―  Chapitre 11 · Mathématiques approfondies  ―

Équivalents de fonctions et de suites

Fonctions équivalentes · Fonctions négligeables · Développements limités

Table des matières
I
Fonctions équivalentes et fonctions négligeables

Dans ce chapitre, sauf mention du contraire, $x_0 \in \overline{\mathbb{R}}$ (càd $x_0$ réel ou infini) et $D$ est un voisinage ouvert de $x_0$. Les fonctions sont définies sur $U$ avec $U = D$ ou $U = D \setminus \{x_0\}$.

1 — Définitions
Définition 1

Soient $f$ et $g$ deux fonctions définies au voisinage de $x_0$ avec $g$ ne s'annulant pas au voisinage de $x_0$.

  • On dit que $f$ et $g$ sont équivalentes au voisinage de $x_0$ et on note $f \underset{x_0}{\sim} g \iff \displaystyle\lim_{x\to x_0} \dfrac{f(x)}{g(x)} = 1$
  • On dit que $f$ est négligeable devant $g$ au voisinage de $x_0$ et on note $f \underset{x_0}{=} o(g) \iff \displaystyle\lim_{x\to x_0} \dfrac{f(x)}{g(x)} = 0$

On a alors :

\[f \underset{x_0}{\sim} g \quad \Longleftrightarrow \quad f(x) = g(x) + o[g(x)]\]
Proposition 1 — Équivalent d'une somme

Si $f = g + h$ avec $h \underset{x_0}{=} o(g)$ alors $f \underset{x_0}{\sim} g$.

Cette proposition dit que, pour trouver l'équivalent d'une somme, on « enlève » les quantités négligeables.
Proposition 2
Utilisation de la notion d'équivalent

Si $f$ et $g$ sont équivalentes en $x_0$ alors :

  • si $\displaystyle\lim_{x\to x_0} g(x) = L$ (avec $L$ réel ou infini) alors $\displaystyle\lim_{x\to x_0} f(x) = L$
  • si $g$ n'a pas de limite en $x_0$ alors $f$ n'a pas de limite en $x_0$
On utilise donc les équivalents pour déterminer la limite dans un cas de forme indéterminée.
2 — Propriétés
Proposition 3
Croissances comparées

En $+\infty$ : $\forall \alpha>0,\ \forall \beta>0,\quad (\ln x)^{\beta} \underset{+\infty}{=} o(x^{\alpha})$ \ et \ $x^{\alpha} \underset{+\infty}{=} o(e^{\beta x})$

En $0$ : $\forall \alpha>0,\ \forall \beta>0,\quad |\ln x|^{\beta} \underset{0}{=} o\left(\dfrac{1}{x^{\alpha}}\right)$

Proposition 4 — Règles sur les équivalents
  • Si $f \underset{x_0}{\sim} g$ et $g \underset{x_0}{\sim} h$ alors $f \underset{x_0}{\sim} h$ ; et si $f \underset{x_0}{=} o(g)$ et $g \underset{x_0}{=} o(h)$ alors $f \underset{x_0}{=} o(h)$
  • Si $f \underset{x_0}{\sim} g$ et $g \underset{x_0}{=} o(h)$ alors $f \underset{x_0}{=} o(h)$
  • On peut multiplier, faire le quotient, mettre à une puissance réelle fixée des équivalents : si $f \underset{x_0}{\sim} g$ et $h \underset{x_0}{\sim} k$ alors $f \times h \underset{x_0}{\sim} g \times k$, $\dfrac{f}{h} \underset{x_0}{\sim} \dfrac{g}{k}$ et $\forall \alpha > 0,\ f^{\alpha} \underset{x_0}{\sim} g^{\alpha}$
II
Recherche d'équivalents de fonctions
1 — Équivalents de référence
Proposition 1
Équivalents usuels en $0$
\(\sin(\varepsilon) \underset{\varepsilon \to 0}{\sim} \varepsilon\)
\(\ln(1+\varepsilon) \underset{\varepsilon \to 0}{\sim} \varepsilon\)
\(\tan(\varepsilon) \underset{\varepsilon \to 0}{\sim} \varepsilon\)
\(e^{\varepsilon}-1 \underset{\varepsilon \to 0}{\sim} \varepsilon\)
\(\cos(\varepsilon)-1 \underset{\varepsilon \to 0}{\sim} -\dfrac{\varepsilon^2}{2}\)
\((1+\varepsilon)^{\alpha}-1 \underset{\varepsilon \to 0}{\sim} \alpha \varepsilon\) \ \((\alpha \in \mathbb{R}^*\) fixé\()\)
En appliquant le point 6. on obtient : $\sqrt{1+\varepsilon}-1 \underset{\varepsilon\to0}{\sim} \dfrac{\varepsilon}{2}$ (ici $\alpha=\frac12$) et $\dfrac{1}{\sqrt{1+\varepsilon}}-1 \underset{\varepsilon\to0}{\sim} -\dfrac{\varepsilon}{2}$ (ici $\alpha=-\frac12$).
Proposition 2 — Équivalent d'un polynôme

Un polynôme est équivalent en $+\infty$ à son terme de plus haut degré et en $0$ à son terme de plus bas degré.

