Jean Aboutboul
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Lecture Notes EPFL — Analysis I

Analysis I

Notes de cours EPFL couvrant les reels, les nombres complexes, les suites, les series, les fonctions, les limites et la continuite.

analysis calculus real-analysis complex-numbers EPFL
Sources
  • Calcul différentiel et intégral, Jacques Douchet.

Synthese des notes du cours Analysis I donne a l’EPFL pendant l’automne 2024.

Chap I — R\mathbb{R}

Sup / Inf

  • Max : le + grand, x\exists x d’office

  • Min : le + petit, \exists min

  • Majorant : + grand que tout l’ensemble

  • Minorant : + petit

  • borne : les deux

  • Sup : + petit majorant

  • Inf : + grand minorant

  • si \exists Max \Rightarrow Sup = Max ; si \exists Min \Rightarrow Inf = Min

  • \nexists Maj \Rightarrow Sup A:=+A := +\infty ; \nexists Min \Rightarrow Inf A:=A := -\infty

Axiome : A\forall A \neq \emptyset, majore \Rightarrow \exists Sup AA ; minore \Rightarrow \exists Inf AA

Symboles

  • R+\mathbb{R}^+, R\mathbb{R}^-, R\mathbb{R}^*, [0;+[[0;+\infty[, ];0[]-\infty;0[
  • intervalles : [  ][\;], ]  []\;[, [  [[\;[, ]  ]]\;]
  • x\lfloor x \rfloor = le + grand nZn \in \mathbb{Z} t.q. nxn \leq x

2\sqrt{2}

x\exists x t.q. x2=2x^2 = 2, nN\forall n \in \mathbb{N}^*, xn=yx^n = y, nN\forall n \in \mathbb{N}^* : \exists une seule yn=x\sqrt[n]{y} = x, i.e. y0\sqrt{y} \geq 0

Densite

“dense dans R\mathbb{R}” : x>y\forall x > y, yRy \in \mathbb{R}, zR\exists z \in \mathbb{R} t.q. x>z>yx > z > y

  • Q\mathbb{Q} est dense dans R\mathbb{R}
  • R\mathbb{R} est dense dans R\mathbb{R}
  • RQ\mathbb{R} \setminus \mathbb{Q} est dense dans R\mathbb{R}

Valeur absolue et distance

x,x1x2=dist(x1,x2)|x|, \quad |x_1 - x_2| = \text{dist}(x_1, x_2)

Prop — inegalite triangulaire : x+yx+y|x + y| \leq |x| + |y|

Ensemble ouvert / ferme

  • ouvert : \exists toujours un nombre avant et apres chaque nombre — xA\forall x \in A, ε>0\exists \varepsilon > 0 t.q. ]xε,x+ε[  A]x-\varepsilon, x+\varepsilon[ \;\subset A
  • ferme : complementaire ouvert — Gc:=RGG^c := \mathbb{R} \setminus G
  • G:A+BG : A + B \Rightarrow ouvert ; ferme \Leftrightarrow ferme \uparrow

Chap II — Nombres complexes C\mathbb{C}

Definitions

z=a+bi=(a;b),a,bRz = a + bi = (a;\, b), \quad a, b \in \mathbb{R}

  • zˉ:=abi\bar{z} := a - bi
  • z:=a2+b2|z| := \sqrt{a^2 + b^2}
  • Re(z):=a=z+zˉ2\text{Re}(z) := a = \dfrac{z + \bar{z}}{2}
  • Im(z):=b=zzˉ2i\text{Im}(z) := b = \dfrac{z - \bar{z}}{2i}

Operations

z+z=(a+a;  b+b)z + z' = (a+a';\; b+b') zz=(aabb;  ab+ab)z \cdot z' = (aa' - bb';\; ab' + a'b)

Forme polaire

z=r(cosθ+isinθ),a=rcosθ,b=rsinθz = r(\cos\theta + i\sin\theta), \quad a = r\cos\theta, \quad b = r\sin\theta

