâune limite. On dit que la limite dâune fonction đ de x lorsque đ„ tend vers đ est Ă©gale Ă une valeur finie đż si les valeurs de đ de đ„ tendent vers đż quand les valeurs de đ„ tendent vers đ des deux cĂŽtĂ©s. On ne sâintĂ©resse donc quâaux valeurs de đ de đ„ lorsque les valeurs de đ„ tendent vers đ. En dâautres termes, nous souhaitons savoir ce qui se passe lorsque les valeurs de đ„ sont de plus en plus proches de đ. Mais nous ne nous intĂ©ressons pas vraiment Ă ce qui se passe lorsque đ„ est Ă©gal Ă đ.
Nous pouvons utiliser ce principe pour construire un thĂ©orĂšme trĂšs utile. Et si nous avions une fonction đ Ă©gale Ă la fonction đ en tout point sauf lorsque đ„ est Ă©gal Ă đ? On commence donc par une fonction đ de đ„, qui est Ă©gale Ă la fonction đ de đ„ en tout point sauf lorsque đ„ est Ă©gal Ă đ. Et on souhaite lâutiliser pour dĂ©terminer la limite de đ de đ„ lorsque đ„ tend vers đ. Il se trouve que lâon peut la calculer. On sait que đ de đ„ est Ă©gale Ă đ de đ„ partout sauf lorsque đ„ est Ă©gal Ă đ. Le fait que đ de đ„ soit diffĂ©rente de đ de đ„ en đ„ Ă©gale đ nâaffectera pas sa limite car on ne sâintĂ©resse pas vraiment ce qui se passe lorsque đ„ est Ă©gal Ă đ.
Leurs limites lorsque đ„ tend vers đ doivent donc ĂȘtre Ă©gales. La limite de đ de đ„ lorsque đ„ tend vers đ sera Ă©gale Ă la limite de đ de đ„ lorsque đ„ tend vers đ. Et cela nous donne un rĂ©sultat vraiment utile. Si on a deux fonctions đ et đ Ă©gales en tout point sauf lorsque đ„ est Ă©gal Ă đ, telles que la limite de đ de đ„ lorsque đ„ tend vers đ est Ă©gale Ă une valeur finie đż, alors la limite de đ de đ„ quand đ„ tend vers đ doit aussi ĂȘtre Ă©gale Ă đż.
Nous sommes maintenant prĂȘts Ă appliquer ce rĂ©sultat directement au cas des fonctions rationnelles. Commençons par un exemple. Supposons que nous souhaitions Ă©valuer la limite de đ„ plus un fois đ„ moins un sur đ„ plus un lorsque đ„ tend vers moins un. Comme il sâagit dâune fonction rationnelle, nous pouvons essayer de la calculer par substitution directe. En faisant cela, on voit cependant que le đ„ plus un du numĂ©rateur deviendrait Ă©gal Ă zĂ©ro. Ainsi que le đ„ plus un du dĂ©nominateur. La substitution directe nous donne ainsi la forme indĂ©terminĂ©e zĂ©ro sur zĂ©ro, ce qui signifie que lâon ne peut pas Ă©valuer cette limite par substitution directe.
Mais il est important de rappeler que cela ne veut pas dire que nous pouvons conclure que la limite nâexiste pas. Cela nous indique seulement que lâon ne peut pas Ă©valuer cette limite en utilisant cette mĂ©thode. Nous devons donc essayer une mĂ©thode diffĂ©rente. Nous pouvons alors essayer dâannuler le facteur commun đ„ plus un au numĂ©rateur et au dĂ©nominateur. Cela nous donnera la limite de đ„ moins un lorsque đ„ tend vers moins un, que lâon peut cette fois Ă©valuer par substitution directe. Mais nous devons ĂȘtre prudents. Annuler le facteur commun đ„ plus un a modifiĂ© la fonction dont nous calculons la limite. Moins un nâappartenait pas Ă lâensemble de dĂ©finition de la fonction initiale. Mais il est dans lâensemble de dĂ©finition de la fonction đ„ moins un.