Ainsi, pour un polynôme $P(x) = a_r x^r + a_{r+1}x^{r+1} + \cdots + a_n x^n$ avec $r < n$, $a_n \neq 0$ et $a_r \neq 0$, on a :

\[P(x) \underset{x\to+\infty}{\sim} a_n x^n \qquad \text{et} \qquad P(x) \underset{x\to 0}{\sim} a_r x^r\]
Proposition 3 — Équivalent d'une fonction admettant une limite finie non nulle

Soit $f$ une fonction telle que $\displaystyle\lim_{x\to x_0} f(x) = L \in \mathbb{R}$. Si $L \neq 0$ alors $f(x) \underset{x_0}{\sim} L$.

C'est lorsque la quantité tend vers $0$ ou $\infty$ qu'il faut aller plus loin dans la recherche de l'équivalent.
Proposition 4 — Équivalent d'un logarithme
  • Si $f \underset{x_0}{\sim} g$ avec $\displaystyle\lim_{x\to x_0} g(x) = 0$ alors $\ln(f) \underset{x_0}{\sim} \ln(g)$
  • Si $f \underset{x_0}{\sim} g$ avec $\displaystyle\lim_{x\to x_0} g(x) = +\infty$ alors $\ln(f) \underset{x_0}{\sim} \ln(g)$
Si $\displaystyle\lim_{x\to x_0} g(x) = 1$, on utilise $\ln(1+\varepsilon) \underset{\varepsilon\to0}{\sim} \varepsilon$.
2 — Méthode de recherche d'un équivalent
  • Si la quantité à étudier est sous forme de produit, quotient ou puissance réelle fixée, on cherche un équivalent de chaque terme puis on reconstitue la quantité de départ.
  • Si la quantité à étudier est sous forme de somme, on identifie les quantités négligeables puis on travaille avec des égalités (quitte à faire un DL).
Équivalents en $x_0 \in \mathbb{R}$ avec $x_0 \neq 0$

On se ramène à une étude en $0$ par changement de variable.

  1. Poser $t = x - x_0$
  2. La quantité de départ, $f(x)$, devient une nouvelle fonction $g(t)$ (car $f(x) = f(t+x_0) = g(t)$)
  3. On cherche alors un équivalent en $0$ de $g(t)$
  4. On remplace ensuite $t$ par $x - x_0$ dans l'expression obtenue
Équivalents en $+\infty$ et $-\infty$

On utilise les croissances comparées pour repérer les quantités négligeables et on utilise les propriétés des équivalents pour trouver l'équivalent d'un produit, d'un quotient, d'une puissance et d'une somme.

On revient sur les équivalents en $+\infty$ dans le paragraphe sur les équivalents de suites.
On peut aussi se ramener à $0$ par changement de variable (par exemple en posant $t=\dfrac{1}{x}$).
III
Le cas de la somme : développement limité en 0

On ne peut pas faire de somme avec « $\sim$ » ; il faut donc se ramener à des égalités. Par exemple, $\sin(x) \underset{0}{\sim} x$ et $\ln(1+x) \underset{0}{\sim} x$ donc $\sin(x) + \ln(1+x) = 2x + o(x)$.

Par contre, $[\sin(x)] - \ln(1+x) = o(x)$ donc il faut plus d'info pour avoir l'équivalent. C'est dans cette situation qu'on va utiliser les DL.

