درس Limites d'une fonction numérique — الأولى باك علوم تجريبية

درس «Limites d'une fonction numérique» لتلاميذ الأولى باك علوم تجريبية بالفرنسية والعربية: Limite en un point - À droite et à gauche - Limites à l’infini - Asymptotes - Opérations - Formes indéterminées - Ordre - Limites trigonométriques. Cours Limites d'une fonction numérique — 1ère année Bac…

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Limite finie en un point

Notion de limite — Limites usuelles en $0$

Définition

Soit $f$ une fonction définie au voisinage de $a$ (sauf peut-être en $a$). On dit que $f$ tend vers $\ell$ quand $x$ tend vers $a$ si $f(x)$ devient aussi proche de $\ell$ que l’on veut dès que $x$ est assez proche de $a$.

On écrit $\lim\limits_{x\to a}f(x)=\ell$ ; si elle existe, cette limite est unique.

Propriété : $\lim\limits_{x\to a}f(x)=\ell\iff\lim\limits_{x\to a}\big(f(x)-\ell\big)=0$.

Propriété Limites usuelles en $0$

  • Pour $n\in\mathbb{N}^*$ : $\lim\limits_{x\to0}x^n=0$ ;
  • $\lim\limits_{x\to0^+}\sqrt{x}=0$ et $\lim\limits_{x\to0}|x|=0$.

Calcul direct (par substitution)

Propriété

Si $f$ est une fonction polynôme, une fonction rationnelle définie en $a$, ou $\sqrt{u}$ avec $u(a)\geq0$ ($u$ polynôme), alors :

$\lim\limits_{x\to a}f(x)=f(a)$

De même : $\lim\limits_{x\to a}\sin x=\sin a$, $\lim\limits_{x\to a}\cos x=\cos a$ et $\lim\limits_{x\to a}\tan x=\tan a$ (pour $a\neq\dfrac{\pi}{2}+k\pi$).

>> Toujours commencer par le calcul direct : on remplace $x$ par $a$. Si on obtient un nombre, c’est la limite.

Exemple

$\lim\limits_{x\to2}(3x^2-x+1)=3\times4-2+1=11$

$\lim\limits_{x\to-1}\dfrac{x^2+3}{x-1}=\dfrac{1+3}{-1-1}=-2$ (le dénominateur ne s’annule pas en $-1$)

$\lim\limits_{x\to4}\sqrt{x+5}=\sqrt{9}=3$

Limite à droite et à gauche

Définition

  • À droite de $a$ ($x\to a^+$, avec $x>a$) : $\lim\limits_{x\to a^+}f(x)$ ;
  • À gauche de $a$ ($x\to a^-$, avec $x<a$) : $\lim\limits_{x\to a^-}f(x)$.

Propriété

$\lim\limits_{x\to a}f(x)=\ell\iff\lim\limits_{x\to a^+}f(x)=\lim\limits_{x\to a^-}f(x)=\ell$

Exemple Pas de limite en $0$

$f(x)=\dfrac{|x|}{x}$ pour $x\neq0$.

  • Si $x>0$ : $|x|=x$, donc $f(x)=1$ et $\lim\limits_{x\to0^+}f(x)=1$ ;
  • si $x<0$ : $|x|=-x$, donc $f(x)=-1$ et $\lim\limits_{x\to0^-}f(x)=-1$.

Les limites à droite et à gauche sont différentes : $f$ n’a pas de limite en $0$

Limite infinie en un point

Propriété Limites usuelles

  • $\lim\limits_{x\to0^+}\dfrac{1}{x}=+\infty$ et $\lim\limits_{x\to0^-}\dfrac{1}{x}=-\infty$ ;
  • $\lim\limits_{x\to0}\dfrac{1}{x^2}=+\infty$ et $\lim\limits_{x\to0^+}\dfrac{1}{\sqrt{x}}=+\infty$ ;
  • $n$ pair : $\lim\limits_{x\to0}\dfrac{1}{x^n}=+\infty$ ; $n$ impair : $+\infty$ à droite et $-\infty$ à gauche.

Définition Asymptote verticale

Si $\lim\limits_{x\to a^+}f(x)=\pm\infty$ ou $\lim\limits_{x\to a^-}f(x)=\pm\infty$, la droite d’équation $x=a$ est une asymptote verticale à $(C_f)$.

Méthode Forme « $\dfrac{\ell}{0}$ » avec $\ell\neq0$

Ce n’est pas une forme indéterminée : la limite est $+\infty$ ou $-\infty$.

