―  Chapitre 18 · Mathématiques approfondies  ―

Théorèmes d'analyse réelle

Bijection · Régularité · Rolle & accroissements finis · Taylor · Sommes de Riemann

Table des matières
I
Complément sur les limites
1 — Définition mathématique d'une limite

Dans ce paragraphe, \(f\) est une fonction définie sur un \(I\) de \(\mathbb{R}\) contenant \(a\) réel ou infini. On définit ici de manière théorique le fait que \(f(x)\) tend vers \(L\) (\(L\) réel ou infini) quand \(x\) tend vers \(a\) (\(a\) réel ou infini).

On appelle voisinage ouvert de \(a\) tout intervalle ouvert contenant \(a\) et contenu dans \(I\) :

si \(a\) est réel, c'est un intervalle du type \(]a-r, a+r[\) avec \(r > 0\)
si \(a = +\infty\), c'est un intervalle du type \(]A, +\infty[\) avec \(A > 0\)
si \(a = -\infty\), c'est un intervalle du type \(]-\infty, B[\) avec \(B < 0\)
Définition 1Limite égale à 0

On dit que \(\displaystyle\lim_{x\to a} f(x) = 0\) ssi \(\forall \varepsilon > 0,\ \exists V\) voisinage ouvert de \(a\) tel que \(\forall x \in V,\ |f(x)| < \varepsilon\)

\(\displaystyle\lim_{x\to a} f(x) = 0 \iff \lim_{x\to a} |f(x)| = 0\)
Définition 2Limite égale à \(+\infty\) ou \(-\infty\)

On dit que \(\displaystyle\lim_{x\to a} f(x) = +\infty\) ssi \(\forall A > 0,\ \exists V\) voisinage ouvert de \(a\) tel que \(\forall x \in V,\ f(x) > A\)

On dit que \(\displaystyle\lim_{x\to a} f(x) = -\infty\) ssi \(\forall B < 0,\ \exists V\) voisinage ouvert de \(a\) tel que \(\forall x \in V,\ f(x) < B\)

Définition 3Limite réelle

On a l'équivalence :

\[\lim_{x\to a} f(x) = L \in \mathbb{R} \iff \lim_{x\to a} \big[f(x) - L\big] = 0\]
Définition 4Limite d'une suite

On dit que \(\displaystyle\lim_{n\to+\infty} u_n = 0\) ssi \(\forall \varepsilon > 0,\ \exists N\) tel que \(\forall n \geq N,\ |u_n| < \varepsilon\)

On dit que \(\displaystyle\lim_{n\to+\infty} u_n = +\infty\) ssi \(\forall A > 0,\ \exists N\) tel que \(\forall n \geq N,\ u_n > A\)

On dit que \(\displaystyle\lim_{n\to+\infty} u_n = -\infty\) ssi \(\forall B < 0,\ \exists N\) tel que \(\forall n \geq N,\ u_n < B\)

2 — Notion de borne sup et de borne inf
Proposition 1
Borne supérieure et borne inférieure

Soit \(A\) une partie non vide de \(\mathbb{R}\).

  • On suppose que \(A\) est majorée c'est-à-dire on suppose que \(\exists M \in \mathbb{R}\) tel que \(\forall x \in A,\ x \leq M\). Dans ce cas, la partie \(A\) admet un plus petit majorant, qu'on appelle la borne supérieure de \(A\) et qu'on note \(\sup(A)\)
  • On suppose que \(A\) est minorée c'est-à-dire on suppose que \(\exists m \in \mathbb{R}\) tel que \(\forall x \in A,\ x \geq m\). Dans ce cas, la partie \(A\) admet un plus grand minorant, qu'on appelle la borne inférieure de \(A\) et qu'on note \(\inf(A)\)

Une partie qui admet un majorant \(M\) admet une infinité de majorants (par exemple, tous les \(M+a\), \(a > 0\)). La borne supérieure est le plus petit de tous les majorants. On a donc l'équivalence :

\[\alpha = \sup(A) \iff \begin{cases} \forall x \in A,\ x \leq \alpha \\ \forall \varepsilon > 0\ \exists x \in A\ \text{tq}\ \alpha - \varepsilon < x \end{cases}\]

