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Théorème de la bijection et tangente

Exercices

Soit la fonction $f$ définie sur l’intervalle $I= ]0~;~+\infty[$ par :

$f(x)=\sqrt{x} – \dfrac{1}{x}$

On note $\mathscr C_f$ la courbe représentative de $f$ dans un repère orthonormé $(O~;~\vec{i},\vec{j})$ d’unité $1$cm.

  1. Calculer $\lim\limits_{x \rightarrow 0} f(x)$. Interpréter graphiquement le résultat obtenu.

  2. Calculer $\lim\limits_{x \rightarrow +\infty} f(x)$.

  3. Calculer $f^{\prime}(x)$ et donner le sens de variations de la fonction $f$ sur $I$.

  4. Tracer la courbe $\mathscr C_f$.

    La courbe $\mathscr C_f$ admet une tangente $(T)$ qui passe par l’origine du repère. Tracer $(T)$.

  5. On note $a$ l’abscisse du point d’intersection de la courbe $\mathscr C_f$ et de la droite $(T)$.

    Montrer que $\dfrac{\sqrt{a}}{2} – \dfrac{2}{a}=0$

  6. Soit $g$ la fonction définie sur $I$ par :

    $g(x)=\dfrac{\sqrt{x}}{2} – \dfrac{2}{x}$

    Etudier le sens de variations de la fonction $g$.

  7. Montrer que l’équation $g(x)=0$ admet une unique solution sur l’intervalle $[2~;~3]$.

  8. Déduire des questions précédentes un encadrement de $a$ d’amplitude $10^{ – 2}$.

Corrigé

  1. $\lim\limits_{x \rightarrow 0} \sqrt{x}=0$

    $\lim\limits_{x \rightarrow 0} \dfrac{1}{x}=+\infty$ (car $x > 0$ sur $I$)

    Par différence : $\lim\limits_{x \rightarrow 0} f(x)= – \infty$

    La droite d’équation $x=0$, c’est à dire l’axe des ordonnées, est asymptote verticale à la courbe $\mathscr C_f.$

  2. $\lim\limits_{x \rightarrow +\infty} \sqrt{x}=+\infty$

    $\lim\limits_{x \rightarrow +\infty} \dfrac{1}{x}=0$

    Donc, par somme: $\lim\limits_{x \rightarrow 0} f(x)=+\infty$

  3. $f$ est dérivable sur $I= ]0~;~+\infty[$ comme différence de fonctions dérivables sur $I$.

    La dérivée de la fonction $x\longmapsto\sqrt{x}$ est la fonction $x\longmapsto \dfrac{1}{2\sqrt{x}}$.

    La dérivée de la fonction $x\longmapsto\dfrac{1}{x}$ est la fonction $x\longmapsto – \dfrac{1}{x^2}$.

    Par conséquent :

    $f ^{\prime}(x)=\dfrac{1}{2\sqrt{x}}+\dfrac{1}{x^2}$

    $f^{\prime}$ est la somme de deux fonctions strictement positives sur $I$ donc est strictement positive sur $I$.

    Par conséquent, $f$ est strictement croissante sur $I$.

  4. En s’aidant de la calculatrice pour obtenir un tableau de valeurs, on obtient le graphique ci-dessous :

    courbe et tangente

  5. $(T)$ est la tangente à $\mathscr C_f$ au point d’abscisse $a$.

    L’équation réduite de $\mathscr C_f$ est donc :

    $y=f^{\prime}(a)(x – a)+f(a)$

    Cette droite passe par le point $O(0;0)$ donc :

    $0=f^{\prime}(a)(0 – a)+f(a)$

    Or :

    $f^{\prime}(a)(0 – a)+f(a) = – af^{\prime}(a)+f(a)$

    $\phantom{f^{\prime}(a)(0 – a)+f(a)} = \dfrac{ – a}{2\sqrt{a}}+\dfrac{ – a}{a^2}+\sqrt{a} – \dfrac{1}{a}$

    $\phantom{f^{\prime}(a)(0 – a)+f(a)} = \dfrac{ – \sqrt{a}}{2}+\dfrac{ – 1}{a}+\sqrt{a} – \dfrac{1}{a}$

    $\phantom{f^{\prime}(a)(0 – a)+f(a)} = \dfrac{\sqrt{a}}{2} – \dfrac{2}{a}$

    Par conséquent :

    $\dfrac{\sqrt{a}}{2} – \dfrac{2}{a}=0$

  6. $g$ est dérivable sur $I$ comme différence de fonctions dérivables sur $I$ et :

    $g^{\prime}(x)=\dfrac{1}{4\sqrt{x}}+\dfrac{2}{x^2}$

    La fonction $g^{\prime}$ étant strictement positive sur $I$, $g$ est strictement croissante sur $I$.

  7. $g(2)=\dfrac{\sqrt{2}}{2} – 1 \approx – 0,3$

    $g(3)=\dfrac{\sqrt{3}}{2} – \dfrac{2}{3} \approx 0,2$

    La fonction $g$ est continue et strictement croissante sur l’intervalle $[2~;~3]$. $0$appartient à l’intervalle image $[g(2)~;~g(3)]$, donc d’après le théorème de la bijection (aussi appelé corollaire du théorème des valeurs intermédiaires), l’équation $g(x)=0$ admet une unique solution sur l’intervalle $[2~;~3]$.

  8. Cette solution est aussi l’unique solution de cette équation sur l’intervalle $I$ du fait de la stricte croissance de la fonction $g$ sur $I$.

    Or, d’après la question 5. on sait que $\dfrac{\sqrt{a}}{2} – \dfrac{2}{a}=0$ c’est à dire $g(a)=0$. Cette unique solution est donc $a$.

    À la calculatrice, on trouve :

    $g(2,51) \approx – 0,005 < 0$

    $g(2,52) \approx 0,00008 > 0$

    Par conséquent $2,51 \leqslant a \leqslant 2,52$.

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