1. On calcule la limite du numérateur ($\ell\neq0$).

2. On étudie le signe du dénominateur à droite et à gauche de $a$ (tableau de signes).

3. On applique la règle des signes.

Exemple

$f(x)=\dfrac{x+2}{x-1}$ : limites en $1$.

Calcul direct : $\lim\limits_{x\to1}(x+2)=3$ et $\lim\limits_{x\to1}(x-1)=0$ : forme « $\dfrac{3}{0}$ ».

  • Si $x>1$ : $x-1>0$, donc $\lim\limits_{x\to1^+}f(x)=+\infty$ ;
  • si $x<1$ : $x-1<0$, donc $\lim\limits_{x\to1^-}f(x)=-\infty$.

La droite $x=1$ est une asymptote verticale à $(C_f)$

Limites à l’infini

Propriété Limites usuelles

  • $\lim\limits_{x\to+\infty}x^n=+\infty$ ; $\lim\limits_{x\to-\infty}x^n=+\infty$ si $n$ est pair et $-\infty$ si $n$ est impair ;
  • $\lim\limits_{x\to+\infty}\sqrt{x}=+\infty$ ;
  • $\lim\limits_{x\to\pm\infty}\dfrac{1}{x^n}=0$ et $\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{1}{\sqrt{x}}=0$.

Définition Asymptote horizontale

Si $\lim\limits_{x\to+\infty}f(x)=\ell$ (ou en $-\infty$), la droite d’équation $y=\ell$ est une asymptote horizontale à $(C_f)$ au voisinage de $+\infty$ (ou $-\infty$).

Exemple

$\lim\limits_{x\to+\infty}\left(3-\dfrac{2}{x^2}\right)=3-0=3$ : la droite $y=3$ est asymptote horizontale au voisinage de $+\infty$.

Pour $f(x)=\dfrac{x+2}{x-1}$ : $\lim\limits_{x\to\pm\infty}f(x)=1$ (voir V), donc $y=1$ est asymptote horizontale

Opérations sur les limites

Propriété Somme

| $\lim f$ | $\ell$ | $\ell$ | $+\infty$ | $-\infty$ | $+\infty$ |

| $\lim g$ | $\ell'$ | $\pm\infty$ | $+\infty$ | $-\infty$ | $-\infty$ |

| $\lim(f+g)$ | $\ell+\ell'$ | $\pm\infty$ | $+\infty$ | $-\infty$ | F.I. |

Propriété Produit et quotient

  • $\lim(f\times g)=\ell\ell'$ ; si $\ell\neq0$ et $\lim g=\pm\infty$ : $\lim(f\times g)=\pm\infty$ (règle des signes) ;
  • $\lim\dfrac{f}{g}=\dfrac{\ell}{\ell'}$ si $\ell'\neq0$ ; $\lim\dfrac{\ell}{g}=0$ si $\lim g=\pm\infty$ ;
  • $\lim\dfrac{\ell}{g}=\pm\infty$ si $\ell\neq0$ et $\lim g=0$ (signe de $g$).

Remarque Les formes indéterminées

Il y a quatre formes indéterminées (F.I.) :

  • « $+\infty-\infty$ »
  • « $0\times\infty$ »
  • « $\dfrac{\infty}{\infty}$ »
  • « $\dfrac{0}{0}$ »

[!] Devant une F.I., on ne conclut pas : on transforme l’écriture pour lever l’indétermination.

Exemple

$\lim\limits_{x\to+\infty}(x^2+\sqrt{x})=+\infty$ : somme « $+\infty+\infty$ ».

$\lim\limits_{x\to0^+}\left(\dfrac{1}{x}-3\right)(x-2)=-\infty$ : produit « $(+\infty)\times(-2)$ ».

$\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{5}{x^2+1}=0$ : quotient « $\dfrac{5}{+\infty}$ »

Polynômes et fonctions rationnelles

Propriété En $+\infty$ et en $-\infty$

  • La limite d’une fonction polynôme est celle de son terme de plus haut degré.
  • La limite d’une fonction rationnelle est celle du quotient des termes de plus haut degré du numérateur et du dénominateur.

>> On applique directement cette propriété du cours (pas de factorisation à faire).