De même, une partie qui admet un minorant \(m\) admet une infinité de minorants (par exemple, tous les \(m-a\), \(a>0\)). La borne inférieure est le plus grand de tous les minorants. On a l'équivalence :

\[\beta = \inf(A) \iff \begin{cases} \forall x \in A,\ x \geq \beta \\ \forall \varepsilon > 0\ \exists x \in A\ \text{tq}\ x < \beta + \varepsilon \end{cases}\]
Il ne faut pas confondre plus petit élément et borne inférieure ou plus grand élément et borne supérieure (la borne inférieure peut ne pas être un élément de l'ensemble). Par exemple, \(]1,2]\) n'a pas de plus petit élément mais il a une borne inférieure. De même, \([0,2[\) n'a pas de plus grand élément mais une borne supérieure.
3 — Théorème de la limite monotone
Proposition 2
Limite monotone pour les suites
  • Si \((u_n)_n\) est une suite croissante et si \((u_n)_n\) est majorée alors elle converge et, en posant \(\displaystyle\lim_{n\to+\infty} u_n = L\), on a \(\forall n \in \mathbb{N}\), \(u_n \leq L\). Si \((u_n)_n\) n'est pas majorée, \(\displaystyle\lim_{n\to+\infty} u_n = +\infty\)
  • Si \((u_n)_n\) est une suite décroissante et si \((u_n)_n\) est minorée alors elle converge et, en posant \(\displaystyle\lim_{n\to+\infty} u_n = L\), on a \(\forall n \in \mathbb{N}\), \(u_n \geq L\). Si \((u_n)_n\) n'est pas minorée, \(\displaystyle\lim_{n\to+\infty} u_n = -\infty\)
En cas de convergence pour une suite croissante, la limite est le plus petit des majorants.
Proposition 3
Limite monotone pour les fonctions

i) On suppose que \(f\) est définie et croissante sur \(]a,b[\). On a alors :

  • en tout point \(x_0 \in ]a,b[\), \(f\) admet une limite à gauche et une limite à droite et on a : \(\displaystyle\lim_{t\to x_0^-} f(t) \leq f(x_0) \leq \lim_{t\to x_0^+} f(t)\)
  • si \(f\) est majorée sur \(I\) alors \(\displaystyle\lim_{t\to b^-} f(t)\) existe et est finie et \(\forall x \in I,\ f(x) \leq \lim_{t\to b^-} f(t)\). Sinon, \(f\) n'est pas majorée sur \(I\) et on a \(\displaystyle\lim_{t\to b^-} f(t) = +\infty\)
  • si \(f\) est minorée sur \(I\) alors \(\displaystyle\lim_{t\to a^+} f(t)\) existe et est finie et \(\forall x \in I,\ f(x) \geq \lim_{t\to a^+} f(t)\). Sinon, \(f\) n'est pas minorée sur \(I\) et on a \(\displaystyle\lim_{t\to a^+} f(t) = -\infty\)

ii) On suppose que \(f\) est définie et décroissante sur \(]a,b[\). Les résultats analogues sont vrais (avec les inégalités inversées).

Les conditions à vérifier sont analogues à celles vues pour la limite d'une suite monotone. Pour retenir le résultat, dessiner une courbe correspondant à la situation.
II
Le théorème de la bijection

Une application \(f : E \to F\) est bijective ssi pour tout \(y\) de \(F\) l'équation \(f(x) = y\) admet une unique solution dans \(E\). Lorsque \(f\) est une fonction définie et continue sur un intervalle \(I\) de \(\mathbb{R}\), on a le théorème suivant :

Proposition 1
Théorème de la bijection

Si \(f\) est continue et strictement monotone sur \(I\) alors \(f\) réalise une bijection de \(I\) sur \(J = f(I) = \{f(t)\ \text{avec}\ t \in I\}\)