  • Arg(z)=θ\text{Arg}(z) = \theta
  • Arg(zˉ)=Arg(z)\text{Arg}(\bar{z}) = -\text{Arg}(z)
  • Arg(zz)=Arg(z)+Arg(z)\text{Arg}(z \cdot z') = \text{Arg}(z) + \text{Arg}(z')
  • Arg(zn)=nArg(z)\text{Arg}(z^n) = n\,\text{Arg}(z)
  • tanθ=b/a\tan\theta = b/a, a0\forall a \neq 0

Forme exponentielle

ez=eRe(z)(cos(Im(z))+isin(Im(z)))e^z = e^{\text{Re}(z)}\bigl(\cos(\text{Im}(z)) + i\sin(\text{Im}(z))\bigr)

  • ez=eRe(z)|e^z| = e^{\text{Re}(z)},   Arg(ez)=Im(z)\;\text{Arg}(e^z) = \text{Im}(z)
  • forme exp/polaire : reiθr e^{i\theta}
  • nombres purement imaginaires : eiy=cosy+isinye^{iy} = \cos y + i\sin y

Formule de Moivre : zn=rn(cos(nθ)+isin(nθ))=rneinθz^n = r^n(\cos(n\theta) + i\sin(n\theta)) = r^n e^{in\theta}, n2\forall n \geq 2

Identites :

  • eiπ+1=0e^{i\pi} + 1 = 0
  • eiπ/2=ie^{i\pi/2} = i
  • ei2kπ=1e^{i2k\pi} = 1, kZ\forall k \in \mathbb{Z}
  • ωC\forall \omega \in \mathbb{C} (ω=r|\omega| = r, Arg(ω)=θ\text{Arg}(\omega) = \theta) : zωz \cdot \omega tourne zz d’un angle θ\theta puis le multiplie par le module rr

Plan complexe

Im\text{Im} (axe vertical), Re\text{Re} (axe horizontal), z|z| = distance a l’origine, θ\theta = argument

Polynomes a coefficients reels

P(z)P(z) avec akRa_k \in \mathbb{R} k\forall k \Rightarrow P(zˉ)=P(z)P(\bar{z}) = \overline{P(z)} ; P(z)=0P(zˉ)=0P(z^*) = 0 \Rightarrow P(\bar{z}^*) = 0

Thm fondamental de l’algebre

P(z)=a0+a1z+a2z2++anznP(z) = a_0 + a_1 z + a_2 z^2 + \cdots + a_n z^n, zCz^* \in \mathbb{C} t.q. P(z)=0P(z^*) = 0 = racine

Thm : dans C\mathbb{C}, tout PP avec n1n \geq 1 possede au moins une racine.

Division euclidienne : P(z)P(z) avec n1n \geq 1, z0Cz_0 \in \mathbb{C} fixe Q(z)\Rightarrow \exists Q(z) avec deg=n1\deg = n-1 t.q. :

P(z)=(zz0)Q(z)+P(z0),zCP(z) = (z - z_0)Q(z) + P(z_0), \quad \forall z \in \mathbb{C}

Thm : dans C\mathbb{C}, tout PP avec n1n \geq 1 possede nn racines :

z1,,znC t.q. P(zk)=0  k,P(z)=an(zz1)(zzn)\exists z_1, \ldots, z_n \in \mathbb{C} \text{ t.q. } P(z_k) = 0 \;\forall k, \quad P(z) = a_n(z-z_1)\cdots(z-z_n)

→ racines pas necessairement distinctes \Rightarrow (zzi)α(z - z_i)^\alpha

Si PP, n=2k+1n = 2k+1, akRa_k \in \mathbb{R} k\forall k \Rightarrow au moins 1 racine reelle

→ tout P(z)P(z) a coeff R\mathbb{R} se factorise en produit de polynomes de degre 1 ou 2 irreductibles a coeff R\mathbb{R}

FAC : trouver zz par tatonnement \rightarrow div. euclidienne \rightarrow recommencer.