Exemple

$\lim\limits_{x\to-\infty}(2x^3-5x^2+1)=\lim\limits_{x\to-\infty}2x^3=-\infty$

$\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{3x^2-x}{1-2x^2}=\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{3x^2}{-2x^2}=-\dfrac{3}{2}$

$\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{x+1}{x^2+3}=\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{x}{x^2}=\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{1}{x}=0$

$\lim\limits_{x\to\pm\infty}\dfrac{x+2}{x-1}=\lim\limits_{x\to\pm\infty}\dfrac{x}{x}=1$

Méthode Lever une forme indéterminée

  • Polynôme ou fonction rationnelle en $\pm\infty$ ⇒ propriété du cours (terme de plus haut degré).
  • Forme « $\dfrac{0}{0}$ » en $a$ pour une fonction rationnelle ⇒ on factorise numérateur et dénominateur par $(x-a)$ puis on simplifie.
  • Racine carrée qui donne « $\infty-\infty$ » ou « $\dfrac{0}{0}$ » ⇒ expression conjuguée (VI).
  • Fonctions trigonométriques en $0$ ⇒ limites usuelles (VIII).

Exemple Forme « $\dfrac{0}{0}$ »

$\lim\limits_{x\to1}\dfrac{x^2+x-2}{x-1}$ : calcul direct : $\dfrac{1+1-2}{1-1}$, forme « $\dfrac{0}{0}$ ».

$1$ est racine du numérateur, donc on factorise par $(x-1)$ :

$\dfrac{x^2+x-2}{x-1}=\dfrac{(x-1)(x+2)}{x-1}=x+2$

$\lim\limits_{x\to1}\dfrac{x^2+x-2}{x-1}=\lim\limits_{x\to1}(x+2)=3$

Exemple

$\lim\limits_{x\to2}\dfrac{x^2-4}{x^2-3x+2}$ : calcul direct : forme « $\dfrac{0}{0}$ ».

$\dfrac{x^2-4}{x^2-3x+2}=\dfrac{(x-2)(x+2)}{(x-2)(x-1)}=\dfrac{x+2}{x-1}$

$\lim\limits_{x\to2}\dfrac{x^2-4}{x^2-3x+2}=\dfrac{4}{1}=4$

Erreur fréquente

  • « $\dfrac{3}{0}$ » n’est pas une F.I. : on étudie le signe du dénominateur.
  • La propriété « plus haut degré » ne s’applique qu’en $\pm\infty$, jamais en un réel $a$.

Fonctions comportant une racine carrée

Propriété

  • Si $\lim f=\ell\geq0$, alors $\lim\sqrt{f}=\sqrt{\ell}$ ;
  • si $\lim f=+\infty$, alors $\lim\sqrt{f}=+\infty$.

Méthode Expression conjuguée

Pour une F.I. avec $\sqrt{A}-B$, on multiplie et on divise par le conjugué $\sqrt{A}+B$ :

$(\sqrt{A}-B)(\sqrt{A}+B)=A-B^2$

Exemple Forme « $+\infty-\infty$ »

$\lim\limits_{x\to+\infty}(\sqrt{x^2+1}-x)$ : calcul direct : « $+\infty-\infty$ » (F.I.).

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

$=\dfrac{x^2+1-x^2}{\sqrt{x^2+1}+x}=\dfrac{1}{\sqrt{x^2+1}+x}$

Le dénominateur tend vers $+\infty$ : quotient « $\dfrac{1}{+\infty}$ ».

$\lim\limits_{x\to+\infty}(\sqrt{x^2+1}-x)=0$

Exemple Forme « $\dfrac{0}{0}$ »

$\lim\limits_{x\to4}\dfrac{\sqrt{x}-2}{x-4}$ : calcul direct : « $\dfrac{0}{0}$ ».

$\dfrac{\sqrt{x}-2}{x-4}=\dfrac{\sqrt{x}-2}{(\sqrt{x}-2)(\sqrt{x}+2)}=\dfrac{1}{\sqrt{x}+2}$

$\lim\limits_{x\to4}\dfrac{\sqrt{x}-2}{x-4}=\dfrac{1}{4}$

Limites et ordre

Théorème Théorèmes de comparaison

Au voisinage de $+\infty$ (même chose en $-\infty$ ou en $a$) :

  • si $f(x)\geq g(x)$ et $\lim g=+\infty$, alors $\lim f=+\infty$ ;
  • si $f(x)\leq g(x)$ et $\lim g=-\infty$, alors $\lim f=-\infty$ ;
  • si $|f(x)-\ell|\leq u(x)$ et $\lim u=0$, alors $\lim f=\ell$ ;
  • si $u(x)\leq f(x)\leq v(x)$ et $\lim u=\lim v=\ell$, alors $\lim f=\ell$.

