Exercices types : 22ème partie - Exercice 2

45 min
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Question 1
Partie A.
Soit la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=2x+2sin⁡(x)f\left(x\right)=2x+2\sin \left(x\right) .

Déterminer la limite de ff en −∞-\infty.

Correction
Soit x∈Rx\in \mathbb{R}, on sait que :
−1≤sin⁡(x)≤1-1\le \sin \left(x\right)\le 1 équivaut successivement à :
−2≤2sin⁡(x)≤2-2\le 2\sin \left(x\right)\le 2
−2+2x≤2sin⁡(x)+2x≤2+2x-2+2x\le 2\sin \left(x\right)+2x\le 2+2x
  • D'une part lim⁡x→−∞−2+2x=−∞\lim\limits_{x\to -\infty } -2+2x=-\infty
  • D'autre part lim⁡x→−∞2+2x=−∞\lim\limits_{x\to -\infty } 2+2x=-\infty .
Attention, ici on ne peut pas conclure avec le théorème des gendarmes.
En effet, les limites doivent êtres finies.
Dans ce cas, on va utiliser le théorème de comparaison.
Comme lim⁡x→−∞2+2x=−∞\lim\limits_{x\to -\infty } 2+2x=-\infty et que 2x+2sin⁡(x)≤2+2x 2x+2\sin \left(x\right)\le 2+2x.
Alors, d'après le théorème de comparaison
lim⁡x→−∞2x+2sin⁡(x)=−∞\lim\limits_{x\to -\infty } 2x+2\sin \left(x\right)=-\infty
Question 2

Déterminer la limite de ff en +∞+\infty.

Correction
Soit x∈Rx\in \mathbb{R}, on sait que :
−1≤sin⁡(x)≤1-1\le \sin \left(x\right)\le 1 équivaut successivement à :
−2≤2sin⁡(x)≤2-2\le 2\sin \left(x\right)\le 2
−2+2x≤2sin⁡(x)+2x≤2+2x-2+2x\le 2\sin \left(x\right)+2x\le 2+2x
  • D'une part lim⁡x→+∞−2+2x=+∞\lim\limits_{x\to +\infty } -2+2x=+\infty
  • D'autre part lim⁡x→+∞2+2x=+∞\lim\limits_{x\to +\infty } 2+2x=+\infty .
Attention, ici on ne peut pas conclure avec le théorème des gendarmes.
En effet, les limites doivent êtres finies.
Dans ce cas, on va utiliser le théorème de comparaison.
Comme lim⁡x→+∞−2+2x=+∞\lim\limits_{x\to +\infty } -2+2x=+\infty et que −2+2x≤2x+2sin⁡(x) -2+2x \le2x+2\sin \left(x\right).
Alors, d'après le théorème de comparaison
lim⁡x→+∞2x+2sin⁡(x)=+∞\lim\limits_{x\to +\infty } 2x+2\sin \left(x\right)=+\infty
Question 3

Montrer que la fonction ff est croissante sur R\mathbb{R}.

Correction
Il nous faut étudier les variations de la fonction ff.
ff est dérivable sur R\mathbb{R}.
On a :
f′(x)=2+2cos⁡(x)f'\left(x\right)=2+2\cos \left(x\right)

Or pour tout réel xx, on a :
−1≤cos⁡(x)≤1-1\le \cos \left(x\right)\le 1 équivaut successivement à
−2≤2cos⁡(x)≤2-2\le 2\cos \left(x\right)\le 2
0≤2+2cos⁡(x)≤40\le 2+2\cos \left(x\right)\le 4
Il en résulte que :
0≤f′(x)≤40\le f'\left(x\right)\le 4

Ainsi pour tout réel xx, on a f′(x)≥0f'\left(x\right)\ge 0, donc la fonction ff est croissante sur R\mathbb{R}.
On traduit cela dans un tableau de variation, il vient alors :
Question 4

Démontrer que l'équation f(x)=0f\left(x\right)=0 admet une unique solution α\alpha sur R\mathbb{R} .

Correction
Nous faisons apparaître le zéro recherché dans le tableau de variation donnée. Il vient alors que :
Sur ]−∞;+∞[\left]-\infty;+\infty\right[, la fonction ff est continue et strictement croissante.
De plus, lim⁡x→−∞f(x)=−∞\lim\limits_{x\to -\infty } f\left(x\right)=-\infty et lim⁡x→+∞f(x)=+∞\lim\limits_{x\to +\infty } f\left(x\right)=+\infty .
Or 0∈]−∞;+∞[0\in \left]-\infty;+\infty\right[, donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires, il existe une unique solution α\alpha appartenant à l'intervalle ]−∞;+∞[\left]-\infty;+\infty\right[ tel que f(x)=0f\left(x\right)=0.
Question 5

Calculer f(0)f\left(0\right) .