Chap III — Suites

Definitions

(an)(a_n), nn0n \geq n_0

  • croissante : anan+1a_n \leq a_{n+1} n\forall n
  • decroissante : anan+1a_n \geq a_{n+1} n\forall n
  • monotone si un des deux
  • convergente : L\exists L
  • divergente : L\nexists L (L:=±L := \pm\infty)
  • majoree : \exists cst MM t.q. anMa_n \leq M n\forall n ; minoree : m\exists m ; bornee : les deux

Limite

Tend vers LL : limnan=L\displaystyle\lim_{n\to\infty} a_n = L : ε>0\forall \varepsilon > 0, NN\exists N \in \mathbb{N} t.q. anLε|a_n - L| \leq \varepsilon nN\forall n \geq N

  • si L\exists L \Rightarrow unique
  • ana_n converge \Rightarrow ana_n bornee
  • anLa_n \to L \Rightarrow anL|a_n| \to |L|
  • operat : lim(an+bn)=liman+limbn\lim(a_n + b_n) = \lim a_n + \lim b_n ; lim(anbn)=limanlimbn\lim(a_n \cdot b_n) = \lim a_n \cdot \lim b_n ; anbna_n \geq b_n \Rightarrow limanlimbn\lim a_n \geq \lim b_n (n\forall n suff. gd)

an+a_n \to +\infty : M>0\forall M > 0, NZ\exists N \in \mathbb{Z} t.q. anMa_n \geq M nN\forall n \geq N

Si ana_n \to \infty :

  • 1/an0-1/a_n \to 0
  • bn+b_n \to +\infty \Rightarrow anbn+a_n \cdot b_n \to +\infty
  • bnb_n bornee \Rightarrow bn/an0b_n/a_n \to 0
  • bnδ>0b_n \geq \delta > 0 n\forall n suff. gd \Rightarrow anbn+a_n \cdot b_n \to +\infty

Limite sup / inf

Mn:=sup{an,an+1,} (decroissante),mn:=inf{an,an+1,} (croissante)M_n := \sup\{a_n, a_{n+1}, \ldots\} \text{ (decroissante)}, \quad m_n := \inf\{a_n, a_{n+1}, \ldots\} \text{ (croissante)}

mnanMnm_n \leq a_n \leq M_n

lim supan:=limMn,lim infan:=limmn\limsup a_n := \lim M_n, \quad \liminf a_n := \lim m_n

liman=Llim supan=lim infan=L\lim a_n = L \Leftrightarrow \limsup a_n = \liminf a_n = L

Serie geometrique

Sn:=1+λ+λ2++λnS_n := 1 + \lambda + \lambda^2 + \cdots + \lambda^n

  • λ>1\lambda > 1 \Rightarrow Sn+S_n \to +\infty
  • λ<1|\lambda| < 1 \Rightarrow Sn11λS_n \to \dfrac{1}{1-\lambda}
  • λ1-\lambda \leq -1 \Rightarrow diverge

en:=(1+1n)ne(strictement croissante, 2en3)e_n := \left(1 + \frac{1}{n}\right)^n \to e \quad \text{(strictement croissante, } 2 \leq e_n \leq 3\text{)}

Formes indeterminees

\infty - \infty, 00 \cdot \infty, /\infty/\infty, 0/00/0, 11^\infty, 0\infty^0, 000^0

→ extraire le terme dominant ; a2b2=(ab)(a+b)a^2 - b^2 = (a-b)(a+b)

Thm : limx0\displaystyle\lim_{x \to 0} : sinxx=1\dfrac{\sin x}{x} = 1, ex1x=1\dfrac{e^x - 1}{x} = 1, log(x+1)x=1\dfrac{\log(x+1)}{x} = 1, 1cosxx2=12\dfrac{1 - \cos x}{x^2} = \dfrac{1}{2}

Equivalence : anbna_n \sim b_n : an/bn1a_n/b_n \to 1

  • anbn=eloganlogbn\dfrac{a_n}{b_n} = e^{\log a_n - \log b_n} ; anbn=ebnlogana_n^{b_n} = e^{b_n \log a_n}