1 — Définition d'un DL en 0 et DL en 0 de référence
Définition 1

On appelle développement limité à l'ordre $n$ en $0$ de $f$, l'égalité, notée $DL_n(0)$ de $f$, écrite pour tout $x$ proche de $0$ :

\[f(x) = P(x) + x^n \varepsilon(x) \quad \text{avec} \quad \lim_{x\to0}\varepsilon(x)=0 \ \text{et} \ P \in \mathbb{R}_n[x]\]

Ainsi $f$ admet un $DL_n(0)$ $\iff$ $f(x) = a_0 + a_1 x + a_2 x^2 + a_3 x^3 + \cdots + a_{n-1}x^{n-1} + a_n x^n + o(x^n)$

Proposition 1
DL de référence
\(e^x = 1+x+\dfrac{x^2}{2!}+\dfrac{x^3}{3!}+o(x^3)\)
\(\sin(x) = x-\dfrac{x^3}{3!}+\dfrac{x^5}{5!}+o(x^5)\)
\(\dfrac{1}{1-x} = 1+x+x^2+x^3+o(x^3)\)
\(\cos(x) = 1-\dfrac{x^2}{2!}+\dfrac{x^4}{4!}+o(x^4)\)
\(\ln(1+x) = x-\dfrac{x^2}{2}+\dfrac{x^3}{3}+o(x^3)\)
\(\tan(x) = x+\dfrac{x^3}{3}+\dfrac{2}{15}x^5+o(x^5)\)
\((1+x)^{\alpha} = 1+\alpha x+\dfrac{\alpha(\alpha-1)}{2}x^2+\dfrac{\alpha(\alpha-1)(\alpha-2)}{3!}x^3+o(x^3)\)
\(\dfrac{1}{\sqrt{1+x}} = 1-\dfrac{x}{2}+\dfrac{3}{8}x^2+o(x^2)\)
L'ordre du DL est donné par le reste ($=o(x^n)$). Ce n'est pas forcément le degré du polynôme.
On pourrait prolonger ces écritures pour obtenir des DL à des ordres supérieurs. Ainsi, $e^x = 1+x+\dfrac{x^2}{2!}+\dfrac{x^3}{3!}+\dfrac{x^4}{4!}+\dfrac{x^5}{5!}+o(x^5)$ et $\ln(1+x) = x-\dfrac{x^2}{2}+\dfrac{x^3}{3}-\dfrac{x^4}{4}+o(x^4)$.
Proposition 2 — Lien entre équivalent et DL

i) Obtention d'un équivalent à partir d'un DL : Si $f$ admet un $DL_n(0)$ donné par $f(x) = a_p x^p + a_{p+1}x^{p+1}+\cdots+a_n x^n + o(x^n)$ avec $a_p \neq 0$, alors $f(x) \underset{0}{\sim} a_p x^p$.

ii) Obtention d'un DL à partir d'un équivalent : Si $f(x) \underset{0}{\sim} a x^{\alpha}$ (avec $a \neq 0$) alors $f(x) = a x^{\alpha} + o(x^{\alpha})$, c'est le $DL_{\alpha}(0)$ de $f$ (par contre, pour un DL à un ordre supérieur, il faudra faire autrement !)

2 — Opérations sur les développements limités
Proposition 3 — DL d'une somme, d'un produit

Si on connaît un $DL_n(0)$ de $f$ et de $g$ avec : $f(x)=A(x)+o(x^n)$ et $g(x)=B(x)+o(x^n)$. Alors :

  • le $DL_n(0)$ de $f+g$ et de $\lambda f$ s'obtiennent par : $(f+g)(x) = A(x)+B(x)+o(x^n)$ et $(\lambda f)(x) = \lambda A(x) + o(x^n)$
  • le $DL_n(0)$ de $f \times g$ s'obtient par : $(f\times g)(x) = C(x) + o(x^n)$ où $C(x)$ est le polynôme obtenu en effectuant le produit $A(x)\times B(x)$ et en ne gardant que les termes de degré $\leqslant n$.
Bien présenter les calculs : écrire le DL de chaque terme ; écrire le terme reste ($=o(x^n)$) et les puissances de $x$ ; calculer ensuite chacun des coefficients.
Proposition 4 — DL d'une composée

Si $f$ admet un $DL_n(0)$ donné par $f(t) = A(t)+o(t^n)$. Alors :

  • $x \mapsto f(\alpha x)$ admet un $DL_n(0)$ donné par : $f(\alpha x) = A(\alpha x) + o(x^n)$
  • $x \mapsto f(x^2)$ admet un $DL_n(0)$ donné par : $f(x^2) = R(x) + o(x^n)$ où $R(x)$ s'obtient en ne gardant que les termes de degré inférieur ou égal à $n$ de $A(x^2)$.

On utilise les DL pour chercher l'équivalent des termes restant dans une somme, une fois enlevés tous les termes négligeables.