Ainsi, \(\forall y \in J,\ \exists! x \in I\) tq \(y = f(x)\)

Proposition 2
Bijection réciproque

Si \(f\) est continue et strictement monotone sur \(I\) alors \(f\) réalise une bijection de \(I\) sur \(J = f(I)\). Ainsi, \(\forall y \in J,\ \exists! x \in I\) tel que \(y = f(x)\). Cet unique élément se note \(f^{-1}(y)\)

  • La fonction \(y \mapsto f^{-1}(y)\) s'appelle fonction réciproque de \(f\) et se note \(f^{-1}\)
  • La fonction \(f^{-1}\) est continue et strictement monotone sur \(J\) et \(f^{-1}\) a le même sens de variation que \(f\)
  • \(C_{f^{-1}}\) se déduit de \(C_f\) par symétrie (orthogonale) par rapport à la droite \(\Delta : y = x\)
  • Dérivabilité de \(f^{-1}\) : Si \(f\) dérivable sur \(I\) avec \(\forall x \in I,\ f'(x) \neq 0\) alors \(f^{-1}\) est dérivable sur \(J\) et on a :
\[\forall y \in J,\quad (f^{-1})'(y) = \frac{1}{f'[f^{-1}(y)]}\]

c'est-à-dire \(\ (f^{-1})' = \dfrac{1}{f' \circ f^{-1}}\)

Si \(f\) bijection de \(I\) sur \(J\) alors \(\forall x \in I,\ f^{-1}[f(x)] = x\) et \(\forall y \in J,\ f[f^{-1}(y)] = y\). On peut retrouver la formule de la dérivée de \(f^{-1}\) en dérivant l'égalité \(\forall y \in J,\ f \circ f^{-1}(y) = y\)
III
Théorèmes utilisant la régularité
1 — Fonction continue sur un segment
Proposition 1

Si \(f\) est continue sur un intervalle fermé \([a,b]\) (avec \(a,b\) réels tels que \(a \leq b\)) alors \(f\) est bornée sur \([a,b]\) et atteint ses bornes.

Ainsi, il existe \((\alpha,\beta) \in [a,b]^2\) tels que \(\forall t \in [a,b],\ f(\alpha) \leq f(t) \leq f(\beta)\) avec \(f(\alpha) = \inf\{f(t),\ \text{pour}\ t \in [a,b]\}\) et \(f(\beta) = \sup\{f(t),\ \text{pour}\ t \in [a,b]\}\)

En pratique, on utilise ce théorème sous l'une des deux formes suivantes :

  • Si \(f\) est continue sur \([a,b]\) alors \(\exists B \geq 0\) tel que \(\forall t \in [a,b],\ |f(t)| \leq B\)
  • ou bien : Si \(f\) est continue sur \([a,b]\) alors il existe \((m,M)\) tels que \(\forall t \in [a,b],\ m \leq f(t) \leq M\)
Dans la plupart des applications, la première forme du théorème précédent suffit.
2 — Notion d'extremum
Définition 1Extremum local / Extremum global

Soit \(f\) définie sur un intervalle \(I\) de \(\mathbb{R}\) et soient \(a,b,c,d\) des réels de \(I\). On dit que \(f\) admet :

  • un maximum global en \(a\) ssi \(\forall x \in I,\ f(x) \leq f(a)\)
  • un maximum local en \(b\) ssi il existe un voisinage \(V_b\) de \(b\) tel que \(\forall x \in V_b \cap I,\ f(x) \leq f(b)\)
  • un minimum global en \(c\) ssi \(\forall x \in I,\ f(c) \leq f(x)\)
  • un minimum local en \(d\) ssi il existe un voisinage \(V_d\) de \(d\) tel que \(\forall x \in V_d \cap I,\ f(d) \leq f(x)\)
Proposition 2
Condition nécessaire d'extremum local

Soit \(f\) définie sur \(]a,b[\). Soit \(x_0 \in ]a,b[\) avec \(f\) dérivable en \(x_0\).