Thm Bolzano–Weierstrass

Sous-suite : (bk)=(ank)(b_k) = (a_{n_k})

Thm : de toute suite bornee, on peut extraire une sous-suite convergente. (xn)[a,b]L[a,b](x_n) \in [a,b] \Rightarrow \exists L \in [a,b] et (xnk)L\exists (x_{n_k}) \to L

Suite de Cauchy

Une suite est de Cauchy si : ε>0\forall \varepsilon > 0, NZ\exists N \in \mathbb{Z} t.q. anamε|a_n - a_m| \leq \varepsilon m,nN\forall m, n \geq N

(qd une suite converge, les termes sont proches les uns des autres)

Thm : dans R\mathbb{R} : convergente \Leftrightarrow de Cauchy

Theoremes d’etudes

  • Chien mechant : an+a_n \to +\infty et anbna_n \leq b_n \Rightarrow bn+b_n \to +\infty
  • Deux gendarmes : anxnbna_n \leq x_n \leq b_n, liman=limbn=L\lim a_n = \lim b_n = L \Rightarrow limxn=L\lim x_n = L
  • Si xnx_n bornee, yn0y_n \to 0 \Rightarrow ynxn0y_n x_n \to 0
  • Monotone + bornee : croissante + Maj ou decroissante + Min \Rightarrow converge

Critere d’Alembert (suite) :

ρ:=limnan+1an\rho := \lim_{n\to\infty} \left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right|

  • 0ρ<10 \leq \rho < 1 \Rightarrow an0a_n \to 0
  • ρ>1\rho > 1 \Rightarrow ana_n diverge ; ρ>1\rho > 1, an>0a_n > 0 \Rightarrow an+a_n \to +\infty

Comportement : log(n)ncCn\log(n) \leq n^c \leq C^n, CRC \in \mathbb{R}


Chap IV — Suite de recurrence

Definition

Soit g:RRg : \mathbb{R} \to \mathbb{R}, xRx \in \mathbb{R} ; (an)(a_n) est definie par :

  • son premier terme : x0=ax_0 = a
  • par recurrence, n>0\forall n > 0 : xn+1=g(xn)x_{n+1} = g(x_n)

Point fixe : xx_* est pt fixe si g(x)=xg(x_*) = x_* ; si x0=xx_0 = x_* \Rightarrow suite cst.

Thm : si xn+1=g(xn)x_{n+1} = g(x_n) est convergente et si g:RRg : \mathbb{R} \to \mathbb{R} est continue, limxn=x\lim x_n = x_* (pt fixe de gg) \Rightarrow si x0=x_0 = pt fixe \Rightarrow x0x_0 = la limite.

Methode 1 — observation

Ecrire les premiers termes et observer, verifier les observations.

Ex : xn+1=1+xn/2x_{n+1} = 1 + x_n/2 :

  • x0>2x_0 > 2 : decroissante, majoree
  • x0=2x_0 = 2 : cst
  • x0<2x_0 < 2 : croissante, minoree

\Rightarrow les 2 cas bornes convergent ; comme L\exists L, on remplace dans l’equ. :

xn+1=1+xn2L=1+L2L=2x_{n+1} = 1 + \frac{x_n}{2} \Rightarrow L = 1 + \frac{L}{2} \Rightarrow L = 2

Methode 2 — expression explicite

On veut exprimer xnx_n en fonction de x0x_0 (par recurrence).

Ex : xn=2(1(12)n)+(12)nx02x_n = 2\left(1 - \left(\tfrac{1}{2}\right)^n\right) + \left(\tfrac{1}{2}\right)^n x_0 \to 2

Methode 3 — suite de Cauchy

xk+1xk=12xkxk1|x_{k+1} - x_k| = \frac{1}{2}|x_k - x_{k-1}|

n>m\forall n > m : xnxm0|x_n - x_m| \leq \sum \cdots \to 0 x0R\forall x_0 \in \mathbb{R} \Rightarrow suite de Cauchy L\Rightarrow \exists L \Rightarrow methode 1.