Et cette opĂ©ration est en fait possible grĂące Ă la propriĂ©tĂ© que nous venons de dĂ©montrer. Lorsque đ„ est diffĂ©rent de moins un, đ„ plus un est un nombre non nul. Et un nombre non nul divisĂ© par lui-mĂȘme est toujours Ă©gal Ă un. Cela signifie en rĂ©alitĂ© que la fonction rationnelle dâorigine et la fonction polynĂŽme đ„ moins un sont Ă©gales en tout point sauf lorsque đ„ est Ă©gal Ă moins un. DâaprĂšs la propriĂ©tĂ© prĂ©cĂ©dente, leurs limites doivent donc ĂȘtre Ă©gales. Et on peut Ă©valuer la limite de đ„ moins un lorsque đ„ tend vers moins un par substitution directe. Elle est Ă©gale Ă moins un moins un, ce qui fait bien sĂ»r moins deux.
On peut utiliser exactement le mĂȘme raisonnement pour Ă©valuer la limite dâautres fonctions rationnelles. Faisons donc un peu de place et penchons-nous sur un autre exemple. Nous souhaitons maintenant dĂ©terminer la limite de đ„ puissance n moins đ puissance n sur đ„ moins đ lorsque đ„ tend vers đ. On suppose pour le moment que đ est un entier strictement positif. Comme il sâagit dâune fonction rationnelle, on peut essayer dâĂ©valuer cette limite par substitution directe. On obtient alors đ puissance n moins đ puissance n sur đ moins đ, ce qui se simplifie par zĂ©ro sur zĂ©ro et qui est bien sĂ»r une forme indĂ©terminĂ©e.
Essayons donc plutĂŽt la mĂȘme astuce que prĂ©cĂ©demment. Nous souhaitons annuler le facteur commun đ„ moins đ au numĂ©rateur et au dĂ©nominateur. On appelle pour cela la fonction polynĂŽme du numĂ©rateur đ de đ„. Elle est Ă©gale Ă đ„ puissance n moins đ puissance đ. En particulier, comme đ de đ est Ă©gal Ă zĂ©ro, on sait que đ„ moins đ doit ĂȘtre un facteur de đ de đ„ dâaprĂšs les propriĂ©tĂ©s de la division euclidienne de polynĂŽmes. Ces derniĂšres permettent dâailleurs de montrer que đ„ puissance n moins đ puissance n est Ă©gal Ă đ„ moins đ fois đ„ puissance đ moins un plus đ fois đ„ puissance đ moins deux plus đ au carrĂ© fois đ„ puissance đ moins trois. Et ainsi de suite jusquâĂ đ puissance đ moins un.
On substitue alors cette expression directement dans notre limite. Ce qui nous donne lâexpression qui sâaffiche. Et on peut Ă prĂ©sent annuler le facteur commun đ„ moins đ au numĂ©rateur et au dĂ©nominateur. On rappelle une nouvelle fois que câest possible car on calcule la limite lorsque đ„ tend vers đ. Annuler le facteur commun đ„ moins đ ne change la valeur de la fonction nulle part sauf lorsque đ„ est Ă©gal Ă đ. On a donc maintenant la limite lorsque đ„ tend vers đ de đ„ puissance đ moins un plus đ fois đ„ puissance đ moins deux. Et cĂŠtera jusquâĂ đ puissance đ moins un. Il sâagit de la limite dâune fonction polynĂŽme, que lâon peut Ă©valuer par substitution directe.
On obtient đ puissance đ moins un plus đ fois đ puissance đ moins deux. Et ainsi de suite jusquâĂ đ puissance đ moins un. En simplifiant chaque terme, on remarque quelque chose dâintĂ©ressant. Chaque terme de cette expression est en fait Ă©gal Ă đ puissance đ moins un. Et il y a đ termes dans cette expression : un pour chaque exposant de đ„, de đ moins un Ă zĂ©ro. Cela est donc simplement Ă©gal Ă đ fois đ puissance đ moins un.
Et bien que nous ayons supposĂ© que đ Ă©tait un entier strictement positif, ce rĂ©sultat est vrai pour toute valeur de đ. Pour toutes constantes rĂ©elles đ et đ, la limite de đ„ puissance đ moins đ puissance n sur đ„ moins đ lorsque đ„ tend vers đ est Ă©gale Ă đ fois đ puissance đ moins un. Et cela Ă condition que đ puissance n et đ puissance đ moins un existent tous les deux. Voyons maintenant un exemple dâapplication de cette formule pour Ă©valuer une limite.