Si \(x_0\) est un extremum local de \(f\), alors \(f'(x_0) = 0\)

3 — Théorème de Rolle et formule des accroissements finis

Dans tout ce paragraphe, \(f\) est une fonction définie sur \([a,b]\) avec \(a,b\) réels et \(a < b\).

Proposition 3
Théorème de Rolle

Si \(f\) est telle que \(f\) est continue sur le fermé \([a,b]\), \(f\) est dérivable sur l'ouvert \(]a,b[\) et \(f(a) = f(b)\), alors il existe \(c \in ]a,b[\) tel que \(f'(c) = 0\)

Proposition 4
Égalité des accroissements finis

Si \(f\) est telle que \(f\) est continue sur le fermé \([a,b]\) et \(f\) est dérivable sur l'ouvert \(]a,b[\), alors il existe \(c \in ]a,b[\) tel que

\[f(b) - f(a) = f'(c)(b-a)\]
Proposition 5
Inégalité des accroissements finis

Soit \(f\) dérivable un intervalle \(I\) de \(\mathbb{R}\). On suppose que \(f'\) est bornée sur \(I\) càd \(\exists M \geq 0\) tq \(\forall t \in I,\ |f'(t)| \leq M\)

Alors \(\forall (x,y) \in I^2,\quad |f(x) - f(y)| \leq M|x-y|\)

4 — Applications de l'égalité des accroissements finis
Proposition 6
Théorème de prolongement de la dérivée

Soit \(f\) une fonction de classe \(C^1\) sur \(I \setminus \{a\}\) (avec \(I\) intervalle et \(a \in I\))

Si \(f\) est continue en \(a\) et \(\displaystyle\lim_{x\to a} f'(x) = L \in \mathbb{R}\), alors \(f\) est de classe \(C^1\) sur \(I\) et \(f'(a) = L\)

Proposition 7
Monotonie et dérivée

Soit \(f\) définie et dérivable sur un intervalle \(I\) de \(\mathbb{R}\)

  • \(f\) est constante sur \(I\) \(\iff\) \(\forall x \in I,\ f'(x) = 0\)
  • \(f\) est croissante (resp. décroissante) sur \(I\) \(\iff\) \(\forall x \in I,\ f'(x) \geq 0\) (resp. \(f'(x) \leq 0\))
  • Si \(\forall x \in I,\ f'(x) \geq 0\) (resp. \(f'(x) \leq 0\)) et si \(f'\) ne s'annule qu'en au plus un nombre fini de points, alors \(f\) est strictement croissante sur \(I\) (resp. strictement décroissante sur \(I\))
La notion d'intervalle est fondamentale.
IV
Dérivées successives et formules de Taylor
1 — Fonctions de classe \(C^p\), fonctions de classe \(C^\infty\)
Définition 1Fonction de classe \(C^p\), fonction \(C^\infty\)

Soit \(I\) un intervalle de \(\mathbb{R}\) et soit \(f\) définie sur \(I\).

  • On dit que \(f\) est de classe \(C^p\) sur \(I\) ssi \(f\) est \(p\) fois dérivable et si la dérivée \(p\)-ième notée \(f^{(p)}\) est continue sur \(I\). L'ensemble des fonctions \(C^p\) sur \(I\) se note \(C^p(I)\)
  • On dit que \(f\) est de classe \(C^\infty\) sur \(I\) ssi \(f\) admet une dérivée à n'importe quel ordre \(p \in \mathbb{N}\). L'ensemble des fonctions \(C^\infty\) sur \(I\) se note \(C^\infty(I)\)
\(f\) est de classe \(C^2\) sur \(I\) \(\iff\) \(f'\) dérivable sur \(I\) avec \((f')'\) continue sur \(I\) \(\iff\) \(f'\) de classe \(C^1\) sur \(I\).
Si \(f\) est \(C^\infty\) sur \(I\), alors \(f\) est \(C^p\) sur \(I\) pour \(p \in \mathbb{N}\).
Toutes les fonctions usuelles sont \(C^\infty\) sur l'ensemble sur lequel elles sont dérivables.
Proposition 1
Régularité d'une somme, d'un produit, d'un quotient, d'une composée