Graphique (cobweb)

Construction pour visualiser :

  1. partir de (xn,0)(x_n, 0)
  2. monter (v) au graphe gg : (xn,g(xn))=(xn,xn+1)(x_n, g(x_n)) = (x_n, x_{n+1})
  3. glisser (h) a y=xy = x pour (xn+1,xn+1)(x_{n+1}, x_{n+1})
  4. redescendre (v) a (xn+1,0)(x_{n+1}, 0)

Point fixe = intersection de gg et y=xy = x


Chap V — Series numeriques

Definition + proprietes

nan=Sn:=a0+a1++an,S0:=a0,S1:=a0+a1,\sum_n a_n = S_n := a_0 + a_1 + \cdots + a_n, \quad S_0 := a_0, \quad S_1 := a_0 + a_1, \quad \ldots

Δ\Delta important : si non contradictoire (11+11+1 - 1 + 1 - 1 + \cdots)

  • converge : limnn=0an=S\displaystyle\lim_{n\to\infty} \sum_{n=0}^\infty a_n = S \exists

  • diverge : =±= \pm\infty

  • si nan\sum_n a_n converge \Rightarrow an0a_n \to 0 (pas \Leftarrow)

  • si an\sum a_n et bn\sum b_n convergent :

    • (an+bn)=an+bn\sum(a_n + b_n) = \sum a_n + \sum b_n
    • λan=λan\sum \lambda a_n = \lambda \sum a_n, λR\forall \lambda \in \mathbb{R}
  • la convergence depend d’un nombre fini de termes

n1np\sum_n \frac{1}{n^p}

Thm : pRp \in \mathbb{R} fixe : si p>1p > 1 \Rightarrow converge ; si p1p \leq 1 \Rightarrow diverge.

Tres sensible : 1n1,00001<\dfrac{1}{n^{1{,}00001}} < \infty ; 1n0,99999=\dfrac{1}{n^{0{,}99999}} = \infty

nλn\sum_n \lambda^n

  • si λ<1|\lambda| < 1 \Rightarrow converge
  • si non \Rightarrow diverge

Serie telescopique

n1(xnxn1)\sum_{n \geq 1} (x_n - x_{n-1})

Thm : si xnLx_n \to L \Rightarrow an\sum a_n converge et vaut limn(xnx0)=Lx0\displaystyle\lim_{n\to\infty}(x_n - x_0) = L - x_0

Serie dependant d’un parametre

xf(x):=n1an(x),f:IRx \mapsto f(x) := \sum_{n \geq 1} a_n(x), \quad f : I \to \mathbb{R}

D(f)={xI  |  n1an(x) converge}D(f) = \left\{x \in I \;\middle|\; \sum_{n \geq 1} a_n(x) \text{ converge}\right\}

Ex : f(x)=n0cos(3nx)/2nf(x) = \sum_{n \geq 0} \cos(3^n x)/2^n \Rightarrow D(f)=RD(f) = \mathbb{R} : continue partout, derivable nulle part

Critere de Leibniz

Soit an=(1)nxna_n = (-1)^n x_n, si :

  1. xn0x_n \geq 0
  2. xnx_n decroissant
  3. xn0x_n \to 0

\Rightarrow an\sum a_n converge

(diagramme : S0,S1,S2,S_0, S_1, S_2, \ldots oscillent en convergeant vers SS)

Theoremes d’etude

Critere de comparaison : soit 0anbn0 \leq a_n \leq b_n, n>NZ\forall n > N \in \mathbb{Z} :

  • si bn\sum b_n converge \Rightarrow an\sum a_n converge
  • si an\sum a_n diverge \Rightarrow bn\sum b_n diverge

Limite quotient : an,bn>0a_n, b_n > 0 nNZ\forall n \geq N \in \mathbb{Z}, α:=limnanbn\exists \alpha := \displaystyle\lim_{n\to\infty} \dfrac{a_n}{b_n} :