Calculez la limite de racine quatriĂšme de un moins un fois racine sixiĂšme de đ„ puissance sept moins un sur đ„ moins un au carrĂ© lorsque đ„ tend vers un.
Cette question nous demande dâĂ©valuer une limite. Et on peut voir quâil sâagit de la limite dâune fonction assez compliquĂ©e. Cette fonction est cependant une combinaison de diffĂ©rences, quotients, produits et compositions de fonctions puissances et polynĂŽmes. On peut donc essayer dâĂ©valuer sa limite par substitution directe. Si on substitue đ„ Ă©gale un dans cette fonction puis que lâon simplifie, on obtient zĂ©ro sur zĂ©ro, ce qui est une forme indĂ©terminĂ©e; cela signifie que lâon ne peut pas Ă©valuer la limite en utilisant cette mĂ©thode. Nous devons essayer une mĂ©thode diffĂ©rente pour la calculer. On remarque alors que cette limite a une forme trĂšs similaire Ă une limite que lâon sait calculer.
On sait en effet que pour toutes constantes rĂ©elles đ et đ, la limite de đ„ puissance n moins đ puissance n sur đ„ moins đ lorsque đ„ tend vers đ est Ă©gale Ă đ fois đ puissance đ moins un. Et cela Ă condition que a puissance n et đ puissance đ moins un existent tous les deux. Nous devons donc reformuler notre limite sous cette forme. On commence par sĂ©parer lâexpression en un produit de chaque terme du numĂ©rateur sur un facteur du dĂ©nominateur. On obtient ainsi la limite de racine quatriĂšme de đ„ moins un sur đ„ moins un multipliĂ© par racine sixiĂšme de đ„ puissance sept moins un sur đ„ moins un lorsque đ„ tend vers un.
Chacun de ces deux termes est maintenant sous la forme permettant dâappliquer la formule ci-dessus. DâaprĂšs la formule de la limite dâun produit, la limite dâun produit de deux fonctions est Ă©gale au produit des limites de ces fonctions. Et on prĂ©cise Ă nouveau que cela nâest possible que si les limites des deux fonctions existent. Nous pourrons montrer quâelles existent bien grĂące au rĂ©sultat obtenu prĂ©cĂ©demment. Avant de pouvoir lâappliquer, nous devons reformuler les numĂ©rateurs. DâaprĂšs les lois des puissances, racine quatriĂšme de đ„ Ă©gale đ„ puissance un sur quatre et racine sixiĂšme de đ„ puissance sept Ă©gale đ„ puissance sept sur six.
Nous sommes maintenant prĂȘts Ă utiliser la formule ci-dessus pour Ă©valuer notre limite. Commençons par la premiĂšre limite. Dans ce cas, đ est Ă©gal Ă un sur quatre et đ est Ă©gal Ă un. Il convient de remarquer ici que un est Ă©gal Ă un puissance un sur quatre. Donc cette expression est bien sous la forme attendue. DâaprĂšs la formule ci-dessus, cette limite est donc Ă©gale Ă đ fois đ puissance đ moins un, câest-Ă -dire un sur quatre fois un puissance un sur quatre moins un.
Et on peut faire exactement la mĂȘme chose pour la deuxiĂšme limite. La valeur de đ est sept sur six et la valeur de đ est Ă nouveau un. Et on peut utiliser la mĂȘme formule pour calculer cette limite. Elle est Ă©gale Ă đ fois đ puissance đ moins un, soit sept sur six fois un puissance sept sur six moins un. Et on doit bien sĂ»r calculer le produit de ces valeurs. On peut maintenant calculer directement cette expression. Tout dâabord, un Ă©levĂ© Ă nâimporte quelle puissance est juste Ă©gal Ă un. Lâexpression se simplifie donc par un sur quatre fois sept sur six, soit sept sur 24.
Nous avons ainsi montrĂ© que la limite de racine quatriĂšme de đ„ moins un fois racine sixiĂšme de đ„ puissance sept moins un sur đ„ moins un au carrĂ© lorsque đ„ tend vers un est Ă©gale Ă sept sur 24.