Exemple $\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{\sin x}{x}$

$\sin x$ n’a pas de limite en $+\infty$ : on utilise l’ordre. Pour $x>0$ :

$\left|\dfrac{\sin x}{x}-0\right|=\dfrac{|\sin x|}{x}\leq\dfrac{1}{x}$

et $\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{1}{x}=0$.

$\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{\sin x}{x}=0$

Exemple

$\lim\limits_{x\to+\infty}(x+\cos x)$ : on a $\cos x\geq-1$, donc $x+\cos x\geq x-1$.

Or $\lim\limits_{x\to+\infty}(x-1)=+\infty$.

$\lim\limits_{x\to+\infty}(x+\cos x)=+\infty$

Limites des fonctions trigonométriques

Propriété Les trois limites usuelles

  • $\lim\limits_{x\to0}\dfrac{\sin x}{x}=1$
  • $\lim\limits_{x\to0}\dfrac{\tan x}{x}=1$
  • $\lim\limits_{x\to0}\dfrac{1-\cos x}{x^2}=\dfrac{1}{2}$

Méthode

1. Calcul direct : en $0$ on obtient souvent « $\dfrac{0}{0}$ ».

2. On fait apparaître une limite usuelle ; avec $\sin(ax)$ on pose $X=ax$ ($X\to0$ quand $x\to0$).

3. On conclut en nommant l’opération : produit, quotient, somme.

[!] $\dfrac{x}{\sin x}$ n’est pas une limite usuelle : on l’écrit $\dfrac{1}{\dfrac{\sin x}{x}}$ (quotient).

Exemple $\lim\limits_{x\to0}\dfrac{\sin3x}{x}$

$\dfrac{\sin3x}{x}=3\times\dfrac{\sin3x}{3x}$

On pose $X=3x$ : $\lim\limits_{X\to0}\dfrac{\sin X}{X}=1$ (limite usuelle).

$\lim\limits_{x\to0}\dfrac{\sin3x}{x}=3\times1=3$ (produit)

Exemple $\lim\limits_{x\to0}\dfrac{1-\cos x}{x}$

$\dfrac{1-\cos x}{x}=x\times\dfrac{1-\cos x}{x^2}$

$\lim\limits_{x\to0}x=0$ et $\lim\limits_{x\to0}\dfrac{1-\cos x}{x^2}=\dfrac{1}{2}$ (limite usuelle).

$\lim\limits_{x\to0}\dfrac{1-\cos x}{x}=0\times\dfrac{1}{2}=0$ (produit)

Exemple $\lim\limits_{x\to0}\dfrac{\tan2x}{\sin x}$

On divise numérateur et dénominateur par $x$ pour faire apparaître deux limites usuelles :

$\dfrac{\tan2x}{\sin x}=\dfrac{2\times\dfrac{\tan2x}{2x}}{\dfrac{\sin x}{x}}$

  • Numérateur : $X=2x$, $\lim\limits_{X\to0}\dfrac{\tan X}{X}=1$ (usuelle), donc il tend vers $2\times1=2$ (produit) ;
  • dénominateur : $\lim\limits_{x\to0}\dfrac{\sin x}{x}=1$ (usuelle).

$\lim\limits_{x\to0}\dfrac{\tan2x}{\sin x}=\dfrac{2}{1}=2$ (quotient)

À retenir

  • Toujours commencer par le calcul direct ; « $\dfrac{\ell}{0}$ » ($\ell\neq0$) ⇒ signe du dénominateur.
  • F.I. : $+\infty-\infty$, $0\times\infty$, $\dfrac{\infty}{\infty}$, $\dfrac{0}{0}$.
  • Polynôme/rationnelle en $\pm\infty$ : plus haut degré ; « $\dfrac{0}{0}$ » en $a$ : factoriser par $(x-a)$ ; racine : conjugué.
  • Asymptotes : $x=a$ si limite infinie en $a$ ; $y=\ell$ si limite $\ell$ en $\pm\infty$.

النسخة العربية

النهاية المنتهية في نقطة

مفهوم النهاية — النهايات الاعتيادية في $0$

تعريف

لتكن $f$ دالة معرفة بجوار $a$ (ربما باستثناء $a$). نقول إن $f$ تؤول إلى $\ell$ عندما يؤول $x$ إلى $a$ إذا أصبح $f(x)$ قريباً من $\ell$ بالقدر الذي نريد كلما كان $x$ قريباً بما فيه الكفاية من $a$.