  • si α>0\alpha > 0 \Rightarrow an\sum a_n et bn\sum b_n convergent ou divergent ensemble
  • si α=0\alpha = 0 et bn\sum b_n converge \Rightarrow an\sum a_n converge
  • si α=+\alpha = +\infty et bn\sum b_n diverge \Rightarrow an\sum a_n diverge

Critere de d’Alembert :

ρ:=limnan+1an,ρ est +\rho := \lim_{n\to\infty} \left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right|, \quad \exists \rho \text{ est } +\infty

  • si ρ<1\rho < 1 \Rightarrow an\sum a_n converge
  • si ρ>1\rho > 1 \Rightarrow diverge
  • si ρ=1\rho = 1 \Rightarrow ne dit rien

Critere de Cauchy :

σ:=lim supnann\sigma := \limsup_{n\to\infty} \sqrt[n]{|a_n|}

  1. si σ<1\sigma < 1 \Rightarrow an\sum a_n converge
  2. si σ>1\sigma > 1 \Rightarrow diverge

Convergence absolue

nan\sum_n a_n converge absolument : an\sum |a_n| converge

Thm : an\sum |a_n| converge \Rightarrow an\sum a_n converge


Chap VI — Fonctions R\mathbb{R}

Monotonie

IRI \subset \mathbb{R}, f:IRf : I \to \mathbb{R}

  • croissante : f(x)f(x)f(x) \leq f(x') x,xI\forall x, x' \in I, x<xx < x'
  • decroissante : f(x)f(x)f(x) \geq f(x') x,xI\forall x, x' \in I, x>xx > x'
  • constante si les deux
  • variant : trouver l’intervalle sur lequel ff' est croissante ou decroissante

Periodicite

ff est tt-periodique : t>0t > 0, f:RRf : \mathbb{R} \to \mathbb{R}, f(x+t)=f(x)f(x+t) = f(x) xR\forall x \in \mathbb{R}

tt min = la periode de f=Tf = T

Thm : f:RRf : \mathbb{R} \to \mathbb{R}, TfT_f ; g:RRg : \mathbb{R} \to \mathbb{R}, TgT_g : si Tf/TgQT_f/T_g \in \mathbb{Q} \Rightarrow f+gf + g est periodique

Parite / Imparite

  • paire : f:DRf : D \to \mathbb{R} \Rightarrow f(x)=f(x)f(-x) = f(x) xD\forall x \in D
  • impaire : f:DRf : D \to \mathbb{R} \Rightarrow f(x)=f(x)f(-x) = -f(x) xD\forall x \in D
  • montrer que non : contre-exemple

Thm : si DD est symetrique, toute fonction f:DRf : D \to \mathbb{R} peut s’ecrire de maniere unique comme somme d’une fonction paire et d’une impaire

Convexite / Concavite

Intervalle II, f:IRf : I \to \mathbb{R}, λ[0,1]\forall \lambda \in [0,1], x1<x2x_1 < x_2

  • convexe : x1,x2I\forall x_1, x_2 \in I : f((1λ)x1+λx2)(1λ)f(x1)+λf(x2)f\bigl((1-\lambda)x_1 + \lambda x_2\bigr) \leq (1-\lambda)f(x_1) + \lambda f(x_2)
  • concave : si f-f est convexe

Thm : f:DRf : D \to \mathbb{R} :

  1. si ABDA \subset B \subset D \Rightarrow supAfsupBf\sup_A f \leq \sup_B f, infAfinfBf\inf_A f \geq \inf_B f
  2. sup(f)=inff\sup(-f) = -\inf f
  3. sup(f+g)supf+supg\sup(f+g) \leq \sup f + \sup g
  4. α>0\forall \alpha > 0, βR\beta \in \mathbb{R} \Rightarrow sup(αf+β)=αsupf+β\sup(\alpha f + \beta) = \alpha \sup f + \beta