3 — Cas des DL en $x_0 \neq 0$
Définition 2

On appelle développement limité à l'ordre $n$ en $x_0$ de $f$, l'égalité, notée $DL_n(x_0)$ de $f$, écrite pour tout $x$ proche de $x_0$ :

\[f(x) = P(x-x_0) + (x-x_0)^n \varepsilon(x) \quad \text{avec} \quad \lim_{x\to x_0}\varepsilon(x)=0 \ \text{et} \ P \in \mathbb{R}_n[x]\]

$f$ admet un $DL_n(x_0)$ $\iff$ $f(x) = a_0+a_1(x-x_0)+a_2(x-x_0)^2+\cdots+a_n(x-x_0)^n + o((x-x_0)^n)$

On se ramène à $0$ par changement de variable $t=x-x_0$ : on remplace $x$ par $t+x_0$ dans la fonction, on cherche un DL de la fonction en $t$ puis on remplace $t$ par $x-x_0$ dans le DL obtenu.
IV
Équivalents de suites
1 — Suites équivalentes et suites négligeables
Définition 1

Soit $(u_n)_n$ et $(v_n)_n$ deux suites avec $\forall n \in \mathbb{N}$, $v_n \neq 0$.

  • On dit que les suites $(u_n)_n$ et $(v_n)_n$ sont équivalentes et on note $u_n \sim v_n$ ssi $\displaystyle\lim_{n\to+\infty}\dfrac{u_n}{v_n}=1$.
  • On dit que $(u_n)$ est négligeable devant $(v_n)_n$ ssi $\displaystyle\lim_{n\to+\infty}\dfrac{u_n}{v_n}=0$. On note alors $u_n = o(v_n)$.
  • On a : $u_n \sim v_n \iff u_n = v_n + o(v_n)$
Rappel des croissances comparées

Dans le tableau ci-dessous, une suite donnée est négligeable devant toute suite écrite à sa droite (échelle de comparaison) :

LogarithmesPuissancesExponentiellesFactorielle
$\sqrt{\ln n}\ \ \ln(n)\ \ (\ln n)^2$ $\sqrt n \ \ n^2 \ \ n^4$ $2^n \ \ e^n \ \ 4^n$ $n!$
Proposition 1
Propriétés des équivalents
  • Si $u_n \sim v_n$ et $v_n \sim w_n$ alors $u_n \sim w_n$
  • Si $u_n \sim v_n$ et $a_n \sim b_n$ alors : $u_n \times a_n \sim v_n \times b_n$, $\dfrac{u_n}{a_n} \sim \dfrac{v_n}{b_n}$ et $\forall \alpha \in \mathbb{R}$ fixé, $(u_n)^{\alpha} \sim (v_n)^{\alpha}$
  • Si $u_n = o(v_n)$ alors $u_n + v_n \sim v_n$
  • Si $u_n \sim v_n$ avec $\displaystyle\lim_{n\to+\infty} v_n = L$ (avec $L$ réel ou infini) alors $\displaystyle\lim_{n\to+\infty} u_n = L$
  • Si $\displaystyle\lim_{n\to+\infty} u_n = L$ avec $L \in \mathbb{R}$ et $L \neq 0$ alors $u_n \sim L$
  • Si $u_n \sim v_n$ alors $u_n$ et $v_n$ sont de même signe à partir d'un certain rang.
  • Si $u_n \sim v_n$ avec $\displaystyle\lim_{n\to+\infty} v_n = 0$ ou $\displaystyle\lim_{n\to+\infty} v_n = +\infty$ alors $\ln(u_n) \sim \ln(v_n)$
La notion d'équivalent permet donc de traiter les cas de forme indéterminée : pour cela, on cherche un équivalent dont on peut calculer la limite en utilisant les théorèmes classiques.
Proposition 2 — Lien avec les fonctions

Si $f(x) \underset{a}{\sim} g(x)$ et si $(x_n)_n$ est une suite telle que $\displaystyle\lim_{n\to+\infty} x_n = a$ (avec $a$ réel ou infini) alors $f(x_n) \underset{n\to+\infty}{\sim} g(x_n)$.

Les résultats et les méthodes établis pour les équivalents de fonctions s'appliquent donc aux suites. On retrouve notamment les équivalents de référence, utilisés avec une suite $(\varepsilon_n)_n$ telle que $\displaystyle\lim_{n\to+\infty}\varepsilon_n=0$.

Dans le cas d'une somme où aucune des suites n'est négligeable, il faut utiliser les DL en $0$ des fonctions qui sont présentes. On pourra, par exemple, écrire $u_n = f\left(\dfrac{1}{n}\right)$ avec $f(x)$ à préciser (on aura bien $x=\dfrac1n$ tend vers $0$ quand $n\to+\infty$).
Lorsque les règles classiques par les suites ne s'appliquent pas, il faut introduire une fonction $f$ dont on cherchera son équivalent en $0$ au moyen d'un DL.