نكتب $\lim\limits_{x\to a}f(x)=\ell$ ؛ وإذا وجدت فهذه النهاية وحيدة.

خاصية : $\lim\limits_{x\to a}f(x)=\ell\iff\lim\limits_{x\to a}\big(f(x)-\ell\big)=0$.

خاصية النهايات الاعتيادية في $0$

  • من أجل $n\in\mathbb{N}^*$ : $\lim\limits_{x\to0}x^n=0$ ؛
  • $\lim\limits_{x\to0^+}\sqrt{x}=0$ و $\lim\limits_{x\to0}|x|=0$.

الحساب المباشر (التعويض)

خاصية

إذا كانت $f$ دالة حدودية، أو دالة جذرية معرفة في $a$، أو $\sqrt{u}$ مع $u(a)\geq0$ ($u$ حدودية)، فإن :

$\lim\limits_{x\to a}f(x)=f(a)$

وبالمثل : $\lim\limits_{x\to a}\sin x=\sin a$ و $\lim\limits_{x\to a}\cos x=\cos a$ و $\lim\limits_{x\to a}\tan x=\tan a$ (من أجل $a\neq\dfrac{\pi}{2}+k\pi$).

>> نبدأ دائماً بالحساب المباشر : نعوّض $x$ بـ $a$. إذا حصلنا على عدد فهو النهاية.

مثال

$\lim\limits_{x\to2}(3x^2-x+1)=3\times4-2+1=11$

$\lim\limits_{x\to-1}\dfrac{x^2+3}{x-1}=\dfrac{1+3}{-1-1}=-2$ (المقام لا ينعدم في $-1$)

$\lim\limits_{x\to4}\sqrt{x+5}=\sqrt{9}=3$

النهاية على اليمين وعلى اليسار

تعريف

  • على اليمين في $a$ ($x\to a^+$، مع $x>a$) : $\lim\limits_{x\to a^+}f(x)$ ؛
  • على اليسار في $a$ ($x\to a^-$، مع $x<a$) : $\lim\limits_{x\to a^-}f(x)$.

خاصية

$\lim\limits_{x\to a}f(x)=\ell\iff\lim\limits_{x\to a^+}f(x)=\lim\limits_{x\to a^-}f(x)=\ell$

مثال لا توجد نهاية في $0$

$f(x)=\dfrac{|x|}{x}$ من أجل $x\neq0$.

  • إذا كان $x>0$ : $|x|=x$، إذن $f(x)=1$ و $\lim\limits_{x\to0^+}f(x)=1$ ؛
  • إذا كان $x<0$ : $|x|=-x$، إذن $f(x)=-1$ و $\lim\limits_{x\to0^-}f(x)=-1$.

النهايتان على اليمين وعلى اليسار مختلفتان : $f$ ليست لها نهاية في $0$

النهاية اللامنتهية في نقطة

خاصية النهايات الاعتيادية

  • $\lim\limits_{x\to0^+}\dfrac{1}{x}=+\infty$ و $\lim\limits_{x\to0^-}\dfrac{1}{x}=-\infty$ ؛
  • $\lim\limits_{x\to0}\dfrac{1}{x^2}=+\infty$ و $\lim\limits_{x\to0^+}\dfrac{1}{\sqrt{x}}=+\infty$ ؛
  • $n$ زوجي : $\lim\limits_{x\to0}\dfrac{1}{x^n}=+\infty$ ؛ $n$ فردي : $+\infty$ على اليمين و $-\infty$ على اليسار.

تعريف المقارب العمودي

إذا كان $\lim\limits_{x\to a^+}f(x)=\pm\infty$ أو $\lim\limits_{x\to a^-}f(x)=\pm\infty$، فإن المستقيم ذا المعادلة $x=a$ مقارب عمودي للمنحنى $(C_f)$.

طريقة الشكل « $\dfrac{\ell}{0}$ » مع $\ell\neq0$

ليست صيغة غير محددة : النهاية هي $+\infty$ أو $-\infty$.

1. نحسب نهاية البسط ($\ell\neq0$).

2. ندرس إشارة المقام على يمين ويسار $a$ (جدول الإشارة).

3. نطبق قاعدة الإشارات.

مثال

$f(x)=\dfrac{x+2}{x-1}$ : النهايتان في $1$.