Min / Max, Sup / Inf

f:DRf : D \to \mathbb{R}

  • max (global) : xD\exists x^* \in D t.q. f(x)f(x)f(x) \leq f(x^*) xD\forall x \in D
  • min (global) : x0D\exists x_0 \in D t.q. f(x)f(x0)f(x) \geq f(x_0) xD\forall x \in D
  • majorant : MR\exists M \in \mathbb{R} t.q. f(x)Mf(x) \leq M xD\forall x \in D
  • minorant : mR\exists m \in \mathbb{R} t.q. f(x)mf(x) \geq m xD\forall x \in D
  • bornee si les deux
  • Sup ff = si majoree, le plus petit majorant ; sinon ++\infty
  • Inf ff = si minoree, le plus grand minorant ; sinon -\infty
  • egal a Max/Min si ceux-ci existent

Chap VII — Limites de fonctions

Voisinage epointe

V=]x0α,x0[]x0,x0+α[,α>0V = \,]x_0 - \alpha, x_0[\,\cup\,]x_0, x_0 + \alpha[, \quad \alpha > 0

ff definie dans un voisinage si V\exists V t.q. f(x)f(x) est defini xV\forall x \in V

Limite en un point

fLRf \to L \in \mathbb{R} quand xx0x \to x_0 :

ε>0,  δ>0 t.q. f(x)Lε quand 0<xx0δ\forall \varepsilon > 0,\; \exists \delta > 0 \text{ t.q. } |f(x) - L| \leq \varepsilon \text{ quand } 0 < |x - x_0| \leq \delta

limxx0f(x)=L\Rightarrow \lim_{x \to x_0} f(x) = L

  • si L\exists L \Rightarrow unique

Car : limxx0f(x)=L\displaystyle\lim_{x \to x_0} f(x) = L iff (an)x0\forall (a_n) \neq x_0 et anx0a_n \to x_0 : limnf(an)=L\displaystyle\lim_{n\to\infty} f(a_n) = L

→ montrer que la limite n’existe pas : utiliser des suites laterales ou des limites laterales differentes

Limite laterale

  • xx0+x \to x_0^+ : dans ]x0,x0+α[]x_0, x_0+\alpha[
  • xx0x \to x_0^- : dans ]x0α,x0[]x_0-\alpha, x_0[

limxx0f(x)=Llimxx0+f(x)=limxx0f(x)=L\lim_{x\to x_0} f(x) = L \Leftrightarrow \lim_{x\to x_0^+} f(x) = \lim_{x\to x_0^-} f(x) = L

Proprietes

lim(f±g)=limf±limg,lim(fg)=limflimg,f(x)g(x)limflimg\lim(f \pm g) = \lim f \pm \lim g, \quad \lim(f \cdot g) = \lim f \cdot \lim g, \quad f(x) \leq g(x) \Rightarrow \lim f \leq \lim g

Deux gendarmes : g(x)f(x)h(x)g(x) \leq f(x) \leq h(x) xV\forall x \in V, si limg=limh=L\lim g = \lim h = L \Rightarrow limf=L\lim f = L

Limite infinie

xx0x \to x_0, M>0\forall M > 0, δ>0\exists \delta > 0 t.q. f(x)Mf(x) \geq M quand 0<xx0δ0 < |x - x_0| \leq \delta

Si f(x)f(x) \to \infty :

  • limxx01/f(x)=0\lim_{x\to x_0} 1/f(x) = 0
  • gg \to \infty : f+g=f + g = \infty et fg=f \cdot g = \infty
  • gg borne : f+g=+f + g = +\infty, g/f=0g/f = 0
  • gL0g \to L \neq 0 : fg=+f \cdot g = +\infty si L>0L > 0, == -\infty si L<0L < 0
  • δ>0\delta > 0 t.q. gδg \geq \delta xV\forall x \in V \Rightarrow fg=+f \cdot g = +\infty
  • gfg \geq f xV\forall x \in V \Rightarrow g(x)+g(x) \to +\infty

Limites finies (xx \to \infty)

f:Dom(f)=]a,+[f : \text{Dom}(f) = ]a, +\infty[ :

limxf(x)=L:ε>0,  N>0 t.q. f(x)Lε quand xN\lim_{x\to\infty} f(x) = L : \forall \varepsilon > 0,\; \exists N > 0 \text{ t.q. } |f(x) - L| \leq \varepsilon \text{ quand } x \geq N