On peut en fait dĂ©montrer deux autres formules de limites vraiment utiles grĂące Ă cette formule. Imaginons tout dâabord que nous devions Ă©valuer la limite de đ„ puissance n moins đ puissance n sur đ„ puissance m moins đ puissance m lorsque đ„ tend vers đ. On peut en fait reformuler cela en fonction de la formule ci-dessus. On commence par introduire un facteur đ„ moins đ au numĂ©rateur et au dĂ©nominateur. Ensuite, au lieu de multiplier les termes, nous allons diviser le premier terme par lâinverse du second. Cela nous donne lâexpression suivante. Et on voit alors que ces deux termes sont sous la forme nĂ©cessaire pour appliquer la formule. Nous devons ensuite utiliser la formule de la limite dâun quotient pour calculer cette limite.
Cette formule stipule que la limite dâun quotient de deux fonctions est Ă©gale au quotient des limites de ces deux fonctions. Et cela Ă condition que les deux limites existent et que la limite du dĂ©nominateur soit diffĂ©rente de zĂ©ro. On peut Ă prĂ©sent Ă©valuer ces deux limites Ă lâaide de la formule ci-dessus. La premiĂšre limite est Ă©gale Ă đ fois đ puissance đ moins un. Et la deuxiĂšme limite est Ă©gale Ă đ fois đ puissance đ moins un. Et on doit calculer le quotient de ces valeurs. En les divisant et en simplifiant, on obtient đ sur đ fois đ puissance đ moins đ.
Et cela nous donne une formule vraiment utile. Pour toutes constantes rĂ©elles đ, đ et đ, la limite de đ„ puissance đ moins đ puissance n sur đ„ puissance m moins đ puissance m lorsque đ„ tend vers đ est Ă©gale Ă đ sur đ fois đ puissance đ moins đ. Et cela Ă condition que đ soit diffĂ©rent de zĂ©ro et que đ puissance n, đ puissance m et đ puissance đ moins đ existent tous.
On peut dĂ©montrer un autre rĂ©sultat utile Ă partir cette formule. Nous allons pour cela effectuer le changement de variable đŠ Ă©gale đ„ moins đ dans cette formule. Faisons dâabord un peu de place. On peut trouver une expression de đ„ en ajoutant đ aux deux membres. Et on obtient đ„ Ă©gale đŠ plus đ. On note Ă©galement que quand les valeurs de đ„ tendent vers đ, đ„ moins đ tend vers zĂ©ro. Donc les valeurs de đŠ tendent vers zĂ©ro. En effectuant le changement de variable đŠ Ă©gale đ„ moins đ dans la limite, on obtient la limite de y plus đ puissance n moins đ puissance n sur đŠ lorsque đŠ tend vers zĂ©ro. Et cela est Ă©gal Ă đ fois đ puissance đ moins un. On peut alors gĂ©nĂ©raliser ce rĂ©sultat avec la variable đ„.
Cela nous donne la formule suivante. Pour toutes constantes rĂ©elles đ et đ, la limite de đ„ plus đ puissance đ moins đ puissance đ sur đ„ lorsque đ„ tend vers zĂ©ro est Ă©gale Ă đ fois đ puissance đ moins un. Et cela Ă condition que a puissance n et đ puissance đ moins un existent.
Voyons maintenant un exemple dâapplication dâune de ces formules.
Calculez la limite de đ„ moins quatre au cube plus huit sur đ„ moins deux lorsque đ„ tend vers deux.
Cette question nous demande dâĂ©valuer la limite dâune fonction. On peut voir que le numĂ©rateur et le dĂ©nominateur de la fonction sont tous les deux des polynĂŽmes. Donc, il sâagit dâune fonction rationnelle. Et on peut essayer dâĂ©valuer la limite dâune fonction rationnelle par substitution directe. En substituant đ„ Ă©gale deux dans la fonction, on obtient deux moins quatre au cube plus huit sur deux moins deux, ce qui donne la forme indĂ©terminĂ©e zĂ©ro sur zĂ©ro. Nous ne pouvons donc pas Ă©valuer cette limite par substitution directe et allons devoir utiliser une mĂ©thode diffĂ©rente.