الحساب المباشر : $\lim\limits_{x\to1}(x+2)=3$ و $\lim\limits_{x\to1}(x-1)=0$ : الشكل « $\dfrac{3}{0}$ ».

  • إذا كان $x>1$ : $x-1>0$، إذن $\lim\limits_{x\to1^+}f(x)=+\infty$ ؛
  • إذا كان $x<1$ : $x-1<0$، إذن $\lim\limits_{x\to1^-}f(x)=-\infty$.

المستقيم $x=1$ مقارب عمودي للمنحنى $(C_f)$

النهايات عند اللانهاية

خاصية النهايات الاعتيادية

  • $\lim\limits_{x\to+\infty}x^n=+\infty$ ؛ $\lim\limits_{x\to-\infty}x^n=+\infty$ إذا كان $n$ زوجياً و $-\infty$ إذا كان $n$ فردياً ؛
  • $\lim\limits_{x\to+\infty}\sqrt{x}=+\infty$ ؛
  • $\lim\limits_{x\to\pm\infty}\dfrac{1}{x^n}=0$ و $\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{1}{\sqrt{x}}=0$.

تعريف المقارب الأفقي

إذا كان $\lim\limits_{x\to+\infty}f(x)=\ell$ (أو عند $-\infty$)، فإن المستقيم ذا المعادلة $y=\ell$ مقارب أفقي للمنحنى $(C_f)$ بجوار $+\infty$ (أو $-\infty$).

مثال

$\lim\limits_{x\to+\infty}\left(3-\dfrac{2}{x^2}\right)=3-0=3$ : المستقيم $y=3$ مقارب أفقي بجوار $+\infty$.

بالنسبة لـ $f(x)=\dfrac{x+2}{x-1}$ : $\lim\limits_{x\to\pm\infty}f(x)=1$ (انظر V)، إذن $y=1$ مقارب أفقي

العمليات على النهايات

خاصية المجموع

| $\lim f$ | $\ell$ | $\ell$ | $+\infty$ | $-\infty$ | $+\infty$ |

| $\lim g$ | $\ell'$ | $\pm\infty$ | $+\infty$ | $-\infty$ | $-\infty$ |

| $\lim(f+g)$ | $\ell+\ell'$ | $\pm\infty$ | $+\infty$ | $-\infty$ | ص.غ.م |

خاصية الجداء والخارج

  • $\lim(f\times g)=\ell\ell'$ ؛ إذا كان $\ell\neq0$ و $\lim g=\pm\infty$ : $\lim(f\times g)=\pm\infty$ (قاعدة الإشارات) ؛
  • $\lim\dfrac{f}{g}=\dfrac{\ell}{\ell'}$ إذا كان $\ell'\neq0$ ؛ $\lim\dfrac{\ell}{g}=0$ إذا كان $\lim g=\pm\infty$ ؛
  • $\lim\dfrac{\ell}{g}=\pm\infty$ إذا كان $\ell\neq0$ و $\lim g=0$ (إشارة $g$).

ملاحظة الصيغ غير المحددة

توجد أربع صيغ غير محددة (ص.غ.م) :

  • « $+\infty-\infty$ »
  • « $0\times\infty$ »
  • « $\dfrac{\infty}{\infty}$ »
  • « $\dfrac{0}{0}$ »

[!] أمام صيغة غير محددة لا نستنتج : نحوّل الكتابة لرفع عدم التحديد.

مثال

$\lim\limits_{x\to+\infty}(x^2+\sqrt{x})=+\infty$ : مجموع « $+\infty+\infty$ ».

$\lim\limits_{x\to0^+}\left(\dfrac{1}{x}-3\right)(x-2)=-\infty$ : جداء « $(+\infty)\times(-2)$ ».

$\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{5}{x^2+1}=0$ : خارج « $\dfrac{5}{+\infty}$ »

الدوال الحدودية والدوال الجذرية

خاصية عند $+\infty$ وعند $-\infty$

  • نهاية دالة حدودية هي نهاية حدها الأعلى درجة.
  • نهاية دالة جذرية هي نهاية خارج الحدين الأعلى درجة للبسط والمقام.

>> نطبق مباشرة هذه الخاصية من الدرس (لا حاجة للتعميل).