Soient \(f\) et \(g\) définies et de classe \(C^p\) sur \(I\) intervalle de \(\mathbb{R}\) (resp. \(C^\infty\))

  • \(f+g\), \(f \times g\) sont de classe \(C^p\) sur \(I\) (resp. \(C^\infty\))
  • \(\forall \lambda \in \mathbb{R},\ \lambda f\) est de classe \(C^p\) sur \(I\) (resp. \(C^\infty\))
  • Si \(\forall x \in I,\ g(x) \neq 0\) alors \(\dfrac{f}{g}\) est de classe \(C^p\) sur \(I\) (resp. \(C^\infty\))
  • La composée de fonctions \(C^p\) (resp. \(C^\infty\)) est une fonction \(C^p\) (resp. \(C^\infty\))
La régularité est conservée par les opérations algébriques. Pour la composition, il faudra faire attention aux différents ensembles.
Proposition 2
Calcul des dérivées successives d'une somme, d'un produit

Soit \(I\) intervalle de \(\mathbb{R}\), \(p \in \mathbb{N}^*\), \(f\) et \(g\) deux fonctions \(p\) fois dérivables sur \(I\)

  • \((f+g)^{(p)} = f^{(p)} + g^{(p)}\) et \(\forall \lambda \in \mathbb{R},\ (\lambda f)^{(p)} = \lambda f^{(p)}\)
  • La dérivée \(p\)-ième de \(f \times g\) s'obtient par la formule de Leibniz :
\[(f \times g)^{(p)} = \sum_{k=0}^{p} \binom{p}{k} f^{(k)} g^{(p-k)}\]
2 — Formule de Taylor avec reste intégral
Proposition 3
Formule de Taylor avec reste intégral (RI) à l'ordre \(n\)

Soit \(n \in \mathbb{N}^*\) et soit \(f\) une fonction de classe \(C^\infty\) sur un intervalle \(I\) de \(\mathbb{R}\) et soit \(a \in I\).

\[\forall n \in \mathbb{N}^*,\ \forall x \in I,\quad f(x) = \sum_{k=0}^{n} \frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k + \int_a^x \frac{(x-t)^n}{n!} f^{(n+1)}(t)\,dt\]

On dit qu'on applique la formule de Taylor avec reste intégral à \(f\) en \(a\) à l'ordre \(n\)

Pour \(n=0\), la formule devient \(f(x) = f(a) + \int_a^x f'(t)\,dt\). On la démontre ensuite par récurrence sur \(n\) en faisant une IPP sur le reste.
Corollaire
Formule de Taylor RI à l'ordre \(n\) en 0

Soit \(f\) une fonction de classe \(C^\infty\) sur \(\mathbb{R}\) (ou sur un intervalle ouvert contenant 0). On a :

\[\forall n \in \mathbb{N},\ \forall x \in I,\quad f(x) = f(0) + f'(0)x + \frac{f^{(2)}(0)}{2!}x^2 + \cdots + \frac{f^{(n)}(0)}{n!}x^n + R_n(x)\]

avec \(\displaystyle R_n(x) = \int_0^x \frac{(x-t)^n}{n!} f^{(n+1)}(t)\,dt\)

Proposition 4
Formule de Taylor pour les polynômes

Soit \(P \in \mathbb{R}_n[x]\) et soit \(a \in \mathbb{R}\). La décomposition de \(P\) sur la base \(\big(1, (x-a), (x-a)^2, \ldots, (x-a)^n\big)\) de \(\mathbb{R}_n[x]\) est donnée par :

\[P(x) = \sum_{k=0}^{n} \frac{P^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k\]
3 — Formule de Taylor-Young et formule de Taylor-Lagrange

Dans tout ce paragraphe, \(n \in \mathbb{N}^*\), \(f\) une fonction de classe \(C^{n+1}\) sur un intervalle \(I\) de \(\mathbb{R}\) et \(a \in I\). On note \(RI_n\) le reste intégral de la formule de Taylor. Ainsi \(\displaystyle RI_n = \int_a^x \frac{(x-t)^n}{n!} f^{(n+1)}(t)\,dt\)