Limites infinies (f(x)f(x) \to \infty)

limxf(x)= iff M>0,  N>0 t.q. f(x)M des que xN\lim_{x\to\infty} f(x) = \infty \text{ iff } \forall M > 0,\; \exists N > 0 \text{ t.q. } f(x) \geq M \text{ des que } x \geq N

Indetermine 0/00/0

  • polynomes \to factorisation (xx0)(x - x_0)
  • methode du conjugue

Thm : limx0\displaystyle\lim_{x \to 0} :

sinxx=1,1cosxx2=12,log(x+1)x=1,ex1x=1\frac{\sin x}{x} = 1, \quad \frac{1 - \cos x}{x^2} = \frac{1}{2}, \quad \frac{\log(x+1)}{x} = 1, \quad \frac{e^x - 1}{x} = 1


Chap VIII — Continuite

Definition

DRD \subset \mathbb{R} ouvert, f:DRf : D \to \mathbb{R} continue en x0x_0 si :

limxx0f(x)=f(x0)\lim_{x \to x_0} f(x) = f(x_0)

Si la limite n’existe pas ou est differente de f(x0)f(x_0), alors ff est discontinue.

Fonctions elementaires continues

  • polynomes : continus sur R\mathbb{R}
  • sin\sin et cos\cos : continus sur R\mathbb{R} ; tan\tan : continue sur R{π/2+kπkZ}\mathbb{R} \setminus \{\pi/2 + k\pi \mid k \in \mathbb{Z}\}
  • axa^x, a>0\forall a > 0 : continue sur R\mathbb{R}
  • loga(x)\log_a(x), a>0\forall a > 0 : continue sur R+\mathbb{R}^+_*

Continuite laterale

  • ff continue a gauche : limxx0f(x)=f(x0)\displaystyle\lim_{x \to x_0^-} f(x) = f(x_0)
  • ff continue a droite : limxx0+f(x)=f(x0)\displaystyle\lim_{x \to x_0^+} f(x) = f(x_0)

Thm : ff est continue ssi elle est continue a gauche et a droite.

Continuite sur un intervalle compact

f:[a,b]Rf : [a,b] \to \mathbb{R} continue sur :

  • continue en tout x0]a,b[x_0 \in \,]a, b[
  • continue a droite en x0=ax_0 = a
  • continue a gauche en x0=bx_0 = b

Thm : soit f:[a,b]Rf : [a,b] \to \mathbb{R} continue \Rightarrow ff est bornee.

Thm : f:[a,b]Rf : [a,b] \to \mathbb{R} continue \Rightarrow ff atteint son max et son min.

Valeurs intermediaires

f:[a,b]Rf : [a,b] \to \mathbb{R} continue, f(a)<f(b)f(a) < f(b) :

h:f(a)<h<f(b)c]a,b[ t.q. f(c)=h\forall h : f(a) < h < f(b) \Rightarrow \exists c \in \,]a,b[ \text{ t.q. } f(c) = h

\Rightarrow un polynome a coefficients reels de degre impair possede au moins une racine reelle

Thm : f:[a,b]Rf : [a,b] \to \mathbb{R}. Im(f)(f) est donnee par : Im(f)=[minf(x),maxf(x)]\text{Im}(f) = [\min f(x),\, \max f(x)]

Prolongement

x0Ix_0 \in I, I:=I{x0}I' := I \setminus \{x_0\} : si limxx0f(x)=L\displaystyle\lim_{x \to x_0} f(x) = L existe, alors on peut definir f(x0):=Lf(x_0) := L

Continuite et calcul de limite

limf(g(x))\lim f(g(x)) avec g(x)y0g(x) \to y_0 et ff continue en y0y_0 :

limf(g(x))=f ⁣(limg(x))=f(y0)\lim f(g(x)) = f\!\left(\lim g(x)\right) = f(y_0)

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