مثال

$\lim\limits_{x\to-\infty}(2x^3-5x^2+1)=\lim\limits_{x\to-\infty}2x^3=-\infty$

$\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{3x^2-x}{1-2x^2}=\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{3x^2}{-2x^2}=-\dfrac{3}{2}$

$\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{x+1}{x^2+3}=\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{x}{x^2}=\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{1}{x}=0$

$\lim\limits_{x\to\pm\infty}\dfrac{x+2}{x-1}=\lim\limits_{x\to\pm\infty}\dfrac{x}{x}=1$

طريقة كيف نرفع صيغة غير محددة ؟

  • دالة حدودية أو جذرية عند $\pm\infty$ ⇐ خاصية الدرس (الحد الأعلى درجة).
  • الشكل « $\dfrac{0}{0}$ » في $a$ لدالة جذرية ⇐ نعمّل البسط والمقام بـ $(x-a)$ ثم نبسط.
  • جذر مربع يعطي « $\infty-\infty$ » أو « $\dfrac{0}{0}$ » ⇐ المرافق (VI).
  • دوال مثلثية في $0$ ⇐ النهايات الاعتيادية (VIII).

مثال الشكل « $\dfrac{0}{0}$ »

$\lim\limits_{x\to1}\dfrac{x^2+x-2}{x-1}$ : الحساب المباشر : $\dfrac{1+1-2}{1-1}$، الشكل « $\dfrac{0}{0}$ ».

$1$ جذر للبسط، إذن نعمّل بـ $(x-1)$ :

$\dfrac{x^2+x-2}{x-1}=\dfrac{(x-1)(x+2)}{x-1}=x+2$

$\lim\limits_{x\to1}\dfrac{x^2+x-2}{x-1}=\lim\limits_{x\to1}(x+2)=3$

مثال

$\lim\limits_{x\to2}\dfrac{x^2-4}{x^2-3x+2}$ : الحساب المباشر : الشكل « $\dfrac{0}{0}$ ».

$\dfrac{x^2-4}{x^2-3x+2}=\dfrac{(x-2)(x+2)}{(x-2)(x-1)}=\dfrac{x+2}{x-1}$

$\lim\limits_{x\to2}\dfrac{x^2-4}{x^2-3x+2}=\dfrac{4}{1}=4$

خطأ شائع

  • « $\dfrac{3}{0}$ » ليست صيغة غير محددة : ندرس إشارة المقام.
  • خاصية «الحد الأعلى درجة» لا تُطبق إلا عند $\pm\infty$، وليس أبداً في عدد حقيقي $a$.

دوال تتضمن جذراً مربعاً

خاصية

  • إذا كان $\lim f=\ell\geq0$، فإن $\lim\sqrt{f}=\sqrt{\ell}$ ؛
  • إذا كان $\lim f=+\infty$، فإن $\lim\sqrt{f}=+\infty$.

طريقة المرافق

أمام صيغة غير محددة فيها $\sqrt{A}-B$، نضرب ونقسم على المرافق $\sqrt{A}+B$ :

$(\sqrt{A}-B)(\sqrt{A}+B)=A-B^2$

مثال الشكل « $+\infty-\infty$ »

$\lim\limits_{x\to+\infty}(\sqrt{x^2+1}-x)$ : الحساب المباشر : « $+\infty-\infty$ » (ص.غ.م).

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

$=\dfrac{x^2+1-x^2}{\sqrt{x^2+1}+x}=\dfrac{1}{\sqrt{x^2+1}+x}$

المقام يؤول إلى $+\infty$ : خارج « $\dfrac{1}{+\infty}$ ».

$\lim\limits_{x\to+\infty}(\sqrt{x^2+1}-x)=0$

مثال الشكل « $\dfrac{0}{0}$ »

$\lim\limits_{x\to4}\dfrac{\sqrt{x}-2}{x-4}$ : الحساب المباشر : « $\dfrac{0}{0}$ ».

$\dfrac{\sqrt{x}-2}{x-4}=\dfrac{\sqrt{x}-2}{(\sqrt{x}-2)(\sqrt{x}+2)}=\dfrac{1}{\sqrt{x}+2}$

$\lim\limits_{x\to4}\dfrac{\sqrt{x}-2}{x-4}=\dfrac{1}{4}$

النهايات والترتيب

مبرهنة مبرهنات المقارنة

بجوار $+\infty$ (ونفس الشيء عند $-\infty$ أو في $a$) :

  • إذا كان $f(x)\geq g(x)$ و $\lim g=+\infty$، فإن $\lim f=+\infty$ ؛
  • إذا كان $f(x)\leq g(x)$ و $\lim g=-\infty$، فإن $\lim f=-\infty$ ؛
  • إذا كان $|f(x)-\ell|\leq u(x)$ و $\lim u=0$، فإن $\lim f=\ell$ ؛
  • إذا كان $u(x)\leq f(x)\leq v(x)$ و $\lim u=\lim v=\ell$، فإن $\lim f=\ell$.