Proposition 5
Formule de Taylor-Young

On a : \(RI_n = o\big[(x-a)^n\big]\) càd \(\displaystyle\lim_{x\to a} \frac{RI_n}{(x-a)^n} = 0\)

Cette formule permet de créer des \(DL_n\). On a, notamment, pour \(x\) proche de 0 :

\[f(x) = f(0) + f'(0)x + \frac{f^{(2)}(0)}{2!}x^2 + \frac{f^{(3)}(0)}{3!}x^3 + \cdots + \frac{f^{(n)}(0)}{n!}x^n + o[x^n]\]

c'est le \(DL_n(0)\) de \(f\)

Proposition 6
Égalité de Taylor-Lagrange

Pour tout \(x \in I\), il existe \(c\) compris entre \(a\) et \(x\) tel que \(RI_n = \dfrac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(x-a)^{n+1}\)

On a donc : \(\forall x \in I,\ \exists c \in I\) tel que

\[f(x) = \sum_{k=0}^{n} \frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k + \frac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(x-a)^{n+1}\]
Proposition 7
Inégalité de Taylor-Lagrange

Soit \(I\) un intervalle de \(\mathbb{R}\) et soit \(f \in C^{n+1}(I)\)

  • On suppose qu'il existe \((m,r) \in \mathbb{R}^2\) tq \(\forall t \in I,\ m \leq f^{(n+1)}(t) \leq r\), alors \(\forall (a,b) \in I^2\) avec \(a < b\) on a :
\[m\,\frac{(b-a)^{n+1}}{(n+1)!} \leq f(b) - \sum_{k=0}^{n} \frac{f^{(k)}(a)}{k!}(b-a)^k \leq r\,\frac{(b-a)^{n+1}}{(n+1)!}\]
  • On suppose qu'il existe \(M \geq 0\) tel que \(\forall t \in I,\ |f^{(n+1)}(t)| \leq M\), alors \(\forall (a,b) \in I^2\) on a :
\[\left| f(b) - \sum_{k=0}^{n} \frac{f^{(k)}(a)}{k!}(b-a)^k \right| \leq M\,\frac{|b-a|^{n+1}}{(n+1)!}\]
V
Complément d'intégration : sommes de Riemann
Définition 1

Soit \(f\) continue sur \([0,1]\). On appelle somme de Riemann l'une des sommes suivantes :

\[\forall n \in \mathbb{N}^*,\quad S_n = \frac{1}{n}\sum_{k=0}^{n-1} f\!\left(\frac{k}{n}\right)\]
\[\forall n \in \mathbb{N}^*,\quad T_n = \frac{1}{n}\sum_{k=1}^{n} f\!\left(\frac{k}{n}\right)\]
Proposition 1

Si \(f\) continue sur le segment \([0,1]\) alors la suite des sommes de Riemann converge vers \(\displaystyle\int_0^1 f(t)\,dt\). Ainsi :

\[\lim_{n\to+\infty} \frac{1}{n}\sum_{k=0}^{n-1} f\!\left(\frac{k}{n}\right) = \int_0^1 f(t)\,dt\]
\[\lim_{n\to+\infty} \frac{1}{n}\sum_{k=1}^{n} f\!\left(\frac{k}{n}\right) = \int_0^1 f(t)\,dt\]
On montrerait, à l'aide du changement de variable \(t = \dfrac{x-a}{b-a}\), que si \(f \in C^0([a,b])\) alors :
\[\lim_{n\to+\infty} \left(\frac{b-a}{n}\right) \sum_{k=1}^{n} f\!\left(a + \frac{k(b-a)}{n}\right) = \int_a^b f(x)\,dx\]
\[\lim_{n\to+\infty} \left(\frac{b-a}{n}\right) \sum_{k=0}^{n-1} f\!\left(a + \frac{k(b-a)}{n}\right) = \int_a^b f(x)\,dx\]