Correction
f(0)=2×0+2sin⁡(0)f\left(0\right)=2\times0+2\sin \left(0\right)
f(0)=0f\left(0\right)=0

Il en résulte donc que α=0\alpha=0.
Question 6

En déduire le signe de ff selon les valeurs de xx.

Correction
Sur ]−∞;+∞[\left]-\infty;+\infty\right[, la fonction ff est continue et strictement croissante et f(0)=0f\left(0\right) = 0
Donc f(x)≤0f\left(x\right)\le0 pour tout x∈]−∞;0]x\in\left]-\infty;0\right] et f(x)≥0f\left(x\right)\ge0 pour tout x∈[0;+∞[x\in\left[0;+\infty\right[
On résume cela dans un tableau de signe :
Question 7
Partie B.
Soit la fonction gg définie sur R\mathbb{R} par g(x)=2x2−4cos⁡(x)g\left(x\right)=2x^{2}-4\cos \left(x\right) .

Déterminer la limite de gg en −∞-\infty.

Correction
Soit x∈Rx\in \mathbb{R}, on sait que :
−1≤cos⁡(x)≤1-1\le \cos \left(x\right)\le 1 équivaut successivement à :
−4≤−4cos⁡(x)≤4-4\le -4\cos \left(x\right)\le 4
2x2−4≤2x2−4cos⁡(x)≤2x2+42x^{2}-4\le 2x^{2}-4\cos \left(x\right)\le 2x^{2}+4
  • D'une part lim⁡x→−∞2x2−4=+∞\lim\limits_{x\to -\infty } 2x^{2}-4=+\infty
  • D'autre part lim⁡x→−∞2x2+4=+∞\lim\limits_{x\to -\infty } 2x^{2}+4=+\infty .
Attention, ici on ne peut pas conclure avec le théorème des gendarmes.
En effet, les limites doivent êtres finies.
Dans ce cas, on va utiliser le théorème de comparaison.
Comme lim⁡x→−∞2x2−4=+∞\lim\limits_{x\to -\infty } 2x^{2}-4=+\infty et que 2x2−4≤2x2−4cos⁡(x) 2x^{2}-4\le2x^{2}-4\cos \left(x\right).
Alors, d'après le théorème de comparaison
lim⁡x→−∞2x2−4cos⁡(x)=+∞\lim\limits_{x\to -\infty } 2x^{2}-4\cos \left(x\right)=+\infty
Question 8

Déterminer la limite de gg en +∞+\infty.

Correction
Soit x∈Rx\in \mathbb{R}, on sait que :
−1≤cos⁡(x)≤1-1\le \cos \left(x\right)\le 1 équivaut successivement à :
−4≤−4cos⁡(x)≤4-4\le -4\cos \left(x\right)\le 4
2x2−4≤2x2−4cos⁡(x)≤2x2+42x^{2}-4\le 2x^{2}-4\cos \left(x\right)\le 2x^{2}+4
  • D'une part lim⁡x→+∞2x2−4=+∞\lim\limits_{x\to +\infty } 2x^{2}-4=+\infty
  • D'autre part lim⁡x→+∞2x2+4=+∞\lim\limits_{x\to +\infty } 2x^{2}+4=+\infty .
Attention, ici on ne peut pas conclure avec le théorème des gendarmes.
En effet, les limites doivent êtres finies.
Dans ce cas, on va utiliser le théorème de comparaison.
Comme lim⁡x→+∞2x2−4=+∞\lim\limits_{x\to +\infty } 2x^{2}-4=+\infty et que 2x2−4≤2x2−4cos⁡(x) 2x^{2}-4\le2x^{2}-4\cos \left(x\right).
Alors, d'après le théorème de comparaison
lim⁡x→+∞2x2−4cos⁡(x)=+∞\lim\limits_{x\to +\infty } 2x^{2}-4\cos \left(x\right)=+\infty
Question 9

Démontrer, que pour tout réel xx, g′(x)g'\left(x\right) est du signe de f(x)f\left(x\right), où ff est la fonction définie à la partie A.

Correction
gg est dérivable sur R\mathbb{R}.
g′(x)=4x+4sin⁡(x)g'\left(x\right)=4x+4\sin \left(x\right)
g′(x)=2×(2x+2sin⁡(x))g'\left(x\right)=2\times\left(2x+2\sin \left(x\right)\right)
g′(x)=2×f(x)g'\left(x\right)=2\times f\left(x\right)

Donc g′(x)g'\left(x\right) est du signe de f(x)f\left(x\right).
Il en résulte donc que :
g(0)=2×02−4cos⁡(0)g\left(0\right)=2\times 0^{2}-4\cos \left(0\right) c'est à dire g(0)=−4g\left(0\right)=-4

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