On remarque que la limite de cette question est trĂšs similaire Ă une des formules que nous venons de dĂ©montrer. Qui stipule la limite de đ„ plus đ puissance đ moins đ puissance đ sur đ„ lorsque đ„ tend vers zĂ©ro est Ă©gale Ă đ fois đ puissance đ moins un. Et cela Ă condition que đ puissance n et đ puissance đ moins un existent tous les deux. Mais ce rĂ©sultat suppose que đ„ tend vers zĂ©ro alors que đ„ tend vers deux pour notre limite. Nous allons donc effectuer le changement de variable đŠ Ă©gale đ„ moins deux. Lorsque les valeurs de đ„ tendent vers deux, đ„ moins deux tend vers zĂ©ro. Donc les valeurs de đŠ tendent vers zĂ©ro.
Au dĂ©nominateur, on a đ„ moins deux, ce qui sera Ă©gal Ă đŠ. Mais au numĂ©rateur, on a đ„ moins quatre. Nous devons donc trouver une expression de đ„ moins quatre. Et on peut la trouver en soustrayant deux aux deux membres de lâexpression de đŠ. On obtient ainsi đŠ moins deux Ă©gale đ„ moins quatre. Par consĂ©quent, en utilisant le changement de variable đŠ Ă©gale đ„ moins deux, on peut rĂ©Ă©crire notre limite par la limite de đŠ moins deux au cube plus huit sur đŠ lorsque đŠ tend vers zĂ©ro.
Et cela est maintenant presque sous la forme nĂ©cessaire. On peut lâĂ©crire sous la forme exacte de la formule ci-dessus en notant que đŠ plus moins deux est la mĂȘme chose que đŠ moins deux et que huit est la mĂȘme chose que moins un fois moins deux au cube. Donc, la valeur de đ est moins deux et la valeur de đ est trois. On en dĂ©duit que cette limite est Ă©gale Ă đ fois đ puissance đ moins un. En substituant đ Ă©gale moins deux et đ Ă©gale trois, on obtient trois fois moins deux puissance trois moins un, ce qui est Ă©gal Ă 12. Par consĂ©quent, nous avons montrĂ© que la limite de đ„ moins quatre au cube plus huit sur đ„ moins deux lorsque đ„ tend vers deux est Ă©gale Ă 12.
Passons maintenant en revue certains des points clĂ©s que nous avons prĂ©sentĂ©s dans cette leçon. Tout dâabord, si deux fonctions đ et đ sont Ă©gales en tout point sauf lorsque đ„ est Ă©gal Ă đ et si la limite de đ de đ„ lorsque đ„ tend vers đ est Ă©gale Ă đż, alors la limite de đ de đ„ lorsque đ„ tend vers đ doit aussi ĂȘtre Ă©gale Ă đż. Il sâagit dâune propriĂ©tĂ© vraiment utile. Elle nous permet notamment dâannuler les facteurs communs du type đ„ moins đ lorsque lâon Ă©value la limite de fonctions rationnelles.
Nous avons Ă©galement montrĂ© trois formules de limites utiles pour toutes constantes rĂ©elles đ, đ et đ. Dâabord, la limite de đ„ puissance đ moins đ puissance n sur đ„ moins đ lorsque đ„ tend vers đ est Ă©gale Ă đ fois đ puissance đ moins un. Et cela Ă condition que đ puissance n et đ puissance đ moins un existent tous les deux. Ensuite, la limite de đ„ puissance n moins đ puissance n sur đ„ puissance đ moins đ puissance m lorsque đ„ tend vers đ est Ă©gale Ă đ sur đ fois đ puissance đ moins đ. Et cela Ă condition que đ soit diffĂ©rent de zĂ©ro et que đ puissance n, đ puissance m et đ puissance đ moins đ existent tous. Enfin, la limite de đ„ plus đ puissance n moins đ puissance n sur đ„ lorsque đ„ tend vers zĂ©ro est Ă©gale Ă đ fois đ puissance đ moins un. Et cela Ă condition que đ puissance n et đ puissance đ moins un existent tous les deux.