مثال $\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{\sin x}{x}$

$\sin x$ ليست لها نهاية عند $+\infty$ : نستعمل الترتيب. من أجل $x>0$ :

$\left|\dfrac{\sin x}{x}-0\right|=\dfrac{|\sin x|}{x}\leq\dfrac{1}{x}$

و $\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{1}{x}=0$.

$\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{\sin x}{x}=0$

مثال

$\lim\limits_{x\to+\infty}(x+\cos x)$ : لدينا $\cos x\geq-1$، إذن $x+\cos x\geq x-1$.

ولدينا $\lim\limits_{x\to+\infty}(x-1)=+\infty$.

$\lim\limits_{x\to+\infty}(x+\cos x)=+\infty$

نهايات الدوال المثلثية

خاصية النهايات الاعتيادية الثلاث

  • $\lim\limits_{x\to0}\dfrac{\sin x}{x}=1$
  • $\lim\limits_{x\to0}\dfrac{\tan x}{x}=1$
  • $\lim\limits_{x\to0}\dfrac{1-\cos x}{x^2}=\dfrac{1}{2}$

طريقة

1. الحساب المباشر : في $0$ نحصل غالباً على « $\dfrac{0}{0}$ ».

2. نُظهر نهاية اعتيادية ؛ مع $\sin(ax)$ نضع $X=ax$ ($X\to0$ عندما $x\to0$).

3. نستنتج مع ذكر العملية : جداء، خارج، مجموع.

[!] $\dfrac{x}{\sin x}$ ليست نهاية اعتيادية : نكتبها $\dfrac{1}{\dfrac{\sin x}{x}}$ (خارج).

مثال $\lim\limits_{x\to0}\dfrac{\sin3x}{x}$

$\dfrac{\sin3x}{x}=3\times\dfrac{\sin3x}{3x}$

نضع $X=3x$ : $\lim\limits_{X\to0}\dfrac{\sin X}{X}=1$ (نهاية اعتيادية).

$\lim\limits_{x\to0}\dfrac{\sin3x}{x}=3\times1=3$ (جداء)

مثال $\lim\limits_{x\to0}\dfrac{1-\cos x}{x}$

$\dfrac{1-\cos x}{x}=x\times\dfrac{1-\cos x}{x^2}$

$\lim\limits_{x\to0}x=0$ و $\lim\limits_{x\to0}\dfrac{1-\cos x}{x^2}=\dfrac{1}{2}$ (نهاية اعتيادية).

$\lim\limits_{x\to0}\dfrac{1-\cos x}{x}=0\times\dfrac{1}{2}=0$ (جداء)

مثال $\lim\limits_{x\to0}\dfrac{\tan2x}{\sin x}$

نقسم البسط والمقام على $x$ لإظهار نهايتين اعتياديتين :

$\dfrac{\tan2x}{\sin x}=\dfrac{2\times\dfrac{\tan2x}{2x}}{\dfrac{\sin x}{x}}$

  • البسط : $X=2x$، $\lim\limits_{X\to0}\dfrac{\tan X}{X}=1$ (اعتيادية)، إذن يؤول إلى $2\times1=2$ (جداء) ؛
  • المقام : $\lim\limits_{x\to0}\dfrac{\sin x}{x}=1$ (اعتيادية).

$\lim\limits_{x\to0}\dfrac{\tan2x}{\sin x}=\dfrac{2}{1}=2$ (خارج)

للحفظ

  • نبدأ دائماً بالحساب المباشر ؛ « $\dfrac{\ell}{0}$ » ($\ell\neq0$) ⇐ إشارة المقام.
  • ص.غ.م : $+\infty-\infty$ و $0\times\infty$ و $\dfrac{\infty}{\infty}$ و $\dfrac{0}{0}$.
  • حدودية/جذرية عند $\pm\infty$ : الحد الأعلى درجة ؛ « $\dfrac{0}{0}$ » في $a$ : التعميل بـ $(x-a)$ ؛ الجذر : المرافق.
  • المقاربات : $x=a$ إذا كانت النهاية لامنتهية في $a$ ؛ $y=\ell$ إذا كانت النهاية $\ell$ عند $\pm\infty$.

فنفس